全封閉聲屏障對城市橋梁建設影響探討

楊志杰

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 20092]

0 引 言

隨著城市化進程的深入，道路交通擁堵問題日益突出，城市橋梁興建是改善道路交通功能的重要手段之一，但同時交通噪音污染問題隨之凸顯。目前，控制城市交通噪音的主要手段有：（1）規劃控制：規劃層面合理布局，使聲敏感建筑（醫院、學校、住宅等）與城市交通相互避讓；（2）聲源控制：降低汽車發動機、輪胎、路面、橋梁伸縮縫等聲源噪音；（3）聲傳播路徑控制：設置聲屏障、綠化等；（4）聲敏感點控制：對聲敏感建筑安裝隔聲窗等。聲屏障是其中采用最多且最為社會民眾所關注的措施。全封閉聲屏障（見圖1）是聲屏障設計的最高形式，近些年已日漸引入城市橋梁。調研國內城市橋梁全封閉聲屏障長度較長的工程案例見表1。

表1 國內城市橋梁全封閉聲屏障工程案例

圖1 全封閉聲屏障典型斷面

有別于一般聲屏障，全封閉聲屏障加裝在城市橋梁上后，形成“空中隧道”，其在造價、工藝、結構受力、交通安全、照明通風等方面屬性更為綜合，隨之對橋梁土建主體的界面需求和影響更為突出。全封閉聲屏障的科學建設是城市橋梁高品質運營的重要前提，然而目前相關規范和研究多限于聲屏障自身的工藝、材料、結構等方面[1-7]，對全封閉聲屏障對橋梁土建主體的影響卻關注較少。本文結合城市橋梁建設實際，從建設流程、成本、橋梁結構受力、橋梁功能匹配、預埋施工等方面，具體分析全封閉聲屏障對城市橋梁建設的影響，為類似工程建設提供參考。

1 橋梁全封閉聲屏障的基本形式與特性

橋梁全封閉聲屏障呈“門”式構造，以鋼結構輕型門架為主要承載結構，以橋面防撞護欄為基礎；門架間設置縱向連接并敷設吸、隔聲屏體。此外照明、監控、交通、排水設施按需敷設于相應位置。圖2為某工程所采用的全封閉聲屏障橋梁斷面。城市橋梁全封閉聲屏障的科學建設建立在其特性充分認知的基礎上，全封閉聲屏障具有如下特性：（1）對橋梁結構承載要求高；（2）照明、通風、消防、排水等需配套集成設計；（3）構筑物龐大高聳，對城市景觀影響大；（4）影響臨邊低層建筑的采光及視野；（5）建造成本較高，且屏體使用壽命短；（6）養護要求及成本高。

圖2 全封閉聲屏障橋梁斷面（單位：mm）

2 建設程序影響分析

城市橋梁建設中若遇全封閉聲屏障，需結合工程實際與社會條件，盡早通過環評和方案論證，確定實施與否、實施范圍及建設投資，力爭使全封閉聲屏障與土建主體同期建設，這是建設質量的重要保證。因為若是在橋梁土建主體已深化設計完成、施工期或運營期才引入全封閉聲屏障，滯后實施將帶來如主體工程二次設計、已或在施工結構加固、新建設施廢除、配電調整等問題，建設難度、造價與時間成本均隨之提升。尤其通車后安裝全封閉聲屏障，會造成外部協調、交通組織、安全防護等費用的額外增加，條件不利時增加費用可達聲屏障建安費的20%以上。此外，前期環評、方案論證中，需保證社會民眾、審批與管養部門的充分參與，以減少建設審批、移交和運營期投訴等問題。

3 建設成本影響與控制分析

以圖2為例，分別按一次建造和橋梁全壽命周期計算橋梁土建主體、全封閉聲屏障的成本綜合單價，結果詳見表2。其中：土建主體為現澆混凝土橋梁，設計使用年限100a；全封閉聲屏障屏體設計使用年限15a，鋼結構門架設計使用年限50a。全封閉聲屏障需進行電氣照明等配套設計，同時橋梁結構需進行增強設計。此外，聲屏障屏體、電氣設施等多為成品，單價會因檔次、區域、供貨條件等而不同，表2中該類產品單價水平處于工程所在地中上層級。計算中暫不考慮全壽命周期內的養護投入和材料單價上漲因素。

