聲屏障技術在交通噪聲治理中的應用

王艷雯

(上海交通設計所有限公司，上海 200135)

0 引 言

公路和橋梁作為重要的運輸通道，對促進區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展具有重要作用。近年來，隨著國家對基礎設施建設的投資力度不斷增大，我國路網(wǎng)交通的服務能力得到了很大提升。然而，隨之而來的交通噪聲污染嚴重影響著道路沿線居民的正常生活。在噪聲超標的敏感區(qū)域，應優(yōu)先考慮針對噪聲源和傳聲途徑采取降低噪聲干擾的措施。聲屏障作為主動降噪的工具之一，具有降噪效果好、施工便捷和投資費用可控等優(yōu)點，廣泛應用于需進行噪聲治理的道路沿線。國內(nèi)外的學者已在聲屏障的聲學性能、結構形式和材料類型等領域開展比較深入的理論應用研究。本文以某城市高架道路聲屏障設計為例，在滿足環(huán)保功能要求的基礎上，對常見的幾種聲屏障在不同工程條件下的應用進行梳理，并總結相應的技術要求。同時，提出將綠色低碳技術引入聲屏障的設計中，為以后聲屏障的設計和優(yōu)化提供參考。

1 常見的聲屏障類型及其應用

目前工程中常見的聲屏障主要有敞開式聲屏障和全影型聲屏障2種，其中：敞開式聲屏障可分為直立式聲屏障、直弧型聲屏障和地面生態(tài)墻；全影型聲屏障可分為半封閉全影型聲屏障和全封閉全影型聲屏障。

在工程項目中，可根據(jù)項目所處區(qū)域的交通狀況(包括車流量、車速和車型等)、道路自身的參數(shù)(包括形式、高度、坡度和路面結構等)、沿線敏感建筑的形式和地形等因素確定選用何種聲屏障。根據(jù)以往的噪聲治理工程實踐經(jīng)驗，公路或高架的交通噪聲對敏感建筑的影響可歸納為以下幾點：

1) 沿線臨路建筑低層受高架與地面道路的綜合影響；

2) 隨著樓層的增加，受地面道路的影響逐漸變小，受高架的影響越來越大；

3) 沿線高層建筑高區(qū)受高架的影響大于受地面道路的影響。

根據(jù)上述噪聲分布的特點，敞開式聲屏障中的直立式聲屏障和直弧式聲屏障通常設置在臨近高架的多層敏感建筑沿線。對于受高架與地面道路共同影響的多層敏感建筑，可根據(jù)噪聲預測模型分析結果，結合環(huán)保要求，確認是否需補充地面生態(tài)墻措施。全影型聲屏障是指在道路沿線設置門式剛架結構，將路面和車輛包圍在內(nèi)，其鳥瞰造型像一條“隧道”。這種聲屏障形式可隔除直達聲，有效降低聲屏障覆蓋空間內(nèi)的混響，降噪效果顯著,能取得20 dB的降噪效果[1]，適用于有高層密集建筑群的道路沿線。

2 工程概況

本文以某城市高架道路聲屏障設計為例進行分析。該城市的高架快速路涉及高架、地面道路和匝道等多種道路形式。雖然主線高架的流量大于地面道路，但地面道路上的大車占比較高，且主線高架的高度多在9 m以上，加上地面道路與橋底之間的混響作用，沿線大部分敏感建筑的低樓層處受地面道路的影響普遍大于受主線高架的影響。沿線敏感建筑的高樓層受主線高架的影響普遍略大于受地面道路的影響，或與地面道路相當，其主要噪聲源為主線高架與地面道路的綜合影響。根據(jù)噪聲防治措施的要求，該工程對主線高架采用聲屏障措施，同時對部分路段的地面道路采取地面生態(tài)墻措施。

3 聲屏障設計

3.1 高架直弧型側屏設計

該工程高架段的直弧型聲屏障設置在高架兩側防撞護欄頂部。在護欄頂部每隔2 m設置1個預埋件，預埋件與H型鋼立柱采用錨栓連接。直弧型聲屏障采用插屏模塊式屏體設計，將屏體模塊插入H型鋼立柱兩翼緣之間，采用強力金屬彈簧片使屏體與鋼立柱安全地連接在一起并固定，底部屏體下端采用下封板遮擋屏體與橋梁防撞護欄之間的空隙，保證密封和美觀。屏體模塊采用復合通孔吸聲金屬屏體與夾膠玻璃透明屏組合的方式設計。這樣設計的優(yōu)點是在保證聲屏障具有良好的吸隔聲效果的同時，使司乘人員能通過透明屏體眺望遠處景觀，緩解視覺疲勞，降低壓抑感。該工程的聲屏障顏色選用的是與鄰近道路聲屏障顏色相協(xié)調(diào)的青綠色，能與周邊建筑景觀的顏色相融合。為避免雨水裹挾沙塵順著鋼立柱沖刷防撞護欄外側墻，形成雨簾，影響高架下方車輛的安全行駛，該工程在聲屏障底部增設雨水導流板，先通過導流板將收集的雨水沿防撞墻內(nèi)側引入高架道路，再順著道路縱向布置的排水系統(tǒng)將其有組織地排放至地面上的雨水收集井中。

