輕軌橋架聲屏障優(yōu)化設(shè)計研究

1、輕軌橋架聲屏障優(yōu)化設(shè)計研究     【摘要】隨著城市輕軌建設(shè)的發(fā)展交通噪聲污染逐漸引起人們重視。在輕軌橋架兩側(cè)設(shè)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(shè)計參數(shù)造成的,通過對目前聲屏障設(shè)計方法進行分析,提出了輕軌橋架聲屏障優(yōu)化設(shè)計方法。該方法以聲屏障建造成本為目標(biāo)函數(shù),以降噪要求為聲學(xué)約束,綜合考慮設(shè)置位置、高度和長度等設(shè)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(yōu)化過程中插入損失的計算精度。該優(yōu)化設(shè)計法與目前設(shè)計方法對比,驗證了聲屏障優(yōu)化設(shè)計在改善降噪性能經(jīng)濟性能方面的優(yōu)越性。討論了設(shè)計參數(shù)對成本和降噪性

2、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(jié)論對聲屏障和軌邊矮墻設(shè)計參數(shù)與形狀的選擇具有指導(dǎo)意義?！娟P(guān)鍵詞】輕軌交通;降噪;優(yōu)化;聲屏障;軌邊矮墻 1 引言      城市輕軌交通線路穿越市區(qū),鄰近居住、文教工商業(yè)混雜區(qū)等噪聲敏感區(qū)域的情況比較普遍,特別是高架線路噪聲影響區(qū)域大,對沿線人們的工作、生活構(gòu)成嚴(yán)重危害1。由于軌道結(jié)構(gòu)隔振技術(shù)有效地降低或避免了結(jié)構(gòu)的“二次噪聲”,輪軌噪聲在輕軌交通噪聲中起主導(dǎo)作用,在平坦道路行駛,當(dāng)行駛速度達80/時,距離軌道10處的噪聲為8090,設(shè)置聲屏障減弱輪軌噪聲干擾是目前有效的降噪措施。

3、      筆者針對目前聲屏障經(jīng)濟性差(即聲屏障成本昂貴)、設(shè)計參數(shù)不合理、插入損失計算精度低以及不適合優(yōu)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(shè)置的位置、幾何尺寸和經(jīng)濟性等多種因素,以研究經(jīng)濟適用型聲屏障為目的,提出了聲屏障優(yōu)化設(shè)計方法,并且對軌邊矮墻的降噪性能及經(jīng)濟性進行了研究和分析。2 聲屏障聲學(xué)設(shè)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 2.2等效聲級的計算因為輕軌交通系統(tǒng)列車運行速

4、度、長度和輻射噪聲級比較接近,輕軌交通系統(tǒng)營運時間主要集中在晝間(6:0022:00)時,行車一般以一小時為單位計劃,即測量時間取3600,則有:=10(×100.1/3600+10 0.1 )                              (5)式中,列車通過受聲點的平均時間,;

5、60;      測量時間內(nèi)通過的列車數(shù);       環(huán)境本底噪音,。3 聲屏障設(shè)置位置與尺寸設(shè)計3.1 聲屏障設(shè)置位置      聲屏障設(shè)置在橋架護欄處,由高架橋建筑限界3,直立式聲屏障,1=2.4;寬頂式聲屏障,1.712.4;若采用軌邊矮墻,11.65。3.2聲屏障高度設(shè)計由于建筑限界、觀察、橋梁承重、環(huán)境協(xié)調(diào)等因素制約,高架軌道聲屏障高度不宜超過軌頂1.82.5,列車聲源高度在軌頂以上0.454,則有效高度2.1;軌邊矮墻的高

6、度略高于車輪,輕軌輪徑一般小于0.9,因此,取有效高度0.55。同時考慮乘客的視覺舒適性要求和不應(yīng)使其產(chǎn)生環(huán)繞感,即                (-)/                        

7、60;                                  (6)                1/0.

