武漢市鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋全封閉聲屏障設(shè)計(jì)

李 明 華

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056)

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武漢市鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋全封閉聲屏障設(shè)計(jì)

李 明 華

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056)

根據(jù)聲屏障聲學(xué)原理，從建筑景觀設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助設(shè)計(jì)等方面，探討了武漢市鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋全封閉聲屏障設(shè)計(jì)方法，并介紹了聲屏障施工與維護(hù)措施，有效解決了高架道路交通噪聲問(wèn)題。

聲屏障，橋梁，框架結(jié)構(gòu)，吸聲材料

1 工程概況

武漢市鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋位于武漢市中心城區(qū)，連接漢陽(yáng)、武昌，是武漢市首座雙向八車道長(zhǎng)江大橋。跨江主橋?yàn)閮芍骺缇鶠?50 m的三塔懸索橋，引橋?yàn)?0 m，35 m的小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。漢陽(yáng)岸引橋穿越世貿(mào)錦繡長(zhǎng)江住宅樓段，為保障其小區(qū)居民正常生活環(huán)境，根據(jù)湖北省環(huán)境保護(hù)廳關(guān)于《武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋工程環(huán)境影響報(bào)告書(shū)》的批復(fù)，漢陽(yáng)岸引橋橋面設(shè)置長(zhǎng)250 m全封閉聲屏障[1-3]。2014年12月28日，武漢市鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋正式通車，該橋被廣大市民譽(yù)為武漢市最美的長(zhǎng)江大橋，其中漢陽(yáng)岸引橋上“空中隧道”式全封閉聲屏障也得到廣大市民的一致稱贊。

設(shè)置全封閉聲屏障橋面為雙向八車道，標(biāo)準(zhǔn)寬度為33.0 m，高架橋高10 m～18 m。全封閉式聲屏障采用雙跨門(mén)式鋼架，頂部為大弧形，兩側(cè)上部為弧形過(guò)渡，兩側(cè)為垂直墻面，聲屏障內(nèi)凈空高度大于5.0 m，并且在聲屏障區(qū)域進(jìn)入前一段道路上設(shè)置了限高標(biāo)識(shí)，聲屏障整體造型生動(dòng)簡(jiǎn)潔。

2 聲屏障聲學(xué)原理分析及聲學(xué)設(shè)計(jì)

聲屏障主要工作原理[4,5]是利用障礙物阻擋聲波的傳播路徑，使聲波從噪聲源傳遞到保護(hù)點(diǎn)的路徑加長(zhǎng)，從而達(dá)到減少噪聲影響的目的。一般的聲屏障結(jié)構(gòu)形式有直立式和折臂式兩種。直立式和折臂式聲屏障都屬于“墻式聲屏障”。對(duì)于噪聲敏感點(diǎn)和道路距離很近，高度很高的情況，一般“墻式聲屏障”就無(wú)法覆蓋整個(gè)建筑物，雖然有一種“干涉式”消聲裝置可以減少聲影區(qū)外特定頻率的噪聲強(qiáng)度，但對(duì)屬于多頻率復(fù)合的交通噪聲效果并不理想，因此采用墻式聲屏障會(huì)導(dǎo)致建筑高層的敏感點(diǎn)噪聲得不到控制。為了增加聲屏障的聲影區(qū)以覆蓋整個(gè)高層建筑，就必須增加聲屏障的“有效高度”，由于受結(jié)構(gòu)高度和強(qiáng)度、安全等的限制，聲屏障不可能無(wú)限加高。因此采用門(mén)架結(jié)構(gòu)，在框架上安裝吸隔聲材料和透明材料組成的封閉聲屏障便成為了解決高層建筑交通噪聲防護(hù)的有效措施。全封閉聲屏障整個(gè)框架都用吸隔聲材料進(jìn)行密封，密封可靠的情況下，降噪量可以達(dá)到吸隔聲材料的隔聲量，工程質(zhì)量和材料質(zhì)量好的時(shí)候可以將車輛降噪量降低到背景噪聲以下，如從原來(lái)的75 dB降低到55 dB(一般城市背景噪聲都不低于55 dB)。

武漢市鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋漢陽(yáng)岸引橋穿越世貿(mào)錦繡長(zhǎng)江住宅樓段，引橋兩側(cè)高層建筑需要噪聲防護(hù)，因此需采用全封閉聲屏障。全封閉聲屏障的理論插入損失值可以達(dá)到25 dB以上。由于全封閉聲屏障大部分噪聲都無(wú)法透過(guò)屏障，如果不采用吸聲材料，則聲波在聲屏障內(nèi)部區(qū)域來(lái)回反射形成混響，道路內(nèi)噪聲會(huì)有明顯增加，降低乘車和駕駛舒適性。因此全封閉聲屏障內(nèi)側(cè)一般都安裝有大量吸聲材料。本工程聲屏障頂部及兩側(cè)的吸聲隔聲屏體及采光隔聲屏體的隔聲量均大于25 dB，有效提高了全封閉聲屏障的整體隔聲效果。

