声屏障技术在交通噪声治理中的应用

王艳雯

(上海交通设计所有限公司，上海 200135)

0 引 言

公路和桥梁作为重要的运输通道，对促进区域经济的发展具有重要作用。近年来，随着国家对基础设施建设的投资力度不断增大，我国路网交通的服务能力得到了很大提升。然而，随之而来的交通噪声污染严重影响着道路沿线居民的正常生活。在噪声超标的敏感区域，应优先考虑针对噪声源和传声途径采取降低噪声干扰的措施。声屏障作为主动降噪的工具之一，具有降噪效果好、施工便捷和投资费用可控等优点，广泛应用于需进行噪声治理的道路沿线。国内外的学者已在声屏障的声学性能、结构形式和材料类型等领域开展比较深入的理论应用研究。本文以某城市高架道路声屏障设计为例，在满足环保功能要求的基础上，对常见的几种声屏障在不同工程条件下的应用进行梳理，并总结相应的技术要求。同时，提出将绿色低碳技术引入声屏障的设计中，为以后声屏障的设计和优化提供参考。

1 常见的声屏障类型及其应用

目前工程中常见的声屏障主要有敞开式声屏障和全影型声屏障2种，其中：敞开式声屏障可分为直立式声屏障、直弧型声屏障和地面生态墙；全影型声屏障可分为半封闭全影型声屏障和全封闭全影型声屏障。

在工程项目中，可根据项目所处区域的交通状况(包括车流量、车速和车型等)、道路自身的参数(包括形式、高度、坡度和路面结构等)、沿线敏感建筑的形式和地形等因素确定选用何种声屏障。根据以往的噪声治理工程实践经验，公路或高架的交通噪声对敏感建筑的影响可归纳为以下几点：

1) 沿线临路建筑低层受高架与地面道路的综合影响；

2) 随着楼层的增加，受地面道路的影响逐渐变小，受高架的影响越来越大；

3) 沿线高层建筑高区受高架的影响大于受地面道路的影响。

根据上述噪声分布的特点，敞开式声屏障中的直立式声屏障和直弧式声屏障通常设置在临近高架的多层敏感建筑沿线。对于受高架与地面道路共同影响的多层敏感建筑，可根据噪声预测模型分析结果，结合环保要求，确认是否需补充地面生态墙措施。全影型声屏障是指在道路沿线设置门式刚架结构，将路面和车辆包围在内，其鸟瞰造型像一条“隧道”。这种声屏障形式可隔除直达声，有效降低声屏障覆盖空间内的混响，降噪效果显著,能取得20 dB的降噪效果[1]，适用于有高层密集建筑群的道路沿线。

2 工程概况

本文以某城市高架道路声屏障设计为例进行分析。该城市的高架快速路涉及高架、地面道路和匝道等多种道路形式。虽然主线高架的流量大于地面道路，但地面道路上的大车占比较高，且主线高架的高度多在9 m以上，加上地面道路与桥底之间的混响作用，沿线大部分敏感建筑的低楼层处受地面道路的影响普遍大于受主线高架的影响。沿线敏感建筑的高楼层受主线高架的影响普遍略大于受地面道路的影响，或与地面道路相当，其主要噪声源为主线高架与地面道路的综合影响。根据噪声防治措施的要求，该工程对主线高架采用声屏障措施，同时对部分路段的地面道路采取地面生态墙措施。

3 声屏障设计

3.1 高架直弧型侧屏设计

该工程高架段的直弧型声屏障设置在高架两侧防撞护栏顶部。在护栏顶部每隔2 m设置1个预埋件，预埋件与H型钢立柱采用锚栓连接。直弧型声屏障采用插屏模块式屏体设计，将屏体模块插入H型钢立柱两翼缘之间，采用强力金属弹簧片使屏体与钢立柱安全地连接在一起并固定，底部屏体下端采用下封板遮挡屏体与桥梁防撞护栏之间的空隙，保证密封和美观。屏体模块采用复合通孔吸声金属屏体与夹胶玻璃透明屏组合的方式设计。这样设计的优点是在保证声屏障具有良好的吸隔声效果的同时，使司乘人员能通过透明屏体眺望远处景观，缓解视觉疲劳，降低压抑感。该工程的声屏障颜色选用的是与邻近道路声屏障颜色相协调的青绿色，能与周边建筑景观的颜色相融合。为避免雨水裹挟沙尘顺着钢立柱冲刷防撞护栏外侧墙，形成雨帘，影响高架下方车辆的安全行驶，该工程在声屏障底部增设雨水导流板，先通过导流板将收集的雨水沿防撞墙内侧引入高架道路，再顺着道路纵向布置的排水系统将其有组织地排放至地面上的雨水收集井中。

