声环境敏感度高的道路声屏障优化设计与施工

邵明帅

(中海环境科技(上海)股份有限公司, 上海 200135)

0 引 言

在道路上加装声屏障是控制交通噪声的重要措施，近年来全封闭式声屏障已在道路改扩建项目中得到大规模应用。在实际施工过程中，如何提高声屏障的降噪效果，增强其防腐性能，并防止二次污染，是值得研究的问题。本文以声环境敏感度高的某沿海城市道路改扩建项目为例，对其采用的全影型声屏障进行介绍,阐述同类型声屏障的优化设计与施工,为后续类似的声屏障工程建设提供参考。

1 工程概况和主要优化内容

1.1 工程概况

该项目的道路设计全长约 1 092 m，双向四车道，设计车速为 40 km/h，车道宽为16 m，全线大部分采用桥梁形式。

敏感点为住宅楼,位于道路西侧，与该项目的最近距离为25 m，楼层有5～18层。根据前期设计规划，该项目在桥梁段设置907 m长的全影型声屏障，内部净空高度6.3 m，声屏障结构顶部高出防撞墙顶5.5 m，全封闭式声屏障跨度为15.7～16.9 m变跨径。全封闭式声屏障的隔声结构由带吸声面的金属吸隔声结构、夹膜双层玻璃和聚酯板组成。吸隔声构件的理论隔声量大于25 dB(A)。全封闭式声屏障的剖面结构见图1。

图1 全封闭式声屏障的剖面结构

1.2 主要技术参数和设计说明

1) 结构主要设计参数：屋面附加恒载(含檩条)为0.40 kN/m2；项目采用的基本风压(百年一遇)为0.50 kN/m2；基本雪压(百年一遇)为0.40 kN/m2；建筑抗震设防分类为丙类；建筑抗震设防烈度为6度；地震分组为第一组；场地类别为IV；地面粗糙度为B类；风压高度变化系数μz=1.13；阵风系数βgz=1.66；风荷载体型系数μs的取值见表1。从重要性的角度看，结构安全等级为二级，结构设计合理使用年限为50 a。

表1 风荷载体型系数μs的取值

2) 全影型声屏障主结构为门式刚架结构，以全钢结构作为主要的支撑受力框架，主线的跨度在15.7～16.9 m，单元跨距约为2.0 m。全影型声屏障边侧钢柱(HW250)的柱脚均通过高架桥防撞墩预埋锚栓与下部主体结构螺栓连接;同时,为保证结构的稳定性，下部主体结构垫板与预埋件钢板四边焊接。钢梁采用同规格的型钢与钢柱相连，檩条采用C160槽钢与钢梁或钢柱连接；为保证钢架的纵向稳定性，在立柱顶部和中部沿线路纵向设置纵向系杆和柱间支撑，在对应柱间支撑的位置处设置屋面斜撑。

3) 全影型声屏障两侧直立段的上部和下部均采用金属吸隔声屏，中部采用玻璃隔声屏；屏体均通过插装方式，用螺栓固定于钢架结构的HW型钢翼缘内，以方便后期更换和维护。顶部屋面全部采用聚脂板。

1.3 优化设计考虑的问题

1.3.1 提高全影型声屏障的降噪效果

在传统的声屏障安装过程中，屏体与立柱之间刚性接触会引发二次噪声，屏体与基础之间不密封易产生漏声问题，对于声环境敏感度高的区域而言，应着重考虑如何最大限度地降低二次噪声和漏声，以达到最佳的降噪效果。同时，由于敏感点位于道路西侧，距离道路较近，且为高层住宅，因此在采用自然排烟方式时，应针对性地考虑排烟带的设置，以降低开口对敏感点的噪声影响。

1.3.2 与景观融合，同时避免二次污染

全影型声屏障在满足交通、隔声、排烟和防火等功能要求的情况下，与周边环境和地段功能定位相融合。为融合环境景观，全影型声屏障顶部采用通透材料，增强声屏障的通透性，减轻声屏障带来的压抑感。同时，需考虑防止通透材料产生二次污染(光反射)等问题。

1.3.3 钢结构现场安装便利性

全影型钢结构的整体拼装优化设计应考虑总装工艺、运输条件、现场吊装环境和条件、工期节点等因素。由于该项目钢结构跨度较大(主线跨度15.7～16.9 m)，受运输和现场吊装条件的限制，不易做到工厂化整体加工之后现场一次性吊装就位，尽可能地在现场进行分段拼装；同时，由于现场施工工期紧，交叉施工作业多，施工场地有限，现场焊接拼装方式不仅工作量较大，而且工效慢，同时对焊接质量、现场防腐和高空作业的安全管控均有诸多不利影响，进而影响项目实施的进度、质量和安全。

