聲環(huán)境敏感度高的道路聲屏障優(yōu)化設(shè)計與施工

邵明帥

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司, 上海 200135)

0 引 言

在道路上加裝聲屏障是控制交通噪聲的重要措施，近年來全封閉式聲屏障已在道路改擴(kuò)建項目中得到大規(guī)模應(yīng)用。在實際施工過程中，如何提高聲屏障的降噪效果，增強(qiáng)其防腐性能，并防止二次污染，是值得研究的問題。本文以聲環(huán)境敏感度高的某沿海城市道路改擴(kuò)建項目為例，對其采用的全影型聲屏障進(jìn)行介紹,闡述同類型聲屏障的優(yōu)化設(shè)計與施工,為后續(xù)類似的聲屏障工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況和主要優(yōu)化內(nèi)容

1.1 工程概況

該項目的道路設(shè)計全長約 1 092 m，雙向四車道，設(shè)計車速為 40 km/h，車道寬為16 m，全線大部分采用橋梁形式。

敏感點為住宅樓,位于道路西側(cè)，與該項目的最近距離為25 m，樓層有5～18層。根據(jù)前期設(shè)計規(guī)劃，該項目在橋梁段設(shè)置907 m長的全影型聲屏障，內(nèi)部凈空高度6.3 m，聲屏障結(jié)構(gòu)頂部高出防撞墻頂5.5 m，全封閉式聲屏障跨度為15.7～16.9 m變跨徑。全封閉式聲屏障的隔聲結(jié)構(gòu)由帶吸聲面的金屬吸隔聲結(jié)構(gòu)、夾膜雙層玻璃和聚酯板組成。吸隔聲構(gòu)件的理論隔聲量大于25 dB(A)。全封閉式聲屏障的剖面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 全封閉式聲屏障的剖面結(jié)構(gòu)

1.2 主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計說明

1) 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)：屋面附加恒載(含檁條)為0.40 kN/m2；項目采用的基本風(fēng)壓(百年一遇)為0.50 kN/m2；基本雪壓(百年一遇)為0.40 kN/m2；建筑抗震設(shè)防分類為丙類；建筑抗震設(shè)防烈度為6度；地震分組為第一組；場地類別為IV；地面粗糙度為B類；風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.13；陣風(fēng)系數(shù)βgz=1.66；風(fēng)荷載體型系數(shù)μs的取值見表1。從重要性的角度看，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理使用年限為50 a。

表1 風(fēng)荷載體型系數(shù)μs的取值

2) 全影型聲屏障主結(jié)構(gòu)為門式剛架結(jié)構(gòu)，以全鋼結(jié)構(gòu)作為主要的支撐受力框架，主線的跨度在15.7～16.9 m，單元跨距約為2.0 m。全影型聲屏障邊側(cè)鋼柱(HW250)的柱腳均通過高架橋防撞墩預(yù)埋錨栓與下部主體結(jié)構(gòu)螺栓連接;同時,為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，下部主體結(jié)構(gòu)墊板與預(yù)埋件鋼板四邊焊接。鋼梁采用同規(guī)格的型鋼與鋼柱相連，檁條采用C160槽鋼與鋼梁或鋼柱連接；為保證鋼架的縱向穩(wěn)定性，在立柱頂部和中部沿線路縱向設(shè)置縱向系桿和柱間支撐，在對應(yīng)柱間支撐的位置處設(shè)置屋面斜撐。

3) 全影型聲屏障兩側(cè)直立段的上部和下部均采用金屬吸隔聲屏，中部采用玻璃隔聲屏；屏體均通過插裝方式，用螺栓固定于鋼架結(jié)構(gòu)的HW型鋼翼緣內(nèi)，以方便后期更換和維護(hù)。頂部屋面全部采用聚脂板。

1.3 優(yōu)化設(shè)計考慮的問題

1.3.1 提高全影型聲屏障的降噪效果

在傳統(tǒng)的聲屏障安裝過程中，屏體與立柱之間剛性接觸會引發(fā)二次噪聲，屏體與基礎(chǔ)之間不密封易產(chǎn)生漏聲問題，對于聲環(huán)境敏感度高的區(qū)域而言，應(yīng)著重考慮如何最大限度地降低二次噪聲和漏聲，以達(dá)到最佳的降噪效果。同時，由于敏感點位于道路西側(cè)，距離道路較近，且為高層住宅，因此在采用自然排煙方式時，應(yīng)針對性地考慮排煙帶的設(shè)置，以降低開口對敏感點的噪聲影響。

