李 明 华
(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056)
武汉市鹦鹉洲长江大桥全封闭声屏障设计
李 明 华
(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056)
根据声屏障声学原理，从建筑景观设计、结构设计、辅助设计等方面，探讨了武汉市鹦鹉洲长江大桥全封闭声屏障设计方法，并介绍了声屏障施工与维护措施，有效解决了高架道路交通噪声问题。
声屏障，桥梁，框架结构，吸声材料
1 工程概况
武汉市鹦鹉洲长江大桥位于武汉市中心城区，连接汉阳、武昌，是武汉市首座双向八车道长江大桥。跨江主桥为两主跨均为850 m的三塔悬索桥，引桥为30 m，35 m的小跨径预应力混凝土连续梁桥。汉阳岸引桥穿越世贸锦绣长江住宅楼段，为保障其小区居民正常生活环境，根据湖北省环境保护厅关于《武汉鹦鹉洲长江大桥工程环境影响报告书》的批复，汉阳岸引桥桥面设置长250 m全封闭声屏障[1-3]。2014年12月28日，武汉市鹦鹉洲长江大桥正式通车，该桥被广大市民誉为武汉市最美的长江大桥，其中汉阳岸引桥上“空中隧道”式全封闭声屏障也得到广大市民的一致称赞。
设置全封闭声屏障桥面为双向八车道，标准宽度为33.0 m，高架桥高10 m～18 m。全封闭式声屏障采用双跨门式钢架，顶部为大弧形，两侧上部为弧形过渡，两侧为垂直墙面，声屏障内净空高度大于5.0 m，并且在声屏障区域进入前一段道路上设置了限高标识，声屏障整体造型生动简洁。
2 声屏障声学原理分析及声学设计
声屏障主要工作原理[4,5]是利用障碍物阻挡声波的传播路径，使声波从噪声源传递到保护点的路径加长，从而达到减少噪声影响的目的。一般的声屏障结构形式有直立式和折臂式两种。直立式和折臂式声屏障都属于“墙式声屏障”。对于噪声敏感点和道路距离很近，高度很高的情况，一般“墙式声屏障”就无法覆盖整个建筑物，虽然有一种“干涉式”消声装置可以减少声影区外特定频率的噪声强度，但对属于多频率复合的交通噪声效果并不理想，因此采用墙式声屏障会导致建筑高层的敏感点噪声得不到控制。为了增加声屏障的声影区以覆盖整个高层建筑，就必须增加声屏障的“有效高度”，由于受结构高度和强度、安全等的限制，声屏障不可能无限加高。因此采用门架结构，在框架上安装吸隔声材料和透明材料组成的封闭声屏障便成为了解决高层建筑交通噪声防护的有效措施。全封闭声屏障整个框架都用吸隔声材料进行密封，密封可靠的情况下，降噪量可以达到吸隔声材料的隔声量，工程质量和材料质量好的时候可以将车辆降噪量降低到背景噪声以下，如从原来的75 dB降低到55 dB(一般城市背景噪声都不低于55 dB)。
武汉市鹦鹉洲长江大桥汉阳岸引桥穿越世贸锦绣长江住宅楼段，引桥两侧高层建筑需要噪声防护，因此需采用全封闭声屏障。全封闭声屏障的理论插入损失值可以达到25 dB以上。由于全封闭声屏障大部分噪声都无法透过屏障，如果不采用吸声材料，则声波在声屏障内部区域来回反射形成混响，道路内噪声会有明显增加，降低乘车和驾驶舒适性。因此全封闭声屏障内侧一般都安装有大量吸声材料。本工程声屏障顶部及两侧的吸声隔声屏体及采光隔声屏体的隔声量均大于25 dB，有效提高了全封闭声屏障的整体隔声效果。
3 声屏障建筑景观设计
目前全封闭声屏障在国际和国内都有不少应用，但由于道路和环境的特殊性，全封闭声屏障目前没有专门的标准，一般采用钢结构或建筑标准作为安全准则，再通过声学计算来确定声学结构，基本都是根据具体工程情况具体设计。本工程全封闭式声屏障采用顶部为大弧形的双跨门式构造，使整个声屏障造型融入到周边建筑景观中，成为一道城市风景，既解决了噪声问题，又增加了城市美感，一举多得。
