武漢市鸚鵡洲長江大橋全封閉聲屏障設計

李 明 華

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056)

?

武漢市鸚鵡洲長江大橋全封閉聲屏障設計

李 明 華

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056)

根據(jù)聲屏障聲學原理，從建筑景觀設計、結構設計、輔助設計等方面，探討了武漢市鸚鵡洲長江大橋全封閉聲屏障設計方法，并介紹了聲屏障施工與維護措施，有效解決了高架道路交通噪聲問題。

聲屏障，橋梁，框架結構，吸聲材料

1 工程概況

武漢市鸚鵡洲長江大橋位于武漢市中心城區(qū)，連接漢陽、武昌，是武漢市首座雙向八車道長江大橋。跨江主橋為兩主跨均為850 m的三塔懸索橋，引橋為30 m，35 m的小跨徑預應力混凝土連續(xù)梁橋。漢陽岸引橋穿越世貿(mào)錦繡長江住宅樓段，為保障其小區(qū)居民正常生活環(huán)境，根據(jù)湖北省環(huán)境保護廳關于《武漢鸚鵡洲長江大橋工程環(huán)境影響報告書》的批復，漢陽岸引橋橋面設置長250 m全封閉聲屏障[1-3]。2014年12月28日，武漢市鸚鵡洲長江大橋正式通車，該橋被廣大市民譽為武漢市最美的長江大橋，其中漢陽岸引橋上“空中隧道”式全封閉聲屏障也得到廣大市民的一致稱贊。

設置全封閉聲屏障橋面為雙向八車道，標準寬度為33.0 m，高架橋高10 m～18 m。全封閉式聲屏障采用雙跨門式鋼架，頂部為大弧形，兩側上部為弧形過渡，兩側為垂直墻面，聲屏障內凈空高度大于5.0 m，并且在聲屏障區(qū)域進入前一段道路上設置了限高標識，聲屏障整體造型生動簡潔。

2 聲屏障聲學原理分析及聲學設計

聲屏障主要工作原理[4,5]是利用障礙物阻擋聲波的傳播路徑，使聲波從噪聲源傳遞到保護點的路徑加長，從而達到減少噪聲影響的目的。一般的聲屏障結構形式有直立式和折臂式兩種。直立式和折臂式聲屏障都屬于“墻式聲屏障”。對于噪聲敏感點和道路距離很近，高度很高的情況，一般“墻式聲屏障”就無法覆蓋整個建筑物，雖然有一種“干涉式”消聲裝置可以減少聲影區(qū)外特定頻率的噪聲強度，但對屬于多頻率復合的交通噪聲效果并不理想，因此采用墻式聲屏障會導致建筑高層的敏感點噪聲得不到控制。為了增加聲屏障的聲影區(qū)以覆蓋整個高層建筑，就必須增加聲屏障的“有效高度”，由于受結構高度和強度、安全等的限制，聲屏障不可能無限加高。因此采用門架結構，在框架上安裝吸隔聲材料和透明材料組成的封閉聲屏障便成為了解決高層建筑交通噪聲防護的有效措施。全封閉聲屏障整個框架都用吸隔聲材料進行密封，密封可靠的情況下，降噪量可以達到吸隔聲材料的隔聲量，工程質量和材料質量好的時候可以將車輛降噪量降低到背景噪聲以下，如從原來的75 dB降低到55 dB(一般城市背景噪聲都不低于55 dB)。

武漢市鸚鵡洲長江大橋漢陽岸引橋穿越世貿(mào)錦繡長江住宅樓段，引橋兩側高層建筑需要噪聲防護，因此需采用全封閉聲屏障。全封閉聲屏障的理論插入損失值可以達到25 dB以上。由于全封閉聲屏障大部分噪聲都無法透過屏障，如果不采用吸聲材料，則聲波在聲屏障內部區(qū)域來回反射形成混響，道路內噪聲會有明顯增加，降低乘車和駕駛舒適性。因此全封閉聲屏障內側一般都安裝有大量吸聲材料。本工程聲屏障頂部及兩側的吸聲隔聲屏體及采光隔聲屏體的隔聲量均大于25 dB，有效提高了全封閉聲屏障的整體隔聲效果。