由表2可知：對常規城市橋梁，全封閉聲屏障對其建設成本影響較大，一次建造綜合單價提高近50%；橋梁全壽命綜合單價提升約200%；全封閉聲屏障單次建造成本高，屏體使用年限短是主要原因；一次建造成本中，全封閉聲屏障的鋼結構與屏體的造價占比相當，但100a壽命周期成本中，屏體由于使用年限短而多次更換，已超越土建主體成為主要造價項。可見，相對橋梁主體結構，全封閉聲屏障屬于消耗品，無論一次建造還是全壽命成本，對城市橋梁建設的影響都是巨大的，且屏體為其中重要影響因素，建設環節宜從以下兩方面加強控制：

表2 加裝全封閉聲屏障后橋梁綜合單價

（1）設計使用年限標準選定

已建工程中聲屏障鋼結構的設計使用年限相對穩定一般為50a，屏體的設計使用年限卻存在一定差異。在公路、城市橋梁中多為10~20a，軌道、鐵路橋梁中多為15~25a，調研國內主要規范、圖集相關規定見表3。

表3 聲屏障屏體設計使用年限

誠然屏體設計使用年限越長，全壽命成本越低。但選擇較高的設計使用年限標準時，尚需考慮工程地實際建設水平、供貨條件和養護能力。

（2）材料檔次與質量控制

對應同一使用年限和性能參數標準，市面材料價格、檔次亦參差不齊。若選材檔次低，雖一次建造成本低，但后期維護及更換成本高，且運營品質下降；若選用較高檔次材料，應保證供貨穩定、材料檢驗能力匹配。全封閉聲屏障材料檢驗內容較多，需系統組織，多層面加強對材料的出廠、型式和見證檢驗[3]。

4 橋梁結構受力影響分析

4.1 橋梁結構豎向效應增加

全封閉聲屏障相關自重、雪荷載及屋面活荷載使橋梁豎向效應的增加，首先會對橋梁上、下部結構整體受力產生影響。如圖2所示橋梁，原橋面二期重量130kN/m，全封閉聲屏障自重約30kN/m，雪荷載或屋面活荷載（不同時組合）約13kN/m，但考慮橋梁結構自重、汽車等在橋梁荷載中占比較大，以上增加的豎向效應對橋梁整體受力影響有限，但對如橋面板懸臂等局部受力構件卻影響較大，設計中需加強結構驗算。

4.2 橋梁結構水平效應增強

風荷載下全封閉聲屏障的水平效應是影響橋梁結構受力的主要因素。為滿足通車、交通安全設施懸掛等空間需求，全封閉聲屏障自身需保證一定高度；同時橋梁多為室外高聳結構，全封閉聲屏障安裝其上風荷載水平效應會大大增強，這對橋梁上部結構的抗傾覆性能提出更高要求；同時隨著水平效應的增強，橋梁下部墩柱、樁基等構件的偏心受力也趨于不利，且墩柱越高影響越大。此外，全封閉聲屏障在正面灌入風、側面水平風的情況下，均存在柱腳受拉的情況，橋面板懸臂下緣會因此存在受拉可能，設計中需給予該工況的甄別和必要驗算。同時增設全封閉聲屏障后，橋梁體型等風力特性會發生較大變化，《公路橋梁風抗風設計規范》（JTG/T3360-01—2018）對一般橋梁結構風荷載的計算方法的適用性會降低，建議采用《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018）和《建筑結構荷載規范》（GB5009—2012）相關規定進行風荷載的計算。

4.3 防撞安全問題

目前橋梁聲屏障基本以橋梁防撞護欄作為基礎。當交通事故中車輛撞擊護欄時，一方面防撞護欄對車輛的阻擋和導向功能會受到聲屏障的影響[8-9]，另一方面聲屏障本身可能因車輛撞擊而破壞、倒塌或墜落，并由此造成二次傷害?！豆方煌ò踩O施設計細則》（JTG/TD81—2017）在6.3.5條中提出，隔音設施與橋梁護欄配合設置時，應考慮隔音設施對行車安全的影響，建議隔音設施最好不與橋梁護欄一并設置，否則應采取措施，消除其對行車安全的影響[8]。同時《聲屏障結構技術標準》（GB/T51335—2018）中提出，聲屏障結構可設置于橋梁防撞護欄，但不考慮車輛撞擊作用，相應車輛撞擊力應考慮其他措施，如在聲屏障結構前設置金屬防撞護欄[1]。因此橋梁上設置全封閉聲屏障時，可從如下方面保證防撞安全：