1.3.4 沿海环境下的钢构件防腐问题

该项目东侧为钱塘江入海口，西侧为河道，受潮湿、盐雾和酸性介质的影响，整条道路的腐蚀性较强，根据ISO 12944-2:2017的环境分类，该项目所在地区的腐蚀种类为C3。设计要求主钢构防腐体系采用60 μm底漆+140 μm中间漆+80 μm面漆,在实际运输安装过程中存在不同程度的防腐层破损的问题，且防腐效果受运营维护的制约，易导致整体防腐效果不佳。

2 全影型声屏障优化设计

2.1 全影型声屏障降噪效果优化设计

2.1.1 屏体底部缝隙优化处理

在声屏障设计中，屏体底部与防撞墙顶面采用下封板的形式密封，但在实际施工过程中，受防撞墙误差、预埋件安装误差和钢结构安装误差等因素的影响，下封板与防撞墙无法做到密封，形成了漏声点。根据以往的经验，结合该项目的特点，在屏体与基础之间采用U型卡槽，在卡槽内填35 mm厚的48K离心玻璃棉，玻璃棉用憎水布包覆。卡槽与基础表面的间隙采用耐候密封胶密封，防止屏体底部漏声。图2为优化后的声屏障底部处理方案。

图2 优化后的声屏障底部处理方案

2.1.2 屏体与立柱柔性处理

在屏体与屏体之间和屏体与立柱之间均采用三元乙丙弹性密封条进行固定和密封，其硬度、拉伸强度、脆性温度和老化率等性能指标应符合设计的规定，实现相互之间的软连接，防止屏体产生二次结构噪声。

2.1.3 排烟带设置的优化

在设计中，为满足消防排烟要求，在全影型声屏障(全封闭式)顶部纵向通长设置1.0 m宽的自然排烟带，排烟带位置在远离敏感点背面一侧(见图3)。

图3 原设计排烟带方案

根据现场实际情况进行排烟口优化设计，保证排烟有效面积不小于声屏障建筑投影总面积的5%，由原通常设置1.0 m排烟带优化成间隔设置排烟口，排烟口大小为2 m×3 m，相邻排烟口间距不超过30 m，排烟口避免正对敏感点设置(见图4)。调整排烟口之后，可有效减少排烟带开口对敏感点的噪声影响。

图4 优化后排烟口的设置

2.2 防止顶部聚酯板二次光污染

该项目大面积采用了通透设计，除了立面部分采用夹层玻璃透光，顶部采用8 mm厚的聚酯板，整体与环境景观有机融合。但是，大面积采用通透板易带来二次光污染问题，尤其是在弯弧段部位。因此，在聚酯板选材上需兼顾通透性和减少反光的要求，选用单面磨砂聚酯板，磨砂板对光线有漫反射的作用，能使光线分布更均匀，光线穿透磨砂板之后更显柔和，衬托出温馨、雅致的气息。该项目中的聚酯磨砂板经过多次比对，采用中度磨砂，81%透光度，不仅能使其对居民区的反射光污染降至最低，而且能保证行车道光线的透射率，使反射光与透射光达到一个相对的平衡，取得较为理想的效果。图5为聚酯磨砂板光线反射和透射示意。

a) 反射 b) 透射

c) 聚酯磨砂板

2.3 钢结构制作和组装形式

全影型声屏障的钢结构安装是整个声屏障建造中最重要的一个步骤。门式刚架的现场拼装位置应根据总装工艺、运输条件、现场吊装环境和条件，遵从“避开应力集中点”的原则确定，根据类似全影型声屏障施工优化设计的经验，结合工程实际，钢立柱的屏体安装均采用插装方式，不用从钢柱顶部放入，主钢结构的现场拼装位置应设置在直立段与圆弧段交接处下方350 mm处，取消钢梁拼接点2，单侧只保留1个拼接点，即钢梁拼接点1，不仅能大大减少现场拼装工作量，而且有利于保证结构的稳定性(见图6和图7)。

