公路聲屏障設計中幾個問題的探討

王靜麗

(山西省公路局忻州分局，山西忻州 034000)

0 引言

伴隨著路網等級的明顯提高，隨之而來的是大交通量帶來的交通噪聲擾民問題日益突出，公路聲屏障應運而生。我國第一座公路聲屏障在貴州到黃果樹瀑布的一級汽車專用公路上誕生。

1 聲屏障降噪原理

聲屏障是使聲波在傳播中受到阻擋，從而達到在特定位置上的降噪作用的裝置。噪聲在傳播途徑中遇到障礙物的時候，如果障礙物的尺寸遠大于聲波長時，大部分聲能被反射和吸收，一部分繞射，于是會在障礙物背后一定距離內形成“聲影區”，聲影區的大小與聲音的頻率和屏障高度等等有關，頻率越高，聲影區的范圍就越大。

噪聲傳播途徑中遇到聲屏障時傳播路線如圖1所示，噪聲源輻射的噪聲遇到聲屏障后，會沿著以下四條途徑傳播:第一是直達聲波直接傳給未被聲屏障的接收點(受聲點);第二條途徑是繞射至聲屏障屏蔽區，聲屏障繞射角越大，屏蔽區中的噪聲級越低，即較大的繞射角比較小的繞射角的繞射聲能低;第三條途徑是聲波直接透過聲屏障到達屏蔽區域;第四條途徑是聲波在聲屏障壁面上產生反射(見圖1)。

圖1 聲屏障降噪原理圖

聲屏障的減噪量與噪聲的頻率、屏障的高度以及聲源與接收點之間的距離等因素有關。聲屏障的減噪效果與噪聲的頻率成分關系很大，對大于2 000 Hz的高頻聲比800 Hz～1 000 Hz左右的中頻聲的減噪效果要好，但對于25 Hz左右的低頻聲，則由于聲波波長較長而很容易從屏障上方繞射過去，所以效果就差。聲屏障的高度，可根據聲源與接收點之間的距離設計，屏障的高度增加一倍，減噪量可增加6 dB，為了使屏障的減噪效果較好，應盡量使屏障靠近聲源或接收點。在公路和附近建筑物規劃時，應盡量使保護對象處于聲影區內。

聲屏障的繞射減噪量是決定聲屏障減噪量的主要物理量。聲屏障的透射降低量應盡量為零，聲屏障的反射降低量決定于聲屏障的高度、受聲點至屏障及公路的距離、受聲點的高度、兩個平行屏障間的距離，還決定于雙屏障臨公路一側吸聲結構的吸聲系數，聲屏障的凈減噪量決定于聲屏障的繞射減噪量、透射減噪量及反射降低量，其計算公式為:

凈減噪量=繞射減噪量－透射降低量－反射降低量。

上式表明，提高聲屏障的減噪效果必須增大繞射值，減小透射值及反射值。聲屏障設計圖見圖2。

圖2 聲屏障設計圖

2 聲屏障的結構穩定性

聲屏障的結構設計主要考慮在風荷載作用下，聲屏障基礎、上部結構及其連接部位的牢固和穩定性。在設計時大都采用撓度值取1/300作為整體穩定技術指標參數，為保證基礎的穩固，整體結構的抗滑技術指標為1．3，抗傾覆技術指標為1．5。在風荷載的長期作用下為保證其基礎的牢固性，要根據不同結構的基礎以及與主體工程構筑物(混凝土防護欄)的連接形式，分別選取受力對象進行研究，在高架道路上修筑聲屏障，其基礎是直接將鋼支架錨固在混凝土護欄的頂端，混凝土護欄就成為受力研究對象。聲屏障所受到風荷載是額外加載在混凝土護欄上的，在理論上驗證混凝土護欄受力情況時，應將外加風荷載與最大抗撞擊荷載進行組合，以確保外加在聲屏障上的風荷載對混凝土護欄穩定性的不利影響在合理范圍內。對于聲屏障上部結構的穩定性，要分兩部分進行受力分析。一部分是鋼支架的整體穩定性，主要通過驗算撓度來確定采用鋼支架的尺寸及型號;另一部分是鋼支架與混凝土護欄連接部位的強度，在混凝土護欄穩定的條件下，這個強度會直接影響聲屏障的基礎的牢固性，其設計分為兩種:采用混凝土護欄施工時在其頂部預埋普通螺栓(稱為預埋法)，其優點是:強度高，安全可靠，耐久性長，缺點是:定位精度不高，誤差大，造成聲屏障施工中每開間的距離不等影響美觀，在施工中要進行多次調整。還有一種辦法是采用在混凝土護欄施工完畢后在其頂部將普通螺栓植入混凝土護欄的頂部(種植化學螺栓)，其優點是:定位精度高，誤差小，施工方便，缺點是:強度較預埋法低，耐久性差。在實際施工中一般會結合兩種方法使用，做到互補。