（1）防撞護欄與基礎橋面板自身需滿足防撞受力要求；（2）如圖3橋梁采用金屬護欄時，聲屏障立柱設置于護欄背側，并保證一定退讓距離；如圖4橋梁采用混凝土護欄時，在護欄頂部增設鋼扶手，聲屏障立柱設置于鋼扶手背側，亦保證一定退讓距離；（3）全封閉聲屏障各榀框架間設縱向支撐，保證車輛撞擊破壞一榀或幾榀框架時不發生連續性倒塌[10]；（4）嚴格按照規范要求設置屏體防跌落設施，避免二次傷害[1]。

圖3 鋼防護欄橋梁聲屏障基礎

圖4 混凝土護欄橋梁聲屏障基礎

此外，若需在既有老橋上增設全封閉聲屏障，需對老橋進行全面檢測和安全評估；并注意聲屏障立柱、防撞設施與老橋橋體進行后錨固連接的安全性，如對老橋橋體分布預應力的區域不宜大面積植筋。若老橋受力無法滿足全封閉聲屏障設置需求，可論證采用如圖5所示在老橋外側設置獨立支架的可行性。

圖5 老橋外側獨立全封閉聲屏障支架結構

5 橋梁使用功能匹配

5.1 交通功能

交通功能方面，在橋梁主線和匝道交匯處，若聲屏障側面采用不透明屏體，會遮擋視線影響行車視距，故交匯處以前50m以上范圍聲屏障側面采用透明屏體。此外，為避免超高車輛進入全封閉聲屏障，沖撞框架結構引起破壞或倒塌，在全封閉聲屏障入口前應設置硬性限高設施。

5.2 消防照明

作為“空中隧道”，加裝全封閉聲屏障的高架橋梁需保證通風功能和消防安全，全封閉聲屏障除保證材料防火等性能滿足相關規范要求，并配套滅火器等設施外，尚需注意當全封閉聲屏障的單段長度大于500m時，頂部應設置通風裝置，如消防百葉；全封閉聲屏障內橋梁照明宜參照隧道照明標準進行等級劃分、照明計算、供電與設備配置等，在技術與造價方面與常規立桿照明存在較大差異。

5.3 結構伸縮

全封閉聲屏障應在橋梁結構伸縮縫位置設置伸縮縫，且設置數量不限于此，以避免聲屏障與橋梁結構伸縮不匹配，引起屏體脫離、墜落或結構破壞。聲屏障伸縮縫一般采用鋼立柱翼緣加寬的方式，加寬量需根據橋梁主體結構的伸縮量確定，尤其對于橋梁結構聯長較長的情況。

5.4 橋梁排水

全封閉聲屏障增設后，橋面雨水被全封閉頂部屋面攔截，若自然流淌，雨水極易造成護欄與梁體污染，嚴重影響城市景觀。對屋面雨水宜集中收集，集中收集的方式有外置和內置兩種。外置方式（見圖2、圖6）中全封閉聲屏障外側設排水天溝收集雨水，再通過泄水管引流至橋下；泄水管規格和設置密度通過計算確定，避免過于密集影響橋梁景觀；

圖6 全封閉聲屏障橋梁外置式排水

內置方式中縱向通長集水溝內嵌于全封閉聲屏障頂面，泄水管沿全封閉聲屏障內部敷設并引流至橋面[6]，該種方式會對聲屏障頂面隔聲效果產生一定影響，此外排水管在護欄迎撞面敷設，對交通安全有一定影響。

5.5 橋梁景觀

全封閉聲屏障結構高聳突兀，鋼框架工業氣息濃厚，對橋梁景觀影響較大，在景觀要求高的城市區域要慎重考慮采用。若需采用，宜將全封閉聲屏障與橋梁主體、周圍環境進行景觀方面的統籌考慮，從造型、裝飾、亮化等角度進行景觀提升[11]。如長沙福元路大橋東引橋全封閉聲屏障（見圖7），將主結構與橋梁結構一體考慮，且造型采用弧線構造，在實現噪音控制的同時獲得了良好的景觀效果[12]。

