福宁高速公路福鼎居民区声屏障设计
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1 福宁高速公路福鼎居民区声屏障设计 周海燕 (武中交第二公路勘察设计院，武汉 430072)
摘要 以惠更斯-菲涅尔衍射理论为基础，针对福宁高速公路福鼎城关居民区敏感点的防护措施，重点对声屏障的声学设计、结构设计及景观设计等方面进行了探讨。提出了声屏障系统设计的思路。 关键词：声屏障 高速公路 设计
1 引言 声屏障在许多发达国家如美国、日本、德国、澳大利亚等得到广泛应用。道路声屏障作为一种控制交通噪声的有效措施，由于其构造简单、适用、可行，近年被逐步应用于我国公路环境保护事业中。在贵黄公路、成绵高速、深汕高速、福泉高速等多条公路上设置了声屏障，为道路声屏障设计提供了宝贵的经验。目前国内建成的声屏障工程，在声学设计、结构设计、材料和景观设计等方面存在诸多不完善之处。因此，通过对公路声屏障的理论分析，衰减量的计算，结构、形状、材料、景观等因素的综合分析，探索出适合我国国情的公路声屏障，具有十分重要的意义。 福鼎至宁德高速公路，是国家规划建设的同江至三亚国道的重要组成部分。路线全长110.46 km。采用4车道高速公路标准，设计行车速度80km/h，整体式路基宽度24.5m。 本项目属福建省重点建设项目，路线所经地区属山岭重丘区。根据环评报告对沿线学校、居民区、开发区等敏感点的预测，到2020年，昼间噪声在距道路50m内的区域超过Ⅳ类标准，最大超标为5.3dB(A)；夜间噪声在距道路200m的范围内超过Ⅳ类标准，最大超标为12.1dB(A)，超标比较严重。因此，需在敏感点设置声屏障，从而将修建公路给沿线带来的声环境影响降低到最小限度。
2 声屏障降噪原理 声屏障降噪的理论基础为惠更斯的波动理论，即在声源和受声点之间设 2
立一个有足够面密度的板或墙，阻止直达声直接辐射到受声点处，从而使直达声改变为衍射声场。 从惠更斯-菲涅尔衍射原理出发，采用菲涅尔半波带迭加法［1］，推导出声屏障绕射声衰减量公式。对于公路交通噪声（不相干线声源），当声屏障的声源为无限长线声源时，无限长声屏障其绕射声衰减为：
ttt11arctg41π3lg102， 1340cfti
(1） )1ln(41π3lg1022ttt ， 1340cfti
式中，ΔLd—绕射声衰减值，db(A)； c—声波在空气中的传播速度，m/s；
if—声波频谱中第i个中心频率值； —声程差，m；
dBA
(2)
式中，A—声源至声屏障顶端的距离,m；
B—受声点至声屏障顶端的距离,m；
d—声源至受声点间的距离,m。
3 声屏障声学设计 3.1 有效高度的确定 本噪声防治工程设计中的居民区等敏感点采用GB3096-93《城市区域环境噪声标准》中的Ⅱ类标准，即昼间60dB(A)、夜间50dB(A)。 根据环评报告的预测结果，结合实际线位进行类比，福鼎城关居民区的噪声预测值见表1。 3
表1 福鼎城关居民区噪声预测值[dB(A)] 预测点 本底噪声 2004年 2010年 2020年 昼 夜 昼 夜 昼 夜 昼 夜 福鼎居民区 52.3 43.5 63.1 52.3 65.8 57.1 68.9 61.1
声屏障的插入损失目标值为7～8dB(A) 。路线右侧新建的福鼎居民区第1排5层高楼房，距路基边缘最近为23.3m，最远为30.9m(见图1)，房屋平均高度为15m。根据声屏障设置的具体位置，按照噪声绕射衰减量的计算公式(1)及声屏障衰减量的理论值，可以反算出声屏障的高度(见表2)。经计算，声屏障高度选择5m，声屏障设置于路基边坡上，中心距路基边缘1m,边坡为1：1.5，声屏障高出路基边缘绝对高度为4.33m。
表2 不同声屏障高度的理论绕射衰减值 敏感点位置 声屏障高度(m) L
[dB(A)]
125(Hz) 250(Hz) 500(Hz) 1000(Hz) 2000(Hz) 4000(Hz)
3楼 3.5 6.6 7.7 9.2 11.0 13.1 15.3 4.3 7.8 9.3 11.1 13.2 15.4 17.7 5.0 8.7 10.5 12.4 14.6 16.9 19.3
4楼 3.5 5.7 6.4 7.4 8.9 10.6 12.6 4.3 6.8 8.0 9.6 11.5 13.6 15.8 5.0 7.8 9.4 11.2 13.2 15.5 17.8