3 聲屏障選用及結構設計原則

1)安全:聲屏障的聲學要求計算確定了它的幾何尺寸和位置之后，要從安全角度進行結構設計，要有足夠的安全系數，特別是建于立交橋或公路橋上的屏障，應進行橋梁承重的安全設計。2)要謹慎選擇和設計屏障的材料與修筑樣式，以易于清洗與維護，保護屏障的聲學功能不退化。3)隔聲量大:平均隔聲量應不小于35 dB。4)吸聲效率高:盡量將聲屏障建成吸聲式屏障，可以在屏障臨公路之側鋪吸聲結構，一般在公路兩側修建平行屏障，或修建單屏障，而公路另一側有與屏障豎直面平角小于15°的障礙物時，也應修建吸聲式屏障。吸聲系數應在0．05～1之間，吸聲結構的吸聲特性曲線基本與公路交通噪聲的頻譜曲線一致，吸聲頻譜的峰值頻率要包含聲源頻譜的峰值頻率，以提高其吸聲效率。5)美觀:可選擇多種色彩和造型進行組合，與周圍環境協調，形成亮麗風景線。6)經濟:裝配式施工，提高工作效率，縮短施工時間，可節省施工費及人工費。7)方便:與其他制品并行安裝，易維修，更新方便。8)高強度:結合各地區不同的氣候條件，在結構設計時充分考慮風荷載，保證足夠的強度。9)耐用:應具有耐水性、耐熱性、抗紫外線，不會因雨水溫度變化引起降低性能或品質異常。10)低成本:在上述基礎上盡量降低屏障的造價和保養費用。

4 聲屏障基礎施工要求

1)修筑于路基上的聲屏障基礎應與路基同步修建，不得因其施工而損壞、影響路基的穩固與安全。聲屏障的基礎施工宜在路基本體成型后、軌道鋪設及電纜槽施工前;施工前應查清路基上各類管線的位置;依據聲屏障基礎尺寸及其在路肩的位置切割開槽，切割開槽時嚴禁破壞各類管線。2)聲屏障必須建在距車行道邊緣1．2 m以外地帶，建在路邊時要有防撞設施。3)聲屏障基礎應按設計要求施工伸縮縫。聲屏障基礎每20 m～30 m長設置一個伸縮縫。施工中應結合現場地形確定具體伸縮縫位置。4)聲屏障基礎應按設計要求預埋排水管，排水出口不得沖刷路基，路基聲屏障應設排水設施，外側排水出口應避免對路基邊坡產生沖刷，并防止漏聲。5)基礎與電纜槽、接觸網支柱之間、與路肩面的縫隙等均應用瀝青混凝土做防水層。聲屏障是防治交通噪聲尤其是高架道路交通噪聲的有效措施，但是聲屏障的降噪效果不僅與聲屏障的結構形式、選擇用材料的品質、安裝質量以及設置高度有關外，還與聲屏障的位置、范圍、使用環境和測點位置有關。只要其中一個因素發生較大變化，就可能較大程度影響聲屏障的實際效果。近年來提倡在聲屏障內、前與后面種植各類植物，將聲屏障設計為能栽種花草的形式，使屏障四季長青成為綠色的屏障，既減少噪聲污染，又杜絕亂涂亂畫，還能起到美化環境的作用，并在小范圍內起到調節氣候作用，在此基礎上保持與公路及周圍環境的整體性、一致性、和諧性，可以說是一舉多得的構思。可以說既滿足聲學、力學要求又能運用美學觀點設計的聲屏障是一種發展趨勢。

［1］聶嘉宣．公路聲屏障設計方法探討［J］．中國公路學報，1992(3):45-46．

［2］張 彬，宋雷鳴，張新華．城市道路聲屏障研究與設計［J］．噪聲與振動控制，2004(4):78-79．

［3］姚 成．我國公路交通環境降噪方法的理論和應用［J］．環境工程，1999(8):92-93．