轻轨桥架声屏障优化设计研究

【摘　要】　随着城市轻轨建设的发展,交通噪声污染逐渐引起人们重视。在轻轨桥架两侧设置声屏障是控制轨道噪声的重要措施之一。声屏障的高昂成本往往是由不合理的设计参数造成的,通过对目前声屏障设计方法进行分析,提出了轻轨桥架声屏障优化设计方法。该方法以声屏障建造成本为目标函数,以降噪要求为声学约束,综合考虑设置位置、高度和长度等设计变量的影响;由列车噪声1/3倍频程频谱计算插入损失,提高了优化过程中插入损失的计算精度。该优化设计法与目前设计方法对比,验证了声屏障优化设计在改善降噪性能和经济性能方面的优越性。讨论了设计参数对成本和降噪性能的影响,并且对轨边矮墙的降噪性能进行了分析,所获的结论对声屏障和轨边矮墙设计参数与形状的选择具有指导意义。

【关键词】　轻轨交通;降噪;优化;声屏障;轨边矮墙

1 引　言
城市轻轨交通线路穿越市区,邻近居住、文教及工商业混杂区等噪声敏感区域的情况比较普遍,特别是高架线路噪声影响区域大,对沿线人们的工作、生活构成严重危害[1]。由于轨道结构隔振技术有效地降低或避免了结构的“二次噪声”,轮轨噪声在轻轨交通噪声中起主导作用,在平坦道路行驶,当行驶速度达80ｋｍ/ｈ时,距离轨道10ｍ处的噪声为80～90ｄｂａ,设置声屏障减弱轮轨噪声干扰是目前有效的降噪措施。
笔者针对目前声屏障经济性差(即声屏障成本昂贵)、设计参数不合理、插入损失计算精度低以及不适合优化计算等问题,按照列车噪声频谱计算总的插入损失;综合考虑声屏障设置的位置、几何尺寸和经济性等多种因素,以研究经济适用型声屏障为目的,提出了声屏障优化设计方法,并且对轨边矮墙的降噪性能及经济性进行了研究和分析。
2 声屏障声学设计
2.1 声屏障插入损失的计算
计算声屏障插入损失常采用“无限长声屏障对无限长线声源“的计算方法[2],即

2.2　等效声级的计算
因为轻轨交通系统列车运行速度、长度和辐射噪声级比较接近,轻轨交通系统营运时间主要集中在昼间(6:00～22:00)时,行车一般以一小时为单位计划,即测量时间取3600ｓ,则有:
ｌｅｑ=10ｌｇ(ｎｔｐ×100.1ｌｐ/3600+10 0.1ｌ ｂ) (5)
式中,ｔｐ———列车通过受声点的平均时间,ｓ;
ｎ———测量时间内通过的列车数;
ｌｂ———环境本底噪音,ｄｂａ。
3 声屏障设置位置与尺寸设计
3.1 声屏障设置位置
声屏障设置在桥架护栏处,由高架桥建筑限界[3],直立式声屏障,ｌ1=2.4ｍ;宽顶式声屏障,1.7ｍ≤ｌ1≤2.4ｍ;若采用轨边矮墙,ｌ1≥1.65ｍ。
3.2　声屏障高度设计
由于建筑限界、观察、桥梁承重、环境协调等因素制约,高架轨道声屏障高度不宜超过轨顶1.8～2.5ｍ,列车声源高度在轨顶以上0.45ｍ[4],则有效高度ｈ≤2.1ｍ;轨边矮墙的高度略高于车轮,轻轨轮径一般小于0.9ｍ,因此,取有效高度ｈ≤0.55ｍ。同时考虑乘客的视觉舒适性要求和不应使其产生环绕感,即
(ｈ-ｈ′)/ｈ≤ｔａｎα (6)
ｌ1/ｈ≥0.5 (7)
式中,ｈ′———乘客眼睛相对声源的高度,距轨顶2ｍ;
α———允许的视线仰角,α≤45°时,可减少乘客视觉疲劳。
3.3　声屏障长度设计
声屏障的长度原则上应使列车噪声绕过声屏障两端产生的损失大于绕射声屏障顶端的损失10ｄｂａ以上。声屏障的端部长度ｌ′为[5]

4 声屏障优化设计分析
4.1设计变量的选取
ｘ=[ｘ1,ｘ2,ｘ3]=[ｌ1,ｈ,ｌ] (10)
4.2　目标函数的确定
声屏障成本往往成为设计成功与否的决定性因素。因此,应以建设成本为目标,尽量降低成本。声屏障的建设费用通常按照声屏障的面积和长度进行估算,材料费用占声屏障建设费用的45%,与长度相应的基础建设、排水等大约占35%[6]。由于道床不同轨顶距桥面的高度也不同,同时桥上人行道的高度也与声屏障建筑高度有关。因此,取声屏障建筑高度等于有效高度加上声源距轨顶高度。宽顶式声屏障以常用的倒ｌ形为例,综上所述,取式(11)、式(12)为目标函数,尽可能降低成本。
直立式、宽顶式声屏障的目标函数为
ｆ(ｘ)=(ｘ2+0.45+2.4-ｘ1)×ｘ3+0.8ｘ3 (11)　　
轨边矮墙的目标函数为
ｆ(ｘ)=(ｘ2+0.45)×ｘ3+0.8ｘ3 (12)