8、5                                                  

9、;                       (7)式中,乘客眼睛相對聲源的高度,距軌頂2;         允許的視線仰角,45°時,可減少乘客視覺疲勞。3.3聲屏障長度設(shè)計      聲屏障的長度原則上應(yīng)使列車噪聲繞過聲屏障兩端產(chǎn)生的

10、損失大于繞射聲屏障頂端的損失10以上。聲屏障的端部長度為5 4 聲屏障優(yōu)化設(shè)計分析4.1設(shè)計變量的選取=1,2,3=1,                                       &

11、#160;                  (10)4.2目標(biāo)函數(shù)的確定      聲屏障成本往往成為設(shè)計成功與否的決定性因素。因此,應(yīng)以建設(shè)成本為目標(biāo),盡量降低成本。聲屏障的建設(shè)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(shè)費用的45%,與長度相應(yīng)的基礎(chǔ)建設(shè)、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(guān)。

12、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形為例,綜上所述,取式(11)、式(12)為目標(biāo)函數(shù),盡可能降低成本。      直立式、寬頂式聲屏障的目標(biāo)函數(shù)為            ()=(2+0.45+2.4-1)×3+0.83              

13、            (11)      軌邊矮墻的目標(biāo)函數(shù)為             ()=(2+0.45)×3+0.83               &#

14、160;                      (12)     4.3約束條件4.3 .1降噪指標(biāo)約束條件      聲屏障降噪指標(biāo)應(yīng)符合鐵路邊界噪聲限值及其測量方法(125251990)和城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)(30961993)相應(yīng)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。即()=   &#

15、160;                                                 &#

16、160;            (13)式中,晝間等效聲級允許值,。4. 3 .2其他約束條件      主要包括聲屏障和軌邊矮墻的設(shè)計變量約束、不產(chǎn)生環(huán)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70/時,距軌道3,高出軌頂0.5處的頻譜;受聲點取為距軌道30處,有效高度2.5。聲波衰減按照線聲源的衰減規(guī)律進行計算。橋架聲屏障距聲源很近,反射

17、對乘客和降噪影響較大,軌邊矮墻及聲屏障均為吸聲型。 5.1算例1      以受聲區(qū)域是居民區(qū)為例,其環(huán)境噪聲應(yīng)符合城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)類區(qū)域標(biāo)準(zhǔn),晝間等效聲級應(yīng)不超過55。環(huán)境背景噪聲取為50,為每小時25列,保護區(qū)長度取為2000,取為45°,為10。      由頻譜可算得為78.42,為66.92,滿足鐵路邊界噪聲限值及其測量方法晝間噪聲等效聲級70的規(guī)定,但不滿足類區(qū)域噪聲標(biāo)準(zhǔn)。      引用兩種普通設(shè)計方法與優(yōu)化設(shè)計方法對

18、比。      方案1,普通設(shè)計方案,聲屏障位置盡量靠近聲源,長度為保護區(qū)長度兩端各延長60,由降噪要求求高;      方案2,普通設(shè)計方案,聲屏障位置盡量靠近聲源,由目標(biāo)等效聲級求長度和高;      方案3,優(yōu)化設(shè)計方案;      方案4,軌邊矮墻方案。      各種方案計算結(jié)果列入表1、表2。   

19、0;  設(shè)計方案結(jié)果分析:      方案1,聲屏障頂部向聲源垂直方向靠近0.7,聲屏障長度遠不能滿足聲屏障的長度原則要求(應(yīng)不小于2843.9),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(qū)兩端(共723.9)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0.7,滿足降噪要求;      方案3,聲屏障頂部向聲源垂直方向靠近了0.147,在與方案2具有相同的降噪性能的情況下,比方案3經(jīng)

20、濟性提高8.89%;      方案4,不能滿足降噪要求,最大降噪能力為71.06,為59.94。      本例說明優(yōu)化設(shè)計方法比常規(guī)設(shè)計方法有更好的降噪效果和經(jīng)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(jīng)濟性。5.2算例2      以受聲區(qū)域是工商業(yè)混雜區(qū)為例,其環(huán)境噪聲應(yīng)符合城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)類區(qū)域標(biāo)準(zhǔn),晝間等效聲級應(yīng)不超過60。其他條件不變。方案1,聲屏障優(yōu)化設(shè)計方案;方案2,軌邊矮墻優(yōu)化設(shè)計方案。計算結(jié)果列入表3、表4。      設(shè)計結(jié)果分析:兩種設(shè)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(jīng)濟性提高7.23%。通過計算,如果保護區(qū)加長,經(jīng)濟性將進一步提高,可達12.2%。6 結(jié)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(qū),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(shè)計時,應(yīng)首先考慮使用軌邊矮