3.2 全影型声屏障设计

根据噪声预测结果，部分距离高架道路较近的6层以上的敏感建筑受到的交通噪声干扰很大，对隔声降噪的要求很高。因此，该工程针对这部分敏感建筑对应的主线高架和匝道采用全影型声屏障。

3.2.1 建筑设计

全影型声屏障除了要满足降噪隔声的基本功能要求以外，其外观造型、色彩和装饰的选取要统筹考虑周边环境和司乘人员的感受，同时必须处理好消防、排烟等方面的问题。

该工程位于城市新兴商务区，周边建筑在风格上简约、现代。全影型声屏障的主体结构采用轻盈的钢结构，造型为双跨门式弧形钢拱架。声屏障的高度需结合其造型、道路净空、标志标牌、监控和照明设备等配套集成设计。在综合考虑上述因素之后，确定声屏障的最大高度为6.0 m，跨度与桥梁防撞护栏的间距一致，为27.7 m，跨中设置一道中柱，置于高架的路中分带上。屏体材料的选用需兼顾吸隔声效果、通透采光性能、耐老化性能、防眩光和防火等级等[2]。经比选，确定采用的声屏障材料方案是：两侧直立段采用底部复合通孔吸声屏+中间夹胶玻璃透光屏+上部复合通孔吸声屏;弯弧和顶棚采用中度磨砂透明PC(Polycarbonate)板;防火等级为 B1级。在顶棚中部开设1.2 m的通长口作为排烟带，当发生火灾时，利于烟气迅速排出。

该工程在外观造型上作了一些新的尝试。结构主刚架上2个相邻立柱的间距相比传统的2 m放大了1倍，缓解了常规结构体系中梁柱过于密集带来的堆积感。在钢梁腹板上等间距开设椭圆形造型孔，会给人通透的视觉感受。门刚结构中柱由常用的直立式造型调整为V字型圆钢斜撑造型，在保证结构安全可靠的前提下，丰富原本仅有纵横相交的梁柱空间。全影型声屏障采用灰色铝合金格栅勾勒出椭圆形图案，作为覆盖在声屏障外表面的装饰，同时在金属格栅上设置LED(Light-Emitting Diode)灯带，这样不仅能使声屏障与周边建筑简约、现代的装饰风格相协调，而且能使由椭圆图形串起的霓虹彩带成为这片区域一道靓丽的风景线。

3.2.2 结构设计

该工程位于上海市有密集建筑群的区域，基本风压取0.55 kN/m2,地面粗糙度为C类，结构安全等级为二级，建筑抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.1g，主体结构工作年限为50 a，不上人的屋面均布活荷载取0.5 kN/m2，不与雪荷载同时考虑[3]。

全影型声屏障为双跨门式刚架轻钢结构，以桥梁防撞护栏作为声屏障基础。主线单跨跨度为13.85 m，刚架间距为4.0 m。受防撞护栏顶面宽度的限制，刚架主柱采用下小上大的变截面焊接H型钢。目前常用的复合通孔吸声板的最大跨度为2.5 m，在刚架相邻主柱之间增设一道副立柱，将吸隔声板插入间距为2 m的主、副立柱之间，这样设置能满足吸隔声板的承载力和挠度要求。副钢立柱的高度与主钢立柱相同。门刚立柱的柱脚通过预先埋设在防撞护栏内的锚栓与桥梁结构连接；钢梁采用等截面型钢，通过高强螺栓与门刚立柱连接。檩条间距根据PC板铺设长度的要求控制在1.2 m左右，C型檩条通过檩托板与钢梁上翼缘连接。为保证声屏障结构整体的稳定性，提高刚架侧向刚度，有效传递纵向水平风荷载和地震力，在柱顶设置纵向通长系杆，在每个温度区段的三分点处设置柱间交叉支撑，柱间支撑的间距不宜大于50 m。此外，在屋面柱间支撑对应位置处设横向水平支撑。