4.3　约束条件
4.3 .1　降噪指标约束条件
声屏障降噪指标应符合《铁路边界噪声限值及其测量方法》(ｇｂ12525—1990)和《城市区域环境噪声标准》(ｇｂ3096—1993)相应的噪声标准。即
ｇ(ｘ)=ｌｅｑ≤[ｌｅｑ] (13)
式中,[ｌｅｑ]———昼间等效声级允许值,ｄｂａ。
4. 3 .2　其他约束条件
主要包括声屏障和轨边矮墙的设计变量约束、不产生环绕感和视觉舒适性约束。
5 算　例
图2是轻轨列车噪声的频谱图[7]。图中折线表示列车70ｋｍ/ｈ时,距轨道3ｍ,高出轨顶0.5ｍ处的频谱;受声点取为距轨道30ｍ处,有效高度2.5ｍ。声波衰减按照线声源的衰减规律进行计算。桥架声屏障距声源很近,反射对乘客和降噪影响较大,轨边矮墙及声屏障均为吸声型。

5.1　算例1
以受声区域是居民区为例,其环境噪声应符合《城市区域环境噪声标准》ⅰ类区域标准,昼间等效声级应不超过55ｄｂａ。环境背景噪声取为50ｄｂａ,为每小时25列,保护区长度取为2000ｍ,α取为45°,ｔｐ为10ｓ。
由频谱可算得ｔｐ为78.42ｄｂａ,ｔｅｑ为66.92ｄｂａ,满足《铁路边界噪声限值及其测量方法》昼间噪声等效声级70ｄｂａ的规定,但不满足ⅰ类区域噪声标准。
引用两种普通设计方法与优化设计方法对比。
方案1,普通设计方案,声屏障位置尽量靠近声源,长度为保护区长度两端各延长60ｍ,由降噪要求求高;
方案2,普通设计方案,声屏障位置尽量靠近声源,由目标等效声级求长度和高;
方案3,优化设计方案;
方案4,轨边矮墙方案。
各种方案计算结果列入表1、表2。

设计方案结果分析:
方案1,声屏障顶部向声源垂直方向靠近0.7ｍ,声屏障长度远不能满足声屏障的长度原则要求(应不小于2843.9ｍ),绕过声屏障两端的列车噪声将降低声屏障的降噪效果,使保护区两端(共723.9ｍ)实际降噪量与理论降噪量有较大误差;
方案2,声屏障顶部向声源垂直方向靠近了0.7ｍ,满足降噪要求;
方案3,声屏障顶部向声源垂直方向靠近了0.147ｍ,在与方案2具有相同的降噪性能的情况下,比方案3经济性提高8.89%;
方案4,不能满足降噪要求,最大降噪能力ｌｐ为71.06ｄｂａ,ｌｅｑ为59.94ｄｂａ。
本例说明优化设计方法比常规设计方法有更好的降噪效果和经济性,同时也反映了轨边矮墙由于高度较低,降噪能力有限。下面通过算例2研究轨边矮墙在满足降噪要求条件下的经济性。
5.2　算例2
以受声区域是工商业混杂区为例,其环境噪声应符合《城市区域环境噪声标准》ⅱ类区域标准,昼间等效声级应不超过60ｄｂａ。其他条件不变。方案1,声屏障优化设计方案;方案2,轨边矮墙优化设计方案。计算结果列入表3、表4。

设计结果分析:两种设计方案都能够满足降噪要求,采用轨边矮墙比采用声屏障的经济性提高7.23%。通过计算,如果保护区加长,经济性将进一步提高,可达12.2%。
6 结　论
1)轨边矮墙高度低,非常适合景观性要求高的城市轻轨交通的降噪。由于轻轨交通穿越市区,声屏障一般比较长,若能采用轨边矮墙可大幅降低降噪成本。在桥架声屏障设计时,应首先考虑使用轨边矮墙降噪,如果不能满足降噪要求,再使用直立式或宽顶式声屏障,形状和尺寸应进行优化设计。
2)优化设计方法体现了声屏障整体设计思想[1]:对声屏障设置位置、高度和长度的综合设计既满足沿线区域降噪要求,又降低了建设成本;通过约束条件考虑了结构和景观设计的要求。因此,在实际设计中,应综合考虑位置、高度、长度和桥上轨道结构等各种因素,对设计变量变化范围或目标函数进行调整,通过优化设计得到经济适用的声屏障设计方案。
3)随着我国轻轨交通的快速发展,声屏障工程数量多,所需费用大。通过对声屏障优化设计,能够明显提高降噪和经济性能,符合我国国情,有重要的实际意义。

参考文献
1彭华,高亮,张鸿儒.城市轨道交通的振动和噪声及其控制的研究[ｊ].中国安全科学学报,2003,13(4):74～77
2马大猷主编.噪声与振动工程手册[ｍ].北京:机械工业出版社,2002:745～746
3 毛保华,姜帆,刘迁等.城市轨道交通[ｍ].北京:科学出版社,2001:37～41
4 刘扬,温志伟.城市轨道交通高架线路声屏障降噪技术的研究[ｊ].劳动保护科学技术,1996,16(6):39～42
5 张新华,田新浩,刘达德.160ｋｍ/ｈ准高速铁路桥梁声屏障声学设计[ｊ].噪声与振动控制,1999(1):31～34
6 焦大化,钱德生.铁路环境噪声控制[ｍ].北京:中国铁道出版社,1990:260～262
7 蒋伟康,陈光冶,张继萍.轻轨交通新型声屏障技术[ｊ].上海交通大学学报,2001,35(12):1879～1892