3.2 全影型聲屏障設計

根據(jù)噪聲預測結果，部分距離高架道路較近的6層以上的敏感建筑受到的交通噪聲干擾很大，對隔聲降噪的要求很高。因此，該工程針對這部分敏感建筑對應的主線高架和匝道采用全影型聲屏障。

3.2.1 建筑設計

全影型聲屏障除了要滿足降噪隔聲的基本功能要求以外，其外觀造型、色彩和裝飾的選取要統(tǒng)籌考慮周邊環(huán)境和司乘人員的感受，同時必須處理好消防、排煙等方面的問題。

該工程位于城市新興商務區(qū)，周邊建筑在風格上簡約、現(xiàn)代。全影型聲屏障的主體結構采用輕盈的鋼結構，造型為雙跨門式弧形鋼拱架。聲屏障的高度需結合其造型、道路凈空、標志標牌、監(jiān)控和照明設備等配套集成設計。在綜合考慮上述因素之后，確定聲屏障的最大高度為6.0 m，跨度與橋梁防撞護欄的間距一致，為27.7 m，跨中設置一道中柱，置于高架的路中分帶上。屏體材料的選用需兼顧吸隔聲效果、通透采光性能、耐老化性能、防眩光和防火等級等[2]。經(jīng)比選，確定采用的聲屏障材料方案是：兩側直立段采用底部復合通孔吸聲屏+中間夾膠玻璃透光屏+上部復合通孔吸聲屏;彎弧和頂棚采用中度磨砂透明PC(Polycarbonate)板;防火等級為 B1級。在頂棚中部開設1.2 m的通長口作為排煙帶，當發(fā)生火災時，利于煙氣迅速排出。

該工程在外觀造型上作了一些新的嘗試。結構主剛架上2個相鄰立柱的間距相比傳統(tǒng)的2 m放大了1倍，緩解了常規(guī)結構體系中梁柱過于密集帶來的堆積感。在鋼梁腹板上等間距開設橢圓形造型孔，會給人通透的視覺感受。門剛結構中柱由常用的直立式造型調(diào)整為V字型圓鋼斜撐造型，在保證結構安全可靠的前提下，豐富原本僅有縱橫相交的梁柱空間。全影型聲屏障采用灰色鋁合金格柵勾勒出橢圓形圖案，作為覆蓋在聲屏障外表面的裝飾，同時在金屬格柵上設置LED(Light-Emitting Diode)燈帶，這樣不僅能使聲屏障與周邊建筑簡約、現(xiàn)代的裝飾風格相協(xié)調(diào)，而且能使由橢圓圖形串起的霓虹彩帶成為這片區(qū)域一道靚麗的風景線。

3.2.2 結構設計

該工程位于上海市有密集建筑群的區(qū)域，基本風壓取0.55 kN/m2,地面粗糙度為C類，結構安全等級為二級，建筑抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.1g，主體結構工作年限為50 a，不上人的屋面均布活荷載取0.5 kN/m2，不與雪荷載同時考慮[3]。

全影型聲屏障為雙跨門式剛架輕鋼結構，以橋梁防撞護欄作為聲屏障基礎。主線單跨跨度為13.85 m，剛架間距為4.0 m。受防撞護欄頂面寬度的限制，剛架主柱采用下小上大的變截面焊接H型鋼。目前常用的復合通孔吸聲板的最大跨度為2.5 m，在剛架相鄰主柱之間增設一道副立柱，將吸隔聲板插入間距為2 m的主、副立柱之間，這樣設置能滿足吸隔聲板的承載力和撓度要求。副鋼立柱的高度與主鋼立柱相同。門剛立柱的柱腳通過預先埋設在防撞護欄內(nèi)的錨栓與橋梁結構連接；鋼梁采用等截面型鋼，通過高強螺栓與門剛立柱連接。檁條間距根據(jù)PC板鋪設長度的要求控制在1.2 m左右，C型檁條通過檁托板與鋼梁上翼緣連接。為保證聲屏障結構整體的穩(wěn)定性，提高剛架側向剛度，有效傳遞縱向水平風荷載和地震力，在柱頂設置縱向通長系桿，在每個溫度區(qū)段的三分點處設置柱間交叉支撐，柱間支撐的間距不宜大于50 m。此外，在屋面柱間支撐對應位置處設橫向水平支撐。