全影型声屏障伸缩缝的位置应与桥梁结构伸缩缝的位置相对应，以适应结构温度变形。当设置的桥梁伸缩缝长度超过100 m时，应在刚架结构中部增设伸缩缝。伸缩缝两侧刚架立柱一般采用加宽近桥梁外侧处的翼缘，加宽量通常为50 mm。

声屏障设计宜与桥梁设计同步开展。标志标牌、监控和照明等设备的荷载需全面考虑，不能遗漏。声屏障预埋件需避让桥梁的各类预埋管线及其他附属设施的预埋件。桥梁结构需校核由声屏障荷载产生的桥梁附加竖向和横向荷载效应[4]。若需在既有的桥梁上增设声屏障，需对桥梁结构进行全面检测和安全性评估。

3.3 生态墙结构设计

经过现场实测，并采用环境噪声计算软件Cadna/A进行建模分析，对于受到高架与地面道路共同影响的多层敏感建筑而言，除了在高架上设置声屏障以外，还需在局部路段的地面设置生态墙。生态墙高度为7 m，为防止钢立柱浸泡在积水中或屏体被碰撞，同时为利于植物攀爬，生态墙底部1 m为混凝土连系梁，上部6 m为顶部带弯弧的直弧型金属屏体。生态墙的安装位置距离噪声敏感小区既有围墙仅0.5 m。常用的生态墙基础有天然基础、二桩承台基础和单排桩条形承台基础。该项目的生态墙所处区域地下管线密集，且紧贴小区围墙基础，无法大面积开挖。经比选，生态墙基础采用占地空间小且不会产生泥浆污水的单排桩条形承台基础，桩型为双拼H型，桩距与上部生态墙钢立柱的间距对应为2 m，桩长为12 m。对于生态墙钢立柱而言，需校核柱顶最大水平位移，该水平位移由风荷载作用下的桩顶位移和钢立柱位移2部分组成。风荷载作用采用风荷载设计标准值。弹性桩水平位移采用有限元分析方法计算。

4 光伏技术在声屏障上的应用展望

随着低碳环保概念的提出，声屏障工程除了注重建筑功能和结构设计以外，在绿色建筑和节能方面也做了一些探索。

当前光伏技术已日趋成熟，在建筑工程中得到了广泛应用，已有很多项目在幕墙上或屋顶安装太阳能电池板，通过将太阳能电池板与电网并联给建筑体供电。由于并网系统采用的供电方式是太阳能与公共电网协调供电，因此较为安全、可靠。同时，光伏发电系统还能将多余的电能存入电网，充分利用光伏系统所发电能，缓解用电高峰时电力紧张的情况。另外，光伏发电系统还具有无噪声、无污染物排放和不消耗燃料等特点[5]。目前研究人员正在探索将光伏科技应用到声屏障技术中，最近发布的《上海市能源发展“十四五”规划》也将光伏结合交通场站、交通枢纽、停车场和声屏障建设分布式光伏发电设施列入了“光伏+交通”专项工程板块。

全影型声屏障为满足功能需求，往往会横跨整条道路，是具有大跨度拱形屋面的建筑物。利用全影型声屏障屋面面积大、朝南侧直立段无遮挡且光照充足的特点，将太阳能光伏模块安装在拱形屋面和部分直立段侧墙上。声屏障在金属吸声板与光伏板的共同作用下，仍保有降噪隔声的效果。在夜间，通过光伏系统白天所发电能或市电带动LED灯为全影型声屏障提供夜间照明或补充自然光照的不足。

5 结 语

声屏障作为公路交通噪声治理方式之一，形式多样。在考虑声屏障降噪效果的同时，还需结合工程情况、环境融合、建筑安全和结构可行性等因素选择适当的声屏障形式。本文以某城市高架道路的声屏障设计为例，指出声屏障形式应根据道路周边敏感建筑形式、地形，以及受到的地面道路和高架道路的噪声影响选取。同时，建议将声屏障设计与桥梁等主体工程设计同步进行，对影响声屏障设计的各种技术条件进行全面考虑。随着声屏障措施得到广泛应用，很多设计理念和施工措施都在不断提升、优化。本文提出将当前在低碳环保方面研究出的一些新技术、新材料应用到声屏障技术中，这些探索的可行性还需作进一步的研究和论证，相关分析可供后续声屏障的设计和优化参考。