1.3.2 與景觀融合，同時避免二次污染

全影型聲屏障在滿足交通、隔聲、排煙和防火等功能要求的情況下，與周邊環(huán)境和地段功能定位相融合。為融合環(huán)境景觀，全影型聲屏障頂部采用通透材料，增強(qiáng)聲屏障的通透性，減輕聲屏障帶來的壓抑感。同時，需考慮防止通透材料產(chǎn)生二次污染(光反射)等問題。

1.3.3 鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝便利性

全影型鋼結(jié)構(gòu)的整體拼裝優(yōu)化設(shè)計應(yīng)考慮總裝工藝、運輸條件、現(xiàn)場吊裝環(huán)境和條件、工期節(jié)點等因素。由于該項目鋼結(jié)構(gòu)跨度較大(主線跨度15.7～16.9 m)，受運輸和現(xiàn)場吊裝條件的限制，不易做到工廠化整體加工之后現(xiàn)場一次性吊裝就位，盡可能地在現(xiàn)場進(jìn)行分段拼裝；同時，由于現(xiàn)場施工工期緊，交叉施工作業(yè)多，施工場地有限，現(xiàn)場焊接拼裝方式不僅工作量較大，而且工效慢，同時對焊接質(zhì)量、現(xiàn)場防腐和高空作業(yè)的安全管控均有諸多不利影響，進(jìn)而影響項目實施的進(jìn)度、質(zhì)量和安全。

1.3.4 沿海環(huán)境下的鋼構(gòu)件防腐問題

該項目東側(cè)為錢塘江入?？?，西側(cè)為河道，受潮濕、鹽霧和酸性介質(zhì)的影響，整條道路的腐蝕性較強(qiáng)，根據(jù)ISO 12944-2:2017的環(huán)境分類，該項目所在地區(qū)的腐蝕種類為C3。設(shè)計要求主鋼構(gòu)防腐體系采用60 μm底漆+140 μm中間漆+80 μm面漆,在實際運輸安裝過程中存在不同程度的防腐層破損的問題，且防腐效果受運營維護(hù)的制約，易導(dǎo)致整體防腐效果不佳。

2 全影型聲屏障優(yōu)化設(shè)計

2.1 全影型聲屏障降噪效果優(yōu)化設(shè)計

2.1.1 屏體底部縫隙優(yōu)化處理

在聲屏障設(shè)計中，屏體底部與防撞墻頂面采用下封板的形式密封，但在實際施工過程中，受防撞墻誤差、預(yù)埋件安裝誤差和鋼結(jié)構(gòu)安裝誤差等因素的影響，下封板與防撞墻無法做到密封，形成了漏聲點。根據(jù)以往的經(jīng)驗，結(jié)合該項目的特點，在屏體與基礎(chǔ)之間采用U型卡槽，在卡槽內(nèi)填35 mm厚的48K離心玻璃棉，玻璃棉用憎水布包覆。卡槽與基礎(chǔ)表面的間隙采用耐候密封膠密封，防止屏體底部漏聲。圖2為優(yōu)化后的聲屏障底部處理方案。

圖2 優(yōu)化后的聲屏障底部處理方案

2.1.2 屏體與立柱柔性處理

在屏體與屏體之間和屏體與立柱之間均采用三元乙丙彈性密封條進(jìn)行固定和密封，其硬度、拉伸強(qiáng)度、脆性溫度和老化率等性能指標(biāo)應(yīng)符合設(shè)計的規(guī)定，實現(xiàn)相互之間的軟連接，防止屏體產(chǎn)生二次結(jié)構(gòu)噪聲。

2.1.3 排煙帶設(shè)置的優(yōu)化

在設(shè)計中，為滿足消防排煙要求，在全影型聲屏障(全封閉式)頂部縱向通長設(shè)置1.0 m寬的自然排煙帶，排煙帶位置在遠(yuǎn)離敏感點背面一側(cè)(見圖3)。

