- 相關(guān)推薦
輕軌橋架聲屏障優(yōu)化設(shè)計研究論文
【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函數(shù),以降噪要求為聲學約束,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)計在改善降噪性能和經(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意義。
【關(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、文教及工商業(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作用,在平坦道路行駛,當行駛速度達80ｋｍ/ｈ時,距離軌道10ｍ處的噪聲為80～90ｄＢＡ,設(shè)置聲屏障減弱輪軌噪聲干擾是目前有效的降噪措施。
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(6:00～22:00)時,行車一般以一小時為單位計劃,即測量時間取3600ｓ,則有:
�。蹋澹�=10ｌｇ(ＮＴｐ×100.1Ｌｐ/3600+10 0.1Ｌ Ｂ) (5)
式中,Ｔｐ———列車通過受聲點的平均時間,ｓ;
�。巍獪y量時間內(nèi)通過的列車數(shù);
ＬＢ———環(huán)境本底噪音,ｄＢＡ。
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,ｌ1=2.4ｍ;寬頂式聲屏障,1.7ｍ≤ｌ1≤2.4ｍ;若采用軌邊矮墻,ｌ1≥1.65ｍ。
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1.8～2.5ｍ,列車聲源高度在軌頂以上0.45ｍ[4],則有效高度ｈ≤2.1ｍ;軌邊矮墻的高度略高于車輪,輕軌輪徑一般小于0.9ｍ,因此,取有效高度ｈ≤0.55ｍ。同時考慮乘客的視覺舒適性要求和不應使其產(chǎn)生環(huán)繞感,即
(ｈ-ｈ′)/ｈ≤ｔａｎα (6)
�。�1/ｈ≥0.5 (7)
式中,ｈ′———乘客眼睛相對聲源的高度,距軌頂2ｍ;
α———允許的視線仰角,α≤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使列車噪聲繞過聲屏障兩端產(chǎn)生的損失大于繞射聲屏障頂端的損失10ｄＢＡ以上。聲屏障的端部長度ｌ′為[5]
4 聲屏障優(yōu)化設(shè)計分析
4.1設(shè)計變量的選取
�。�=[ｘ1,ｘ2,ｘ3]=[ｌ1,ｈ,ｌ] (10)
4.2 目標函數(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,應以建設(shè)成本為目標,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)。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Ｌ形為例,綜上所述,取式(11)、式(12)為目標函數(shù),盡可能降低成本。
直立式、寬頂式聲屏障的目標函數(shù)為
�。�(Ｘ)=(ｘ2+0.45+2.4-ｘ1)×ｘ3+0.8ｘ3 (11)
軌邊矮墻的目標函數(shù)為
�。�(Ｘ)=(ｘ2+0.45)×ｘ3+0.8ｘ3 (12)
4.3 約束條件
4.3 .1 降噪指標約束條件
聲屏障降噪指標應符合《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》(ＧＢ12525—1990)和《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》(ＧＢ3096—1993)相應的噪聲標準。即
ｇ(Ｘ)=Ｌｅｑ≤[Ｌｅｑ] (13)
式中,[Ｌｅｑ]———晝間等效聲級允許值,ｄＢＡ。
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70ｋｍ/ｈ時,距軌道3ｍ,高出軌頂0.5ｍ處的頻譜;受聲點取為距軌道30ｍ處,有效高度2.5ｍ。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)境噪聲應符合《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》Ⅰ類區(qū)域標準,晝間等效聲級應不超過55ｄＢＡ。環(huán)境背景噪聲取為50ｄＢＡ,為每小時25列,保護區(qū)長度取為2000ｍ,α取為45°,Ｔｐ為10ｓ。
由頻譜可算得Ｔｐ為78.42ｄＢＡ,Ｔｅｑ為66.92ｄＢＡ,滿足《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》晝間噪聲等效聲級70ｄＢＡ的規(guī)定,但不滿足Ⅰ類區(qū)域噪聲標準。
引用兩種普通設(shè)計方法與優(yōu)化設(shè)計方法對比。
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60ｍ,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。
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0.7ｍ,聲屏障長度遠不能滿足聲屏障的長度原則要求(應不小于2843.9ｍ),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723.9ｍ)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0.7ｍ,滿足降噪要求;
方案3,聲屏障頂部向聲源垂直方向靠近了0.147ｍ,在與方案2具有相同的降噪性能的情況下,比方案3經(jīng)濟性提高8.89%;
方案4,不能滿足降噪要求,最大降噪能力Ｌｐ為71.06ｄＢＡ,Ｌｅｑ為59.94ｄＢＡ。
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)境噪聲應符合《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》Ⅱ類區(qū)域標準,晝間等效聲級應不超過60ｄＢＡ。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,應首先考慮使用軌邊矮墻降噪,如果不能滿足降噪要求,再使用直立式或?qū)掜斒铰暺琳?形狀和尺寸應進行優(yōu)化設(shè)計。
2)優(yōu)化設(shè)計方法體現(xiàn)了聲屏障整體設(shè)計思想[1]:對聲屏障設(shè)置位置、高度和長度的綜合設(shè)計既滿足沿線區(qū)域降噪要求,又降低了建設(shè)成本;通過約束條件考慮了結(jié)構(gòu)和景觀設(shè)計的要求。因此,在實際設(shè)計中,應綜合考慮位置、高度、長度和橋上軌道結(jié)構(gòu)等各種因素,對設(shè)計變量變化范圍或目標函數(shù)進行調(diào)整,通過優(yōu)化設(shè)計得到經(jīng)濟適用的聲屏障設(shè)計方案。
3)隨著我國輕軌交通的快速發(fā)展,聲屏障工程數(shù)量多,所需費用大。通過對聲屏障優(yōu)化設(shè)計,能夠明顯提高降噪和經(jīng)濟性能,符合我國國情,有重要的實際意義。
參考文獻
1彭華,高亮,張鴻儒.城市軌道交通的振動和噪聲及其控制的研究[Ｊ].中國安全科學學報,2003,13(4):74～77
2馬大猷主編.噪聲與振動工程手冊[Ｍ].北京:機械工業(yè)出版社,2002:745～746
3 毛保華,姜帆,劉遷等.城市軌道交通[Ｍ].北京:科學出版社,2001:37～41
4 劉揚,溫志偉.城市軌道交通高架線路聲屏障降噪技術(shù)的研究[Ｊ].勞動保護科學技術(shù),1996,16(6):39～42
5 張新華,田新浩,劉達德.160ｋｍ/ｈ準高速鐵路橋梁聲屏障聲學設(shè)計[Ｊ].噪聲與振動控制,1999(1):31～34
6 焦大化,錢德生.鐵路環(huán)境噪聲控制[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,1990:260～262
7 蔣偉康,陳光冶,張繼萍.輕軌交通新型聲屏障技術(shù)[Ｊ].上海交通大學學報,2001,35(12):1879～1892
【輕軌橋架聲屏障優(yōu)化設(shè)計研究論文】相關(guān)文章：
基于NURBS的葉片優(yōu)化設(shè)計研究05-02
油田污水處理站自控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究論文04-29
優(yōu)化設(shè)計與設(shè)計階段造價控制的論文04-27
聲屏障控制范圍與附加長度的確定04-30
混合被動控制優(yōu)化設(shè)計及性能研究04-29
架紙橋作文04-10
電纜橋架規(guī)范04-30
架紙橋作文04-12
研究認知張力優(yōu)化課堂教學 論文04-30