5楼 3.5 5.0 5.2 5.6 6.3 7.3 8.7 4.3 5.9 6.7 7.9 9.5 11.3 13.3 5.0 6.9 8.1 9.7 11.6 13.7 16.0 1) 预测点指第1排建筑物窗外1m。 4
图1 福鼎居民区平面位置 3.2 有效长度的确定 声屏障长度确定原则为［2］：以声源通过声屏障末端传至接收点的声级值较由声源经声屏障顶端绕射后的声级值低10d B 以上，即声源经过声屏障顶端绕射传至接收点的声级值远高于声源在声屏障范围以外传至接收点的声级值(见图2)。按照绕射损失ΔL d =Lp1－Lp2，其中Ld为绕射衰减量（d B），Lp1为无声屏障时由S’点传至R点的声级值(dB)，Lp2为有声屏障时由S’点
传至R点的声级值(dB)。按照声屏障长度确定原则，有： Lp1≥Lp2+10
(3) 式中,Lp2—由S点通过声屏障端部传至R点的声级值，dB； Lp2—由S点通过声屏障端部传至R点的声级值，dB。 此时，声屏障以外的线声源对于接受点R来说，可近似看作点声源。
图2 声屏障长度确定示意 lrLLlg20P12P (4)
将式（4）代入式（3）得： 10lg20P1P2lrLL （5）
对上式进行变换，可得： 5
10lg201PP2lrLL 20lgｒ－ｌ≥Ld+10 201010Llrd （6） 在ΔRMN中
)10(sintgtg10)10(111LllXd (7)
式中，X——声屏障端部长度，m； Ld——声屏障的顶端绕射损失，dB； 1l ——接收点至声屏障的垂直距离，m； r ——S点R点的距离，m； l ——接收点到声源的垂直距离，m。
起点处将1l=41.75、Ld=7.9代入式（7），得L=325m。终点处将1l=35.05、L d=7.9代入式（7），得L=256m。被保护区长度为300m。考虑多普勒效应对声屏障效果的影响，根据路线的实际状况，声屏障设置长度为638m。
4 结构设计 本项目位于福建省北部，路线走廊总体呈南北走向，年降雨量为1600mm左右，长年主导风为东南风。受台风影响，最大风力12级以上，风速达40.0m/s。 基本风压W0=0.7kN/m2，声屏障抗风压能力为404.6kg/m2。经计算，圆钢立柱选用锰钢直径325mm10mm,工字钢立柱选用40b的锰钢，底座钢板选用锰钢尺寸为500 mm 500 mm 20mm，设计容许应力：抗拉、抗压和抗弯系数为2160kg/cm2，抗剪力系数为1300 kg/cm2。 路侧声屏障设置混凝土基础及地梁，基础内预埋地脚螺栓、法兰盘，圆 6
钢、工字钢与法兰盘焊接，立柱内插装泡沫陶瓷吸声构件，并用压紧件固定，在基础与路基坡面相交处沿行车方向每隔3.19m设1道直径为10cm的泄水孔。 声屏障钢结构如立柱、板材构件、螺栓、螺母、焊接点的抗蚀层应符合GBJ17-88和GBJ18-87的规定。所有焊缝、焊接必须满足有关国家规范，不得出现脱焊和明显焊疤。吸声屏和立柱及预埋件需防锈处理，吸声屏腔内吸声材料应防潮、防风雨、防电。聚碳酸酯板与钢结构安装要采用10mm厚的橡胶密封连接，透明板的切割应按产品安装手册相应要求进行。整个声屏障不能出亮缝，以防止降低声衰减量。声屏障各连接处均应用密封垫圈和密封膏进行密封处理。
5 景观设计 声屏障在有效隔离交通噪声的同时，还应重视景观设计。充分选用景观设计手法，不仅可改变声屏障原本单调、枯燥、乏味的情调，而且还可掩盖声屏障带给人们视觉景观上的损害，使声屏障既有效地隔离了交通噪声，又成为道路上与周围环境融为一体的一道美丽的风景。根据国外20多年的发展趋势，道路声屏障的景观设计已被提高到与声学、结构设计同等重要的地位，并且作为整体设计不可缺少的组成部分。 在声屏障设计中，采用吸声泡沫陶瓷作为主体材料的降噪隔声屏障。吸声泡沫陶瓷是采用陶瓷原料及相应工艺制造而成的，具有开口孔隙率高、耐气候变化、抗腐蚀、抗热震等特点。 经反复比选，结合当地环境，声屏障的型式定为半吸收半反射式。下部吸声材料为泡沫陶瓷，厚度为50mm，上部反射板选用进口透明聚碳酸酯板，厚度为20mm(见图3)。声屏障整体平均吸声系数为0.45左右。声屏障以6.38m长为一设置单元。这种形式，既可达到消声隔音的目的，又能保持环境的透明度，不影响司机和乘客观察景物的视线。声屏障建成后预计降噪量为7～8dB(A)。