全影型聲屏障伸縮縫的位置應與橋梁結構伸縮縫的位置相對應，以適應結構溫度變形。當設置的橋梁伸縮縫長度超過100 m時，應在剛架結構中部增設伸縮縫。伸縮縫兩側剛架立柱一般采用加寬近橋梁外側處的翼緣，加寬量通常為50 mm。

聲屏障設計宜與橋梁設計同步開展。標志標牌、監(jiān)控和照明等設備的荷載需全面考慮，不能遺漏。聲屏障預埋件需避讓橋梁的各類預埋管線及其他附屬設施的預埋件。橋梁結構需校核由聲屏障荷載產(chǎn)生的橋梁附加豎向和橫向荷載效應[4]。若需在既有的橋梁上增設聲屏障，需對橋梁結構進行全面檢測和安全性評估。

3.3 生態(tài)墻結構設計

經(jīng)過現(xiàn)場實測，并采用環(huán)境噪聲計算軟件Cadna/A進行建模分析，對于受到高架與地面道路共同影響的多層敏感建筑而言，除了在高架上設置聲屏障以外，還需在局部路段的地面設置生態(tài)墻。生態(tài)墻高度為7 m，為防止鋼立柱浸泡在積水中或屏體被碰撞，同時為利于植物攀爬，生態(tài)墻底部1 m為混凝土連系梁，上部6 m為頂部帶彎弧的直弧型金屬屏體。生態(tài)墻的安裝位置距離噪聲敏感小區(qū)既有圍墻僅0.5 m。常用的生態(tài)墻基礎有天然基礎、二樁承臺基礎和單排樁條形承臺基礎。該項目的生態(tài)墻所處區(qū)域地下管線密集，且緊貼小區(qū)圍墻基礎，無法大面積開挖。經(jīng)比選，生態(tài)墻基礎采用占地空間小且不會產(chǎn)生泥漿污水的單排樁條形承臺基礎，樁型為雙拼H型，樁距與上部生態(tài)墻鋼立柱的間距對應為2 m，樁長為12 m。對于生態(tài)墻鋼立柱而言，需校核柱頂最大水平位移，該水平位移由風荷載作用下的樁頂位移和鋼立柱位移2部分組成。風荷載作用采用風荷載設計標準值。彈性樁水平位移采用有限元分析方法計算。

4 光伏技術在聲屏障上的應用展望

隨著低碳環(huán)保概念的提出，聲屏障工程除了注重建筑功能和結構設計以外，在綠色建筑和節(jié)能方面也做了一些探索。

當前光伏技術已日趨成熟，在建筑工程中得到了廣泛應用，已有很多項目在幕墻上或屋頂安裝太陽能電池板，通過將太陽能電池板與電網(wǎng)并聯(lián)給建筑體供電。由于并網(wǎng)系統(tǒng)采用的供電方式是太陽能與公共電網(wǎng)協(xié)調(diào)供電，因此較為安全、可靠。同時，光伏發(fā)電系統(tǒng)還能將多余的電能存入電網(wǎng)，充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)電能，緩解用電高峰時電力緊張的情況。另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)還具有無噪聲、無污染物排放和不消耗燃料等特點[5]。目前研究人員正在探索將光伏科技應用到聲屏障技術中，最近發(fā)布的《上海市能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》也將光伏結合交通場站、交通樞紐、停車場和聲屏障建設分布式光伏發(fā)電設施列入了“光伏+交通”專項工程板塊。

全影型聲屏障為滿足功能需求，往往會橫跨整條道路，是具有大跨度拱形屋面的建筑物。利用全影型聲屏障屋面面積大、朝南側直立段無遮擋且光照充足的特點，將太陽能光伏模塊安裝在拱形屋面和部分直立段側墻上。聲屏障在金屬吸聲板與光伏板的共同作用下，仍保有降噪隔聲的效果。在夜間，通過光伏系統(tǒng)白天所發(fā)電能或市電帶動LED燈為全影型聲屏障提供夜間照明或補充自然光照的不足。

5 結 語

聲屏障作為公路交通噪聲治理方式之一，形式多樣。在考慮聲屏障降噪效果的同時，還需結合工程情況、環(huán)境融合、建筑安全和結構可行性等因素選擇適當?shù)穆暺琳闲问?。本文以某城市高架道路的聲屏障設計為例，指出聲屏障形式應根據(jù)道路周邊敏感建筑形式、地形，以及受到的地面道路和高架道路的噪聲影響選取。同時，建議將聲屏障設計與橋梁等主體工程設計同步進行，對影響聲屏障設計的各種技術條件進行全面考慮。隨著聲屏障措施得到廣泛應用，很多設計理念和施工措施都在不斷提升、優(yōu)化。本文提出將當前在低碳環(huán)保方面研究出的一些新技術、新材料應用到聲屏障技術中，這些探索的可行性還需作進一步的研究和論證，相關分析可供后續(xù)聲屏障的設計和優(yōu)化參考。