輕軌橋架聲屏障優化設計研究
摘 要：隨著城市輕軌建設的發展,交通噪聲污染逐漸引起人們重視。在輕軌橋架兩側設置聲屏障是控制軌道噪聲的重要措施之一。聲屏障的高昂成本往往是由不合理的設計參數造成的,通過對目前聲屏障設計方法進行分析,提出了輕軌橋架聲屏障優化設計方法。該方法以聲屏障建造成本為目標函數,以降噪要求為聲學約束,綜合考慮設置位置、高度和長度等設計變量的影響;由列車噪聲1/3倍頻程頻譜計算插入損失,提高了優化過程中插入損失的計算精度。該優化設計法與目前設計方法對比,驗證了聲屏障優化設計在改善降噪性能和經濟性能方面的優越性。討論了設計參數對成本和降噪性能的影響,并且對軌邊矮墻的降噪性能進行了分析,所獲的結論對聲屏障和軌邊矮墻設計參數與形狀的選擇具有指導意義。
關鍵詞：輕軌交通;降噪;優化;聲屏障;軌邊矮墻
1 引 言
城市輕軌交通線路穿越市區,鄰近居住、文教及工商業混雜區等噪聲敏感區域的情況比較普遍,特別是高架線路噪聲影響區域大,對沿線人們的工作、生活構成嚴重危害[1]。由于軌道結構隔振技術有效地降低或避免了結構的“二次噪聲”,輪軌噪聲在輕軌交通噪聲中起主導作用,在平坦道路行駛,當行駛速度達80ｋｍ/ｈ時,距離軌道10ｍ處的噪聲為80～90ｄＢＡ,設置聲屏障減弱輪軌噪聲干擾是目前有效的降噪措施。
筆者針對目前聲屏障經濟性差(即聲屏障成本昂貴)、設計參數不合理、插入損失計算精度低以及不適合優化計算等問題,按照列車噪聲頻譜計算總的插入損失;綜合考慮聲屏障設置的位置、幾何尺寸和經濟性等多種因素,以研究經濟適用型聲屏障為目的,提出了聲屏障優化設計方法,并且對軌邊矮墻的降噪性能及經濟性進行了研究和分析。
2 聲屏障聲學設計
2.1 聲屏障插入損失的計算
計算聲屏障插入損失常采用“無限長聲屏障對無限長線聲源“的計算方法[2],即
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2.2 等效聲級的計算
因為輕軌交通系統列車運行速度、長度和輻射噪聲級比較接近,輕軌交通系統營運時間主要集中在晝間(6:00～22:00)時,行車一般以一小時為單位計劃,即測量時間取3600ｓ,則有:
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3 聲屏障設置位置與尺寸設計
3.1 聲屏障設置位置
聲屏障設置在橋架護欄處,由高架橋建筑限界[3],直立式聲屏障,ｌ1=2.4ｍ;寬頂式聲屏障,1.7ｍ≤ｌ1≤2.4ｍ;若采用軌邊矮墻,ｌ1≥1.65ｍ。
3.2 聲屏障高度設計
由于建筑限界、觀察、橋梁承重、環境協調等因素制約,高架軌道聲屏障高度不宜超過軌頂1.8～2.5ｍ,列車聲源高度在軌頂以上0.45ｍ[4],則有效高度ｈ≤2.1ｍ;軌邊矮墻的高度略高于車輪,輕軌輪徑一般小于0.9ｍ,因此,取有效高度ｈ≤0.55ｍ。同時考慮乘客的視覺舒適性要求和不應使其產生環繞感,即
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3.3 聲屏障長度設計
聲屏障的長度原則上應使列車噪聲繞過聲屏障兩端產生的損失大于繞射聲屏障頂端的損失10ｄＢＡ以上。聲屏障的端部長度ｌ′為[5]
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4 聲屏障優化設計分析
4.1設計變量的選取
Ｘ=[ｘ1,ｘ2,ｘ3]=[ｌ1,ｈ,ｌ] (10)
4.2 目標函數的確定
聲屏障成本往往成為設計成功與否的決定性因素。因此,應以建設成本為目標,盡量降低成本。聲屏障的建設費用通常按照聲屏障的面積和長度進行估算,材料費用占聲屏障建設費用的45%,與長度相應的基礎建設、排水等大約占35%[6]。由于道床不同軌頂距橋面的高度也不同,同時橋上人行道的高度也與聲屏障建筑高度有關。因此,取聲屏障建筑高度等于有效高度加上聲源距軌頂高度。寬頂式聲屏障以常用的倒Ｌ形為例,綜上所述,取式(11)、式(12)為目標函數,盡可能降低成本。
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4.3 約束條件
4.3.1 降噪指標約束條件
聲屏障降噪指標應符合《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》(ＧＢ12525—1990)和《城市區域環境噪聲標準》(ＧＢ3096—1993)相應的噪聲標準。即
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4. 3 .2 其他約束條件
主要包括聲屏障和軌邊矮墻的設計變量約束、不產生環繞感和視覺舒適性約束。