圖7 長沙福元路大橋東引橋全封閉聲屏障

6 護欄預埋施工控制

預埋件是全封閉聲屏障向橋梁主體結構傳力的重要節點。通常聲屏障預埋件隨橋梁護欄一起由土建主體施工隊伍實施，聲屏障則由鋼結構施工隊伍實施。但往往土建施工隊伍對預埋件精度控制的能力偏弱，易出現預埋精度難以滿足聲屏障鋼結構安裝要求的情況。相比直立式聲屏障，全封閉聲屏障框架橫向有多處節點，對預埋件的容錯能力較弱，預埋誤差易造成安裝困難、異形鋼構件和異形屏體板件的增多，對項目建設工期、質量和成本產生不利影響。因此全封閉聲屏障需尤其重視對預埋件的施工控制：

（1）橋梁護欄基礎與聲屏障盡可能由同一施工單位實施；若無法實現同一施工單位實施，應加強對上游土建施工單位預埋質量的控制，必要時聲屏障施工單位可提前介入和指導預埋工序；在聲屏障開工前，需對護欄基礎、預埋件等進行全面檢驗測量，保證合格交接[3]。

（2）預埋件在實施后需注意防腐保護，尤其是橋梁護欄與聲屏障施工間隔時間較長時。圖8為預埋螺栓通過涂油、塑料螺帽進行防腐保護的典型案例。

圖8 預埋螺栓防腐保護

7 對城市橋梁采用全封閉聲屏障的認識

綜上分析，雖然全封閉聲屏障是一種降噪的有效措施，但相比橋梁主體結構，其使用年限有限，作為一種消耗品對橋梁一次建造和全壽命成本的影響是較大的，對工程建設的綜合要求較高，需慎重采用并應對其對橋梁景觀的影響。

交通噪聲問題是影響城市生活品質且被社會民眾廣泛關注的重要問題，這一問題是城市橋梁建設所不可回避的。城市橋梁建設中或建設后增設全封閉聲屏障的情況已不鮮見，但噪音的控制應是規劃、噪聲源、傳播路徑和聲敏感點多層面的綜合、系統工程，不宜在某一方面過分投入而忽略其他方面。同時噪聲治理的措施也應更加精細和具備針對性，如對某聲敏感建筑噪音組成中的高架交通噪音和地面交通噪音占比相當，若建設成本有限，則應將有限成本均衡覆蓋高架和地面道路的降噪措施，若投入巨大費用僅對高架實施全封閉聲屏障而忽略地面降噪，其綜合效益并不理想；如對部分既有高架，噪音源主要是橋面伸縮縫凸起或橋面鋪裝破損等病害引起的車輛沖擊，則應針對性進行橋面維修，從噪聲源上進行噪聲控制，貿然采用全封閉聲屏障，拔高噪聲傳播路徑上的建設投入，顯然并不經濟。

8 結語

對全封閉聲屏障這一特殊的噪聲控制構筑物，于橋梁而言，已不能簡單理解為橋梁的一項橋面附屬設施。其在造價、受力、功能等方面的多重技術屬性，對城市橋梁建設提出了更高的要求，同時又具有廣泛的社會影響，在未來的城市橋梁建設中需要綜合認識和科學抉擇。

（1）城市橋梁建設中若實施全封閉聲屏障，需結合項目實際盡早進行環評和方案論證，確定實施與否、實施范圍及建設投資，力爭使全封閉聲屏障與土建主體工程同期建設。

（2）相比橋梁主體結構，全封閉聲屏障屬消耗品，對城市橋梁的一次建造成本影響（提升約50%）和全壽命成本影響（提升約200%）均較大，并需尤其注重對屏體質量的控制。

（3）全封閉聲屏障增設后，需加強對橋梁橋面板懸臂受力、上部結構抗傾覆、下部結構受力等的驗算。

（4）在保證橋面板及護欄防撞安全的前提下，聲屏障立柱需設置于鋼護欄或混凝土護欄鋼扶手之后并保證安全距離，聲屏障鋼結構框架自身需具有抗連續倒塌的設計。

（5）在橋梁主線和匝道交匯處之前不小于50m范圍，聲屏障側面應采用透明屏體；全封閉聲屏障入口需增設硬性限高設施；全封閉聲屏障照明宜參照隧道標準；聲屏障伸縮設計需與橋梁主體結構匹配；排水宜采用外置式并科學確定排水管道規格及設置密度。

（6）全封閉聲屏障對橋梁景觀影響較大，尤其在景觀要求高的區域采用時，需考慮景觀提升措施。

（7）交通噪音治理是規劃、噪聲源、傳播路徑和聲敏感點多層面的綜合、系統工程，技術措施應綜合和具有針對性，對全封閉聲屏障應科學、慎重選用。