轻轨桥架声屏障优化设计研究.docx

轻轨桥架声屏障优化设计研究【摘要】随着城市轻轨建设的发展,交通噪声污染逐渐引起人们重视。在轻轨桥架两侧设置声屏障是控制轨道噪声的重要措施之一。声屏障的高昂成本往往是由不合理的设计参数造成的,通过对目前声屏障设计方法进行分析,提出了轻轨桥架声屏障优化设计方法。该方法以声屏障建造成本为目标函数,以降噪要求为声学约束,综合考虑设置位置、高度和长度等设计变量的影响;由列车噪声1/3倍频程频谱计算插入损失,提高了优化过程中插入损失的计算精度。该优化设计法与目前设计方法对比,验证了声屏障优化设计在改善降噪性能和经济性能方面的优越性。讨论了设计参数对成本和降噪性能的影响,并且对轨边矮墙的降噪性能进行了分析,所获的结论对声屏障和轨边矮墙设计参数与形状的选择具有指导意义。【关键词】轻轨交通;降噪;优化;声屏障;轨边矮墙1引言城市轻轨交通线路穿越市区,邻近居住、文教及工商业混杂区等噪声敏感区域的情况比较普遍,特别是高架线路噪声影响区域大,对沿线人们的工作、生活构成严重危害[1]。由于轨道结构隔振技术有效地降低或避免了结构的“二次噪声”,轮轨噪声在轻轨交通噪声中起主导作用,在平坦道路行驶,当行驶速度达80ｋｍ/ｈ时,距离轨道10ｍ处的噪声为80～90ｄＢＡ,设置声屏障减弱轮轨噪声干扰是目前有效的降噪措施。笔者针对目前声屏障经济性差(即声屏障成本昂贵)、设计参数不合理、插入损失计算精度低以及不适合优化计算等问题,按照列车噪声频谱计算总的插入损失;综合考虑声屏障设置的位置、几何尺寸和经济性等多种因素,以研究经济适用型声屏障为目的,提出了声屏障优化设计方法,并且对轨边矮墙的降噪性能及经济性进行了研究和分析。2声屏障声学设计2.1声屏障插入损失的计算计算声屏障插入损失常采用“无限长声屏障对无限长线声源“的计算方法[2],即2.2等效声级的计算因为轻轨交通系统列车运行速度、长度和辐射噪声级比较接近,轻轨交通系统营运时间主要集中在昼间(6:00～22:00)时,行车一般以一小时为单位计划,即测量时间取3600ｓ,则有:Ｌｅｑ=10ｌｇ(ＮＴｐ×100.1Ｌｐ/3600+100.1ＬＢ)(5)式中,Ｔｐ———列车通过受声点的平均时间,ｓ;Ｎ———测量时间内通过的列车数;ＬＢ———环境本底噪音,ｄＢＡ。3声屏障设置位置与尺寸设计3.1声屏障设置位置声屏障设置在桥架护栏处,由高架桥建筑限界[3],直立式声屏障,ｌ1=2.4ｍ;宽顶式声屏障,1.7ｍ≤ｌ1≤2.4ｍ;若采用轨边矮墙,ｌ1≥1.65ｍ。3.2声屏障高度设计由于建筑限界、观察、桥梁承重、环境协调等因素制约,高架轨道声屏障高度不宜超过轨顶1.8～2.5ｍ,列车声源高度在轨顶以上0.45ｍ[4],则有效高度ｈ≤2.1ｍ;轨边矮墙的高度略高于车轮,轻轨轮径一般小于0.9ｍ,因此,取有效高度ｈ≤0.55ｍ。同时考虑乘客的视觉舒适性要求和不应使其产生环绕感,即(ｈ-ｈ′)/ｈ≤ｔａｎα(6)ｌ1/ｈ≥0.5(7)式中,ｈ′———乘客眼睛相对声源的高度,距轨顶2ｍ;α———允许的视线仰角,α≤45°时,可减少乘客视觉疲劳。3.3声屏障长度设计声屏障的长度原则上应使列车噪声绕过声屏障两端产生的损失大于绕射声屏障顶端的损失10ｄＢＡ以上。声屏障的端部长度ｌ′为[5]4声屏障优化设计分析4.1设计变量的选取Ｘ=[ｘ1,ｘ2,ｘ3]=[ｌ1,ｈ,ｌ](10)4.2目标函数的确定声屏障成本往往成为设计成功与否的决定性因素。因此,应以建设成本为目标,尽量降低成本。声屏障的建设费用通常按照声屏障的面积和长度进行估算,材料费用占声屏障建设费用的45%,与长度相应的基础建设、排水等大约占35%[6]。由于道床不同轨顶距桥面的高度也不同,同时桥上人行道的高度也与声屏障建筑高度有关。因此,取声屏障建筑高度等于有效高度加上声源距轨顶高度。宽顶式声屏障以常用的倒Ｌ形为例,综上所述,取式(11)、式(12)为目标函数,尽可能降低成本。直立式、宽顶式声屏障的目标函数为Ｆ(Ｘ)=(ｘ2+0.45+2.4-ｘ1)×ｘ3+0.8ｘ3(11)轨边矮墙的目标函数为Ｆ(Ｘ)=(ｘ2+0.45)×ｘ3+0.8ｘ3(12)4.3约束条件4.3.1降噪指标约束条件声屏障降噪指标应符合《铁路边界噪声限值及其测量方法》(ＧＢ12525—1990)和《城市区域环境噪声标准》(ＧＢ3096—1993)相应的噪声标准。即ｇ(Ｘ)=Ｌｅｑ≤[Ｌｅｑ](13)式中,[Ｌｅｑ]———昼间等效声级允许值,ｄＢＡ。4.3.2其他约束条件主要包括声屏障和轨边矮墙的设计变量约束、不产生环绕感和视觉舒适性约束。5算例图2是轻轨列车噪声的频谱图[7]。图中折线表示列车70ｋｍ/ｈ时,距轨道3ｍ,高出轨顶0.5ｍ处的频谱;受声点取为距轨道30ｍ处,有效高度2.5ｍ。声波衰减按照线声源的衰减规律