5 算 例
圖2是輕軌列車噪聲的頻譜圖[7]。圖中折線表示列車70ｋｍ/ｈ時,距軌道3ｍ,高出軌頂0.5ｍ處的頻譜;受聲點取為距軌道30ｍ處,有效高度2.5ｍ。聲波衰減按照線聲源的衰減規律進行計算。橋架聲屏障距聲源很近,反射對乘客和降噪影響較大,軌邊矮墻及聲屏障均為吸聲型。
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5.1 算例1
以受聲區域是居民區為例,其環境噪聲應符合《城市區域環境噪聲標準》Ⅰ類區域標準,晝間等效聲級應不超過55ｄＢＡ。環境背景噪聲取為50ｄＢＡ,為每小時25列,保護區長度取為2000ｍ,α取為45°,Ｔｐ為10ｓ。
由頻譜可算得Ｔｐ為78.42ｄＢＡ,Ｔｅｑ為66.92ｄＢＡ,滿足《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》晝間噪聲等效聲級70ｄＢＡ的規定,但不滿足Ⅰ類區域噪聲標準。
引用兩種普通設計方法與優化設計方法對比。
方案1,普通設計方案,聲屏障位置盡量靠近聲源,長度為保護區長度兩端各延長60ｍ,由降噪要求求高;
方案2,普通設計方案,聲屏障位置盡量靠近聲源,由目標等效聲級求長度和高;
方案3,優化設計方案;
方案4,軌邊矮墻方案。
各種方案計算結果列入表1、表2。
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設計方案結果分析:
方案1,聲屏障頂部向聲源垂直方向靠近0.7ｍ,聲屏障長度遠不能滿足聲屏障的長度原則要求(應不小于2843.9ｍ),繞過聲屏障兩端的列車噪聲將降低聲屏障的降噪效果,使保護區兩端(共723.9ｍ)實際降噪量與理論降噪量有較大誤差;
方案2,聲屏障頂部向聲源垂直方向靠近了0.7ｍ,滿足降噪要求;
方案3,聲屏障頂部向聲源垂直方向靠近了0.147ｍ,在與方案2具有相同的降噪性能的情況下,比方案3經濟性提高8.89%;
方案4,不能滿足降噪要求,最大降噪能力Ｌｐ為71.06ｄＢＡ,Ｌｅｑ為59.94ｄＢＡ。
本例說明優化設計方法比常規設計方法有更好的降噪效果和經濟性,同時也反映了軌邊矮墻由于高度較低,降噪能力有限。下面通過算例2研究軌邊矮墻在滿足降噪要求條件下的經濟性。
5.2 算例2
以受聲區域是工商業混雜區為例,其環境噪聲應符合《城市區域環境噪聲標準》Ⅱ類區域標準,晝間等效聲級應不超過60ｄＢＡ。其他條件不變。方案1,聲屏障優化設計方案;方案2,軌邊矮墻優化設計方案。計算結果列入表3、表4。
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設計結果分析:兩種設計方案都能夠滿足降噪要求,采用軌邊矮墻比采用聲屏障的經濟性提高7.23%。通過計算,如果保護區加長,經濟性將進一步提高,可達12.2%。
6 結 論
1)軌邊矮墻高度低,非常適合景觀性要求高的城市輕軌交通的降噪。由于輕軌交通穿越市區,聲屏障一般比較長,若能采用軌邊矮墻可大幅降低降噪成本。在橋架聲屏障設計時,應首先考慮使用軌邊矮墻降噪,如果不能滿足降噪要求,再使用直立式或寬頂式聲屏障,形狀和尺寸應進行優化設計。
2)優化設計方法體現了聲屏障整體設計思想[1]:對聲屏障設置位置、高度和長度的綜合設計既滿足沿線區域降噪要求,又降低了建設成本;通過約束條件考慮了結構和景觀設計的要求。因此,在實際設計中,應綜合考慮位置、高度、長度和橋上軌道結構等各種因素,對設計變量變化范圍或目標函數進行調整,通過優化設計得到經濟適用的聲屏障設計方案。
3)隨著我國輕軌交通的快速發展,聲屏障工程數量多,所需費用大。通過對聲屏障優化設計,能夠明顯提高降噪和經濟性能,符合我國國情,有重要的實際意義。
參考文獻
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2馬大猷主編.噪聲與振動工程手冊[Ｍ].北京:機械工業出版社,2002:745～746
3 毛保華,姜帆,劉遷等.城市軌道交通[Ｍ].北京:科學出版社,2001:37～41
4 劉揚,溫志偉.城市軌道交通高架線路聲屏障降噪技術的研究[Ｊ].勞動保護科學技術,1996,16(6):39～42
5 張新華,田新浩,劉達德.160ｋｍ/ｈ準高速鐵路橋梁聲屏障聲學設計[Ｊ].噪聲與振動控制,1999(1):31～34
6 焦大化,錢德生.鐵路環境噪聲控制[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,1990:260～262
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