圖3 原設(shè)計排煙帶方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行排煙口優(yōu)化設(shè)計，保證排煙有效面積不小于聲屏障建筑投影總面積的5%，由原通常設(shè)置1.0 m排煙帶優(yōu)化成間隔設(shè)置排煙口，排煙口大小為2 m×3 m，相鄰排煙口間距不超過30 m，排煙口避免正對敏感點設(shè)置(見圖4)。調(diào)整排煙口之后，可有效減少排煙帶開口對敏感點的噪聲影響。

圖4 優(yōu)化后排煙口的設(shè)置

2.2 防止頂部聚酯板二次光污染

該項目大面積采用了通透設(shè)計，除了立面部分采用夾層玻璃透光，頂部采用8 mm厚的聚酯板，整體與環(huán)境景觀有機(jī)融合。但是，大面積采用通透板易帶來二次光污染問題，尤其是在彎弧段部位。因此，在聚酯板選材上需兼顧通透性和減少反光的要求，選用單面磨砂聚酯板，磨砂板對光線有漫反射的作用，能使光線分布更均勻，光線穿透磨砂板之后更顯柔和，襯托出溫馨、雅致的氣息。該項目中的聚酯磨砂板經(jīng)過多次比對，采用中度磨砂，81%透光度，不僅能使其對居民區(qū)的反射光污染降至最低，而且能保證行車道光線的透射率，使反射光與透射光達(dá)到一個相對的平衡，取得較為理想的效果。圖5為聚酯磨砂板光線反射和透射示意。

a) 反射 b) 透射

c) 聚酯磨砂板

2.3 鋼結(jié)構(gòu)制作和組裝形式

全影型聲屏障的鋼結(jié)構(gòu)安裝是整個聲屏障建造中最重要的一個步驟。門式剛架的現(xiàn)場拼裝位置應(yīng)根據(jù)總裝工藝、運輸條件、現(xiàn)場吊裝環(huán)境和條件，遵從“避開應(yīng)力集中點”的原則確定，根據(jù)類似全影型聲屏障施工優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)驗，結(jié)合工程實際，鋼立柱的屏體安裝均采用插裝方式，不用從鋼柱頂部放入，主鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場拼裝位置應(yīng)設(shè)置在直立段與圓弧段交接處下方350 mm處，取消鋼梁拼接點2，單側(cè)只保留1個拼接點，即鋼梁拼接點1，不僅能大大減少現(xiàn)場拼裝工作量，而且有利于保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(見圖6和圖7)。

圖6 原設(shè)計預(yù)制構(gòu)件拼裝節(jié)點圖

圖7 現(xiàn)場構(gòu)件安裝圖

2.4 防腐體系優(yōu)化

由于地理位置的特殊性，該項目常年受潮濕、鹽霧和酸性介質(zhì)的影響，腐蝕性較強(qiáng)。因此，防腐工程是必須重點考慮的問題。

熱鍍鋅是將除銹后的鋼材浸入600 ℃的鋅液中，使鋼材表面附著鋅層，根據(jù)陰極保護(hù)的原理，以點位較低的鋅作為陽極，減緩鋼構(gòu)件的腐蝕，配合涂料涂層使用，能達(dá)到更好的防腐效果?？紤]到該項目具有腐蝕性強(qiáng)的特點，且為市政公用設(shè)施，在防腐體系上將原有涂料防腐體系優(yōu)化為“熱鍍鋅+中間漆+面漆”的工藝，達(dá)到更好的防腐效果。

對于立柱底板與防撞墻的間隙，均需采用中立密封膠和砂漿填充，螺栓外露部分涂覆潤滑脂之后加裝尼龍螺栓防水帽，能有效防止銹蝕，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性,提升整體景觀。

3 計算機(jī)建模對施工線性的技術(shù)指導(dǎo)

3.1 現(xiàn)場實際原始數(shù)據(jù)的收集

在采用計算機(jī)建模之前,需對項目所在地進(jìn)行實地勘察;在制作產(chǎn)品之前，再次派測量人員到現(xiàn)場進(jìn)行勘察和測量，根據(jù)現(xiàn)場預(yù)埋件位置對屏體尺寸進(jìn)行復(fù)測，同時在測量過程中與業(yè)主和施工單位共同確定是否有需特殊處理的部位(如跨燈柱等位置的屏體形式)。頂部與底部預(yù)埋鋼板標(biāo)高測設(shè)必須按縱斷面圖和橫斷面圖進(jìn)行放樣工作，必須在充分考慮坡道線型(是直線坡還是曲線坡)、兩側(cè)是否對稱等因素的基礎(chǔ)上選擇調(diào)整量，并結(jié)合結(jié)構(gòu)工程的特點和施工工藝方法進(jìn)行測量和校對。

