高速鐵路聲屏障設(shè)計研究

張學(xué)坤

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 聲屏障研究內(nèi)容

目前我國對于聲屏障研究的內(nèi)容主要包括：如果高速鐵路運(yùn)行過程中不設(shè)置聲屏障或聲屏障設(shè)置達(dá)不到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)時，降低噪音的程度，同時要對聲屏障設(shè)置后，對周邊居民造成的視覺沖擊和景觀影響進(jìn)行考慮。根據(jù)聲屏障的降噪原理與插入損失計算概述，實現(xiàn)對聲屏障降噪基本理論，聲屏障插入損失計算理論與特性，高速鐵路噪音源特性，編制聲屏障插入損失模型預(yù)測系統(tǒng)等方面的研究開展。

2 聲屏障基本知識

任何一個聲學(xué)系統(tǒng)都是由聲源傳播途徑受聲體三部分組成，缺一不可，所以在進(jìn)行噪音控制時，要從三個環(huán)節(jié)的控制難易度進(jìn)行考慮，選擇合適的控制端口。目前的研究工作比較廣泛，對于如何從聲源上對噪音產(chǎn)生進(jìn)行根治，如何在噪音的傳播途徑上采取相應(yīng)的措施，降低噪音影響，以及如何在接收點對受傷者進(jìn)行保護(hù)，三種方向進(jìn)行同時研究，希望能夠找出一個最具可行性的降噪方案。其中在聲源對噪音產(chǎn)生進(jìn)行控制，雖然是最理想的噪音控制方向，但是實現(xiàn)難度最大。以現(xiàn)有技術(shù)想要實現(xiàn)第一種解決辦法，對于施工技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)投入要求非常高，所以目前切實可行的降低噪音污染的方法，是在傳播途徑中設(shè)置足夠數(shù)量的聲屏障，來阻斷噪音的傳播，利用聲屏障對于聲源附近敏感點進(jìn)行保護(hù)，是目前技術(shù)能力條件下一種有效的控制噪音的辦法。

3 聲屏障降低噪音的原理

聲屏障對噪音進(jìn)行控制的原理是基于惠更斯-菲涅斯的波動理論。該理論指出，如果能夠在聲音發(fā)聲處與受聲點之間設(shè)置一個密度較高的物體。聲音在傳播這個物體后，需要通過繞射的形式，才能夠傳到原先的接收點。在這一過程中聲音傳播的路徑被明顯地拉伸，而由于在聲波傳播過程中隨著傳播距離的增加，會產(chǎn)生一個非常明顯的衰減過程，這種障礙物的存在就能夠有效地降低噪聲傳到周邊居民生活區(qū)域時的音量。當(dāng)聲波遭遇聲屏障是將有三條路徑進(jìn)行傳播，第一條路徑是越過聲屏障的頂端繞射到受聲點，另一部分是穿透聲屏障到達(dá)受聲點，還有一種路徑是通過聲屏障避免進(jìn)行反射。而聲屏障的插入損失，主要是源于聲源發(fā)聲的聲波沿三條路徑傳播時的聲能分配。聲源輻射的聲波在屏障背后形成聲影區(qū)，而聲影區(qū)的大小，則與聲屏障的設(shè)置高度有關(guān)。

3.1 繞射

當(dāng)聲音在傳播過程中，越過聲屏障頂端繞射到受聲點時，此時的聲能將明顯低于直達(dá)時得能量。兩種不同聲級之間的差別被稱之為繞射衰減。這個數(shù)值與聲波的繞射角度有關(guān)，角度越大，聲音衰竭的頻率越大，達(dá)成的降噪效果最好。

3.2 透射

聲波在穿越聲屏障傳播到受聲點的過程被稱之為透射，在這一過程中，聲屏障對于噪音的控制，主要是取決于聲屏障表面的密度設(shè)置以及入射角和聲波自身的頻率。在此過程中聲屏障材料的隔音能力，用傳聲損失這一概念來進(jìn)行評價，也可以稱之為隔聲量。能夠透過的聲能越少，就表示聲屏障材料的隔聲效果更好。這里需要注意的是，聲屏障對于聲音的阻隔效果，取決于其表面材料的密度和自身體積的大小，一般來說體積越大，隔聲效果越好，對于噪聲的隔絕能力越強(qiáng)，但是如果聲屏障材料表面出現(xiàn)少許空隙或空洞，就會對聲屏障的整體隔聲效果造成嚴(yán)重的破壞，由于聲能可以通過空隙直接傳播至受聲體，在這一過程中，會大大減少經(jīng)過聲屏障所需損失的聲能，造成聲屏障的隔聲效果得到大幅度降低。具體原因是聲屏障出現(xiàn)孔洞，當(dāng)聲波傳播至孔洞時，可以透過小孔位置穿過，在小孔中心形成新的球面波中心。直觀來說，就是能夠在聲屏障里面二次形成聲源，而由于這個聲源所傳播出的聲音沒有聲屏障的阻隔，所以，噪聲的能量會不受損失，直接傳遞給受聲體。