3 聲屏障建筑景觀設計

目前全封閉聲屏障在國際和國內都有不少應用，但由于道路和環(huán)境的特殊性，全封閉聲屏障目前沒有專門的標準，一般采用鋼結構或建筑標準作為安全準則，再通過聲學計算來確定聲學結構，基本都是根據(jù)具體工程情況具體設計。本工程全封閉式聲屏障采用頂部為大弧形的雙跨門式構造，使整個聲屏障造型融入到周邊建筑景觀中，成為一道城市風景，既解決了噪聲問題，又增加了城市美感，一舉多得。

本橋全封閉聲屏障采用雙跨門式鋼架，頂部為大弧形，兩側上部為弧形過渡，聲屏障框架由立柱、H型弧形鋼橫梁和縱向連接檁條組成，聲屏障框架間分別鋪設弧形透明隔聲板和金屬吸隔聲板，整體造型生動簡潔。聲屏障兩側設置一定高度的不透明吸聲板，有利于減少隧道內反射聲混響，提高內部行車舒適度，同時可以減少夜間車燈強光對兩側居民的影響，特別是彎道處車燈光線直接射向外側的居民樓，擾民現(xiàn)象比較嚴重。中部設置3 m高左右的不透明雙面吸聲板，既可以起到吸收噪聲減少內部混響的作用，也可以起到車道中間防眩板的作用，一舉兩得。

4 聲屏障結構設計

本工程全封閉聲屏障的主結構采用輕型門式鋼架結構。鋼架結構置于引橋混凝土箱梁橋架之上，主鋼架采用弧線H型鋼型式，立柱為HW488×300×11×18，鋼梁為HW488×300×12×18，立柱的標準間距為3.0 m。因在進行橋梁設計時，已考慮全封閉聲屏障的荷載，全封閉聲屏障不再另作基礎設計，鋼立柱直接與混凝土箱梁橋架上預埋的鋼鉸軸底座進行鉸接連接，在安裝過程中，應及時安裝臨時支撐，以防失穩(wěn)。主框架采用Q345B熱軋H型鋼，鉸鏈采用Q345B材料，銷軸采用40Cr，其他鋼材采用Q235B。金屬復合吸聲板由面板和背板組成，內部填充吸聲材料和隔聲材料。聲屏障單元板和單元板之間，單元板和立柱之間，都設有橡膠條，具有抵抗伸縮變形、避免噪聲泄漏和二次結構噪聲的相應結構措施?？紤]全封閉聲屏障的耐久性，所有鋼構件均熱浸鋅后再進行氟碳噴涂處理。

門式框架結構主要計算如下。

4.1 計算輸入

橋位處基本風壓0.35 kN/m2，基本雪壓0.50 kN/m2，聲屏障頂面活荷載標準值取值：0.5 kN/m2；施工或檢修集中荷載取1.0 kN。設計基本地震加速度值為0.05g，特征周期為0.4 s。

4.2 結構要求

根據(jù)GB 50017—2003鋼結構設計規(guī)范和《鋼結構設計手冊》，主框架屬于墻架+主梁結合結構，變形規(guī)定和構造要求如下：支柱撓度不大于L/400=12.5 mm；柱間水平支撐撓度不大于L/1 000=3 mm；主梁撓度不大于L/400=40.625 mm；立柱和主梁長細比不大于150，其他支撐構件長細比不大于200。

4.3 計算結果

設計共進行了多種荷載工況的計算，計算結果表明，在各種工況下主框架變形及應力均滿足設計要求。以下僅示工況恒載+最大風荷載+最大雪荷載的計算結果。

1)梁最大位移：11.75 mm，立柱最大位移：5.87 mm，滿足上述撓度限值。2)最大彎曲應力67.07 MPa，最大剪切應力7.101 MPa，主框架鋼材應力有富余。

5 聲屏障的輔助設計

本工程全封閉聲屏障設置區(qū)段長僅250 m，相對較長區(qū)段設置全封閉聲屏障需考慮的廢氣溫室效應、通風、緊急疏散、檢修通道等問題比較容易解決。聲屏障的輔助設計應重點解決防水、排水、自然采光、行車及安全等問題。