3.2 計算機(jī)輔助3D建模

全影型聲屏障施工的最終成型效果主要取決于整條聲屏障與道路線型是否緊密貼合且平滑順暢,因此借助計算機(jī)建模輔助技術(shù)進(jìn)行建模分析尤為重要。計算機(jī)輔助系統(tǒng)主要根據(jù)現(xiàn)場獲得的事實數(shù)據(jù)，采用3D建模技術(shù)，基于模型三維可視化的特點，在前期進(jìn)行數(shù)字虛擬拼裝檢查，優(yōu)化工程設(shè)計，減少在施工階段可能出現(xiàn)的錯誤，降低返工的可能性?，F(xiàn)場管理人員可利用數(shù)字虛擬拼裝優(yōu)化之后的三維方案進(jìn)行施工交底和施工模擬，減少非標(biāo)準(zhǔn)聲屏障構(gòu)件的生產(chǎn)和安裝工程量，提高施工效率和施工質(zhì)量，控制項目總體成本。圖8為計算機(jī)輔助建模實例。

圖8 計算機(jī)輔助建模實例

4 全影型聲屏障施工實踐效果

1) 鋼結(jié)構(gòu)為該項目最主要的框架結(jié)構(gòu)，考慮到項目工期較短，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行核算并改變屏體安裝方式，鋼結(jié)構(gòu)拼裝的節(jié)點具有可優(yōu)化性，單跨鋼結(jié)構(gòu)由原來的4個節(jié)點減少為2個，大大提高了現(xiàn)場拼接的效率，不僅縮短了工期，而且使安全生產(chǎn)得到了保障。

2) 傳統(tǒng)的聲屏障項目大多位于城市市區(qū)，而該項目常年處于腐蝕性介質(zhì)中，防腐工作尤為重要。通過設(shè)計優(yōu)化，不僅對主鋼結(jié)構(gòu)增加了鍍鋅處理，而且對緊固件和施工間隙等進(jìn)行了優(yōu)化，整個聲屏障項目得到了有效的防銹蝕處理，進(jìn)一步提升了其使用年限和美觀性。

3) 全影型聲屏障頂部由大量聚酯板組成，聚酯板磨砂度的選擇較為重要，稍有不慎就會造成聲屏障二次污染(光反射)等問題。該項目在選擇聚酯板時將理論與實際相結(jié)合，最終把光反射降至最低，很大程度上避免了后續(xù)居民投訴等一系列問題。

4) 全影型聲屏障最主要的功能是隔音降噪，而該項目位于聲環(huán)境敏感度高的區(qū)域，無論是在屏體底部加裝U型卡槽內(nèi)填膠體，還是在屏間張貼橡膠條，都是基于最大限度地隔音降噪這一個基本出發(fā)點采取的措施，盡量降低行車噪聲外傳對周邊居民的影響。

5) 計算機(jī)輔助3D建模是將傳統(tǒng)建筑的2D平面圖、立面圖和剖面圖等立體可視化，除了帶來工程圖整合上的視覺便利性和建筑上的更加直觀化以外，減少了與業(yè)主和建筑師之間的溝通時間，更能在工程施工之前直觀地預(yù)覽測量現(xiàn)場聲屏障預(yù)埋件數(shù)據(jù)之后鋼結(jié)構(gòu)的三維圖視效果和線形誤差量，對圖面問題作妥善的處理，實質(zhì)性地提升聲屏障項目的品質(zhì)。經(jīng)計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)修正之后，運用數(shù)字化工具可有效減小這些誤差。

5 結(jié) 語

本文以聲環(huán)境敏感度高的道路全影型聲屏障為研究對象，結(jié)合沿線降噪敏感點目標(biāo)和現(xiàn)場實際情況，在原設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計，輔以計算機(jī)3D建模，科學(xué)化施工，增強(qiáng)了降噪效果，提升了防腐性能，大幅提高了施工效率，降低了施工風(fēng)險，充分體現(xiàn)了該項目全影型聲屏障的環(huán)保效果。