4 聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使鐵路聲屏障建成之后，能夠減少各種荷載所造成的破壞作用，需要對聲屏障，結(jié)合實際的使用環(huán)境和功能進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，關(guān)于聲屏障的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)主要從兩個方向來思考。第一個方向是聲屏障承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算，另一個方向是聲屏障結(jié)構(gòu)在聲學(xué)所滿足的設(shè)計需求。

4.1 聲屏障的主要荷載來源

在聲屏障使用過程中，造成其出現(xiàn)荷載的主要來源包括自重，地震引起的荷載，風(fēng)荷載在北方地區(qū)，還需要考慮到冰雪積壓所造成的荷載。

4.2 針對荷載所采取的承重結(jié)構(gòu)設(shè)計

聲屏障單體構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，除了與構(gòu)筑物進(jìn)行整體澆筑的部分外，一般聲屏障構(gòu)建中還有一部分體量是單獨制成的，需要對其進(jìn)行安裝，在對于這些部分進(jìn)行設(shè)計時需要對其剛度和強(qiáng)度進(jìn)行考慮，確定其符合聲屏障的使用需求，并且在運(yùn)輸和安裝過程中，要確保所有的操作符合規(guī)范，保證其剛度和強(qiáng)度不會受到損失，在安裝完成之后，單體強(qiáng)度和剛度的主要荷載來源是水平風(fēng)壓力導(dǎo)致的變形量和撓曲強(qiáng)度。在運(yùn)輸過程中，其受到的荷載主要是由于構(gòu)建自身的重量而導(dǎo)致的彎曲和變形情況，同時也與吊運(yùn)的位置有關(guān)。

聲屏障結(jié)構(gòu)的主要組成部分包括立柱，障板與立柱的聯(lián)系部分，柱與基礎(chǔ)連接區(qū)域和基礎(chǔ)本身，每一部分都要進(jìn)行單獨的計算。

（1）由于在使用過程中，立柱部分需要承受所有的橫向風(fēng)壓所導(dǎo)致的荷載，立柱一般為單懸臂梁，因其受力最危險的部分處于根部，所以在根部承受的水平力，彎曲自重產(chǎn)生的垂直力是整個立柱是否能夠承受荷載的關(guān)鍵。對其進(jìn)行設(shè)計時，如果發(fā)現(xiàn)無法滿足現(xiàn)有的使用需求，就需要對尺寸或者剛度進(jìn)行修改。同時還需要對立柱的穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，頂端為量不得超過1：300。

（2）障板與立柱連接處的計算，要與單件計算統(tǒng)一，如果兩者存在錨固部分，還需要計算其剪力強(qiáng)度。

（3）對于立柱與基礎(chǔ)連接部的計算，當(dāng)聲屏障設(shè)置在高架結(jié)構(gòu)時，基礎(chǔ)與立柱之間往往以法蘭盤相連。

（4）基礎(chǔ)部分的計算，立柱分為淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)兩大類，分別按照其運(yùn)算規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)工作，如果聲屏障設(shè)置在橋梁或擋土墻上，為保證上部結(jié)構(gòu)不受影響基礎(chǔ)需要另外設(shè)計，采取的方法多為，外移擋墻，加固橋梁翼梁，預(yù)埋鋼構(gòu)件。

4.3 聲屏障構(gòu)造設(shè)計

在對承重部分進(jìn)行計算完成后，并不意味著聲屏障的構(gòu)造設(shè)計工作完成，除了需要保證其具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性之外，還要求其與聲學(xué)要求相匹配。為了保證聲音的不漏時需要確保板與板或板與柱之間足夠緊密的貼合。為了達(dá)成這樣的要求就需要通過結(jié)構(gòu)斷面的組合來達(dá)成。

5 結(jié)語

高速鐵路的發(fā)展和運(yùn)行，對于我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起到了非常重要的推動作用，同時也是我國鐵路行業(yè)未來發(fā)展的標(biāo)志，在高速鐵路發(fā)展過程中，雖然具備很多傳統(tǒng)鐵路所沒有的特性，但是由于高速鐵路運(yùn)行過程中產(chǎn)生的污染，也成為周邊居民詬病的原因。在高速鐵路發(fā)展過程中，為了提高可持續(xù)性，就一定要解決在高速鐵路運(yùn)行過程中的噪音問題，聲屏障設(shè)置是目前技術(shù)條件下最有效的一種對于運(yùn)行噪音進(jìn)行控制的辦法，并且經(jīng)過了長時間的實踐，證明了其的有效性，雖然目前我國對于聲屏障的研究和研發(fā)工作尚處初級階段，但我國在未來發(fā)展過程中有大量的市場空間，所以該技術(shù)一定會在我國有更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。