图6 原设计预制构件拼装节点图

图7 现场构件安装图

2.4 防腐体系优化

由于地理位置的特殊性，该项目常年受潮湿、盐雾和酸性介质的影响，腐蚀性较强。因此，防腐工程是必须重点考虑的问题。

热镀锌是将除锈后的钢材浸入600 ℃的锌液中，使钢材表面附着锌层，根据阴极保护的原理，以点位较低的锌作为阳极，减缓钢构件的腐蚀，配合涂料涂层使用，能达到更好的防腐效果。考虑到该项目具有腐蚀性强的特点，且为市政公用设施，在防腐体系上将原有涂料防腐体系优化为“热镀锌+中间漆+面漆”的工艺，达到更好的防腐效果。

对于立柱底板与防撞墙的间隙，均需采用中立密封胶和砂浆填充，螺栓外露部分涂覆润滑脂之后加装尼龙螺栓防水帽，能有效防止锈蚀，增强结构的安全性,提升整体景观。

3 计算机建模对施工线性的技术指导

3.1 现场实际原始数据的收集

在采用计算机建模之前,需对项目所在地进行实地勘察;在制作产品之前，再次派测量人员到现场进行勘察和测量，根据现场预埋件位置对屏体尺寸进行复测，同时在测量过程中与业主和施工单位共同确定是否有需特殊处理的部位(如跨灯柱等位置的屏体形式)。顶部与底部预埋钢板标高测设必须按纵断面图和横断面图进行放样工作，必须在充分考虑坡道线型(是直线坡还是曲线坡)、两侧是否对称等因素的基础上选择调整量，并结合结构工程的特点和施工工艺方法进行测量和校对。

3.2 计算机辅助3D建模

全影型声屏障施工的最终成型效果主要取决于整条声屏障与道路线型是否紧密贴合且平滑顺畅,因此借助计算机建模辅助技术进行建模分析尤为重要。计算机辅助系统主要根据现场获得的事实数据，采用3D建模技术，基于模型三维可视化的特点，在前期进行数字虚拟拼装检查，优化工程设计，减少在施工阶段可能出现的错误，降低返工的可能性。现场管理人员可利用数字虚拟拼装优化之后的三维方案进行施工交底和施工模拟，减少非标准声屏障构件的生产和安装工程量，提高施工效率和施工质量，控制项目总体成本。图8为计算机辅助建模实例。

图8 计算机辅助建模实例

4 全影型声屏障施工实践效果

1) 钢结构为该项目最主要的框架结构，考虑到项目工期较短，通过对结构进行核算并改变屏体安装方式，钢结构拼装的节点具有可优化性，单跨钢结构由原来的4个节点减少为2个，大大提高了现场拼接的效率，不仅缩短了工期，而且使安全生产得到了保障。

2) 传统的声屏障项目大多位于城市市区，而该项目常年处于腐蚀性介质中，防腐工作尤为重要。通过设计优化，不仅对主钢结构增加了镀锌处理，而且对紧固件和施工间隙等进行了优化，整个声屏障项目得到了有效的防锈蚀处理，进一步提升了其使用年限和美观性。

3) 全影型声屏障顶部由大量聚酯板组成，聚酯板磨砂度的选择较为重要，稍有不慎就会造成声屏障二次污染(光反射)等问题。该项目在选择聚酯板时将理论与实际相结合，最终把光反射降至最低，很大程度上避免了后续居民投诉等一系列问题。

4) 全影型声屏障最主要的功能是隔音降噪，而该项目位于声环境敏感度高的区域，无论是在屏体底部加装U型卡槽内填胶体，还是在屏间张贴橡胶条，都是基于最大限度地隔音降噪这一个基本出发点采取的措施，尽量降低行车噪声外传对周边居民的影响。

5) 计算机辅助3D建模是将传统建筑的2D平面图、立面图和剖面图等立体可视化，除了带来工程图整合上的视觉便利性和建筑上的更加直观化以外，减少了与业主和建筑师之间的沟通时间，更能在工程施工之前直观地预览测量现场声屏障预埋件数据之后钢结构的三维图视效果和线形误差量，对图面问题作妥善的处理，实质性地提升声屏障项目的品质。经计算机辅助设计系统修正之后，运用数字化工具可有效减小这些误差。

5 结 语

本文以声环境敏感度高的道路全影型声屏障为研究对象，结合沿线降噪敏感点目标和现场实际情况，在原设计的基础上，通过优化设计，辅以计算机3D建模，科学化施工，增强了降噪效果，提升了防腐性能，大幅提高了施工效率，降低了施工风险，充分体现了该项目全影型声屏障的环保效果。