5.1 防水、排水

全封閉聲屏障的覆蓋面積為8 125.0 m2，其結構在使用一段時間后頂部肯定會有積灰現(xiàn)象。對于聲屏障內部的積灰可以采用灑水車沖洗的方案，這要求聲屏障內的吸聲材料具有防水功能；對頂部的積灰可采取人工帶水槍到頂面沖洗的方式清洗。同時，全封閉聲屏障聲學構件的安裝方式中需考慮合理的排水構造，解決自然降雨或清洗時的排水問題。該工程排水設計主要在全封閉聲屏障頂部兩側設置雨水收集裝置，并用排水管連接至高架橋的排水系統(tǒng)。

5.2 自然采光

在全封閉聲屏障兩側轉角和頂部設置大面積的透明隔聲屏障，可以給內部道路帶來足夠的光線，讓行車視野更開闊，減少日間照明成本，同時減少聲屏障區(qū)域內外的光照度差異，可以避免因人眼適應明暗變化延遲帶來的行車安全隱患。

5.3 行車及安全

車輛行駛在全封閉式聲屏障內部，因此必須考慮車輛的行駛條件和安全。全封閉聲屏障上的聲學構件必須具有可靠的連接，防止在外力作用下掉落。鋼立柱應當設置于防撞護欄外，不能利用全封閉聲屏障的框架結構作為防撞結構，避免車禍意外時影響整個結構的安全。同時，在全封閉聲屏障順橋向每30 m設1組鋼立柱柱間支撐，防止主體結構連續(xù)失穩(wěn)，即當其中一跨或幾跨鋼構被車輛意外破壞時，不會發(fā)生連續(xù)性的倒塌，最大限度減少事故損失。

6 施工和維護設計

全封閉式聲屏障的施工過程是先安裝鋼構框架，采取工廠預制、現(xiàn)場拼裝或拼焊的方式。為了保證封閉式聲屏障工程的降噪質量，聲屏障的吸隔聲材料在安裝時密封，用來封閉的聲學構件和主體結構之間做到了安裝方便、密封性好。

考慮到吸聲材料的使用壽命很難和鋼結構同壽命，考慮了聲學構件的更換和維護條件。聲學構件采用模塊化設計，工廠生產(chǎn)后到現(xiàn)場進行簡單的連接，安裝或更換。

7 結語

全封閉式聲屏障的設計沒有專門的規(guī)范，它是一個跨學科的綜合工程，包含了建筑、鋼結構、環(huán)評、聲學設計、道路交通規(guī)劃、暖通、給排水等領域的知識。本項目設置區(qū)域為雙向八車道、寬33 m的高架橋。在城市高架橋上設置如此大跨全封閉聲屏障在國內尚無先例，設計方案經(jīng)過了多方面的設計和調查，取得了預期的工程效果，必將在今后類似工程設計施工中得到大量推廣和應用。

[1] 胡宏斌.城市快速路全封閉隔音隧道設計淺析[J].中國建材科技,2009(4)：69-72.

[2] 王庭佛，徐 劍.道路全封閉聲屏障的實踐[J].環(huán)境工程,2004(6)：50-53.

[3] 馬 娜.上海軌道交通6號線全封閉聲屏障工程設計[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2010(5)：1-5.

[4] 陳繼浩.隔聲屏障結構聲學模擬、設計與性能優(yōu)化應用研究[D].北京：中國建筑材料科學研究總院,2009.

[5] 胡 薇.聲屏障聲學特性及其城市道路交通降噪效果研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學,2014.

Design of fully enclosed acoustic barrier of Yangze River Bridge in Yingwu continent of Wuhan city

Li Minghua

(ChinaRailwayBridgeSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Wuhan430056,China)

According to acoustical principle of acoustic barrier, starting from aspects of building landscape design, structural design and aided design, the paper explores design methods of fully enclosed acoustic barrier of Yangze River Bridge in Yingwu continent of Wuhan city, and introduces acoustic barrier construction and maintenance measures, which effectively solves elevated road traffic noise problem.

acoustic barrier, bridge, framework structure, sound-absorbing material

1009-6825(2016)16-0170-02

2016-03-26

李明華(1972- )，男，教授級高級工程師

TU112.594

A