3 聲屏障建筑景觀設(shè)計(jì)

目前全封閉聲屏障在國(guó)際和國(guó)內(nèi)都有不少應(yīng)用，但由于道路和環(huán)境的特殊性，全封閉聲屏障目前沒(méi)有專門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)，一般采用鋼結(jié)構(gòu)或建筑標(biāo)準(zhǔn)作為安全準(zhǔn)則，再通過(guò)聲學(xué)計(jì)算來(lái)確定聲學(xué)結(jié)構(gòu)，基本都是根據(jù)具體工程情況具體設(shè)計(jì)。本工程全封閉式聲屏障采用頂部為大弧形的雙跨門(mén)式構(gòu)造，使整個(gè)聲屏障造型融入到周邊建筑景觀中，成為一道城市風(fēng)景，既解決了噪聲問(wèn)題，又增加了城市美感，一舉多得。

本橋全封閉聲屏障采用雙跨門(mén)式鋼架，頂部為大弧形，兩側(cè)上部為弧形過(guò)渡，聲屏障框架由立柱、H型弧形鋼橫梁和縱向連接檁條組成，聲屏障框架間分別鋪設(shè)弧形透明隔聲板和金屬吸隔聲板，整體造型生動(dòng)簡(jiǎn)潔。聲屏障兩側(cè)設(shè)置一定高度的不透明吸聲板，有利于減少隧道內(nèi)反射聲混響，提高內(nèi)部行車舒適度，同時(shí)可以減少夜間車燈強(qiáng)光對(duì)兩側(cè)居民的影響，特別是彎道處車燈光線直接射向外側(cè)的居民樓，擾民現(xiàn)象比較嚴(yán)重。中部設(shè)置3 m高左右的不透明雙面吸聲板，既可以起到吸收噪聲減少內(nèi)部混響的作用，也可以起到車道中間防眩板的作用，一舉兩得。

4 聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程全封閉聲屏障的主結(jié)構(gòu)采用輕型門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)。鋼架結(jié)構(gòu)置于引橋混凝土箱梁橋架之上，主鋼架采用弧線H型鋼型式，立柱為HW488×300×11×18，鋼梁為HW488×300×12×18，立柱的標(biāo)準(zhǔn)間距為3.0 m。因在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，已考慮全封閉聲屏障的荷載，全封閉聲屏障不再另作基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，鋼立柱直接與混凝土箱梁橋架上預(yù)埋的鋼鉸軸底座進(jìn)行鉸接連接，在安裝過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)安裝臨時(shí)支撐，以防失穩(wěn)。主框架采用Q345B熱軋H型鋼，鉸鏈采用Q345B材料，銷軸采用40Cr，其他鋼材采用Q235B。金屬?gòu)?fù)合吸聲板由面板和背板組成，內(nèi)部填充吸聲材料和隔聲材料。聲屏障單元板和單元板之間，單元板和立柱之間，都設(shè)有橡膠條，具有抵抗伸縮變形、避免噪聲泄漏和二次結(jié)構(gòu)噪聲的相應(yīng)結(jié)構(gòu)措施。考慮全封閉聲屏障的耐久性，所有鋼構(gòu)件均熱浸鋅后再進(jìn)行氟碳噴涂處理。

門(mén)式框架結(jié)構(gòu)主要計(jì)算如下。

4.1 計(jì)算輸入

橋位處基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，基本雪壓0.50 kN/m2，聲屏障頂面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值：0.5 kN/m2；施工或檢修集中荷載取1.0 kN。設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，特征周期為0.4 s。

4.2 結(jié)構(gòu)要求

根據(jù)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，主框架屬于墻架+主梁結(jié)合結(jié)構(gòu)，變形規(guī)定和構(gòu)造要求如下：支柱撓度不大于L/400=12.5 mm；柱間水平支撐撓度不大于L/1 000=3 mm；主梁撓度不大于L/400=40.625 mm；立柱和主梁長(zhǎng)細(xì)比不大于150，其他支撐構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比不大于200。

4.3 計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)共進(jìn)行了多種荷載工況的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，在各種工況下主框架變形及應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。以下僅示工況恒載+最大風(fēng)荷載+最大雪荷載的計(jì)算結(jié)果。

1)梁最大位移：11.75 mm，立柱最大位移：5.87 mm，滿足上述撓度限值。2)最大彎曲應(yīng)力67.07 MPa，最大剪切應(yīng)力7.101 MPa，主框架鋼材應(yīng)力有富余。

5 聲屏障的輔助設(shè)計(jì)

本工程全封閉聲屏障設(shè)置區(qū)段長(zhǎng)僅250 m，相對(duì)較長(zhǎng)區(qū)段設(shè)置全封閉聲屏障需考慮的廢氣溫室效應(yīng)、通風(fēng)、緊急疏散、檢修通道等問(wèn)題比較容易解決。聲屏障的輔助設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)解決防水、排水、自然采光、行車及安全等問(wèn)題。

5.1 防水、排水

全封閉聲屏障的覆蓋面積為8 125.0 m2，其結(jié)構(gòu)在使用一段時(shí)間后頂部肯定會(huì)有積灰現(xiàn)象。對(duì)于聲屏障內(nèi)部的積灰可以采用灑水車沖洗的方案，這要求聲屏障內(nèi)的吸聲材料具有防水功能；對(duì)頂部的積灰可采取人工帶水槍到頂面沖洗的方式清洗。同時(shí)，全封閉聲屏障聲學(xué)構(gòu)件的安裝方式中需考慮合理的排水構(gòu)造，解決自然降雨或清洗時(shí)的排水問(wèn)題。該工程排水設(shè)計(jì)主要在全封閉聲屏障頂部?jī)蓚?cè)設(shè)置雨水收集裝置，并用排水管連接至高架橋的排水系統(tǒng)。

5.2 自然采光

在全封閉聲屏障兩側(cè)轉(zhuǎn)角和頂部設(shè)置大面積的透明隔聲屏障，可以給內(nèi)部道路帶來(lái)足夠的光線，讓行車視野更開(kāi)闊，減少日間照明成本，同時(shí)減少聲屏障區(qū)域內(nèi)外的光照度差異，可以避免因人眼適應(yīng)明暗變化延遲帶來(lái)的行車安全隱患。

5.3 行車及安全

車輛行駛在全封閉式聲屏障內(nèi)部，因此必須考慮車輛的行駛條件和安全。全封閉聲屏障上的聲學(xué)構(gòu)件必須具有可靠的連接，防止在外力作用下掉落。鋼立柱應(yīng)當(dāng)設(shè)置于防撞護(hù)欄外，不能利用全封閉聲屏障的框架結(jié)構(gòu)作為防撞結(jié)構(gòu)，避免車禍意外時(shí)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。同時(shí)，在全封閉聲屏障順橋向每30 m設(shè)1組鋼立柱柱間支撐，防止主體結(jié)構(gòu)連續(xù)失穩(wěn)，即當(dāng)其中一跨或幾跨鋼構(gòu)被車輛意外破壞時(shí)，不會(huì)發(fā)生連續(xù)性的倒塌，最大限度減少事故損失。

6 施工和維護(hù)設(shè)計(jì)

全封閉式聲屏障的施工過(guò)程是先安裝鋼構(gòu)框架，采取工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝或拼焊的方式。為了保證封閉式聲屏障工程的降噪質(zhì)量，聲屏障的吸隔聲材料在安裝時(shí)密封，用來(lái)封閉的聲學(xué)構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)之間做到了安裝方便、密封性好。

考慮到吸聲材料的使用壽命很難和鋼結(jié)構(gòu)同壽命，考慮了聲學(xué)構(gòu)件的更換和維護(hù)條件。聲學(xué)構(gòu)件采用模塊化設(shè)計(jì)，工廠生產(chǎn)后到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接，安裝或更換。

7 結(jié)語(yǔ)

全封閉式聲屏障的設(shè)計(jì)沒(méi)有專門(mén)的規(guī)范，它是一個(gè)跨學(xué)科的綜合工程，包含了建筑、鋼結(jié)構(gòu)、環(huán)評(píng)、聲學(xué)設(shè)計(jì)、道路交通規(guī)劃、暖通、給排水等領(lǐng)域的知識(shí)。本項(xiàng)目設(shè)置區(qū)域?yàn)殡p向八車道、寬33 m的高架橋。在城市高架橋上設(shè)置如此大跨全封閉聲屏障在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)了多方面的設(shè)計(jì)和調(diào)查，取得了預(yù)期的工程效果，必將在今后類似工程設(shè)計(jì)施工中得到大量推廣和應(yīng)用。

[1] 胡宏斌.城市快速路全封閉隔音隧道設(shè)計(jì)淺析[J].中國(guó)建材科技,2009(4)：69-72.

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Design of fully enclosed acoustic barrier of Yangze River Bridge in Yingwu continent of Wuhan city

Li Minghua

(ChinaRailwayBridgeSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Wuhan430056,China)

According to acoustical principle of acoustic barrier, starting from aspects of building landscape design, structural design and aided design, the paper explores design methods of fully enclosed acoustic barrier of Yangze River Bridge in Yingwu continent of Wuhan city, and introduces acoustic barrier construction and maintenance measures, which effectively solves elevated road traffic noise problem.

acoustic barrier, bridge, framework structure, sound-absorbing material

1009-6825(2016)16-0170-02

2016-03-26

李明華(1972- )，男，教授級(jí)高級(jí)工程師

TU112.594

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