本桥全封闭声屏障采用双跨门式钢架，顶部为大弧形，两侧上部为弧形过渡，声屏障框架由立柱、H型弧形钢横梁和纵向连接檩条组成，声屏障框架间分别铺设弧形透明隔声板和金属吸隔声板，整体造型生动简洁。声屏障两侧设置一定高度的不透明吸声板，有利于减少隧道内反射声混响，提高内部行车舒适度，同时可以减少夜间车灯强光对两侧居民的影响，特别是弯道处车灯光线直接射向外侧的居民楼，扰民现象比较严重。中部设置3 m高左右的不透明双面吸声板，既可以起到吸收噪声减少内部混响的作用，也可以起到车道中间防眩板的作用，一举两得。
4 声屏障结构设计
本工程全封闭声屏障的主结构采用轻型门式钢架结构。钢架结构置于引桥混凝土箱梁桥架之上，主钢架采用弧线H型钢型式，立柱为HW488×300×11×18，钢梁为HW488×300×12×18，立柱的标准间距为3.0 m。因在进行桥梁设计时，已考虑全封闭声屏障的荷载，全封闭声屏障不再另作基础设计，钢立柱直接与混凝土箱梁桥架上预埋的钢铰轴底座进行铰接连接，在安装过程中，应及时安装临时支撑，以防失稳。主框架采用Q345B热轧H型钢，铰链采用Q345B材料，销轴采用40Cr，其他钢材采用Q235B。金属复合吸声板由面板和背板组成，内部填充吸声材料和隔声材料。声屏障单元板和单元板之间，单元板和立柱之间，都设有橡胶条，具有抵抗伸缩变形、避免噪声泄漏和二次结构噪声的相应结构措施。考虑全封闭声屏障的耐久性，所有钢构件均热浸锌后再进行氟碳喷涂处理。
门式框架结构主要计算如下。
4.1 计算输入
桥位处基本风压0.35 kN/m2，基本雪压0.50 kN/m2，声屏障顶面活荷载标准值取值：0.5 kN/m2；施工或检修集中荷载取1.0 kN。设计基本地震加速度值为0.05g，特征周期为0.4 s。
4.2 结构要求
根据GB 50017—2003钢结构设计规范和《钢结构设计手册》，主框架属于墙架+主梁结合结构，变形规定和构造要求如下：支柱挠度不大于L/400=12.5 mm；柱间水平支撑挠度不大于L/1 000=3 mm；主梁挠度不大于L/400=40.625 mm；立柱和主梁长细比不大于150，其他支撑构件长细比不大于200。
4.3 计算结果
设计共进行了多种荷载工况的计算，计算结果表明，在各种工况下主框架变形及应力均满足设计要求。以下仅示工况恒载+最大风荷载+最大雪荷载的计算结果。
1)梁最大位移：11.75 mm，立柱最大位移：5.87 mm，满足上述挠度限值。2)最大弯曲应力67.07 MPa，最大剪切应力7.101 MPa，主框架钢材应力有富余。
5 声屏障的辅助设计
本工程全封闭声屏障设置区段长仅250 m，相对较长区段设置全封闭声屏障需考虑的废气温室效应、通风、紧急疏散、检修通道等问题比较容易解决。声屏障的辅助设计应重点解决防水、排水、自然采光、行车及安全等问题。
5.1 防水、排水
全封闭声屏障的覆盖面积为8 125.0 m2，其结构在使用一段时间后顶部肯定会有积灰现象。对于声屏障内部的积灰可以采用洒水车冲洗的方案，这要求声屏障内的吸声材料具有防水功能；对顶部的积灰可采取人工带水枪到顶面冲洗的方式清洗。同时，全封闭声屏障声学构件的安装方式中需考虑合理的排水构造，解决自然降雨或清洗时的排水问题。该工程排水设计主要在全封闭声屏障顶部两侧设置雨水收集装置，并用排水管连接至高架桥的排水系统。
5.2 自然采光
在全封闭声屏障两侧转角和顶部设置大面积的透明隔声屏障，可以给内部道路带来足够的光线，让行车视野更开阔，减少日间照明成本，同时减少声屏障区域内外的光照度差异，可以避免因人眼适应明暗变化延迟带来的行车安全隐患。
5.3 行车及安全
车辆行驶在全封闭式声屏障内部，因此必须考虑车辆的行驶条件和安全。全封闭声屏障上的声学构件必须具有可靠的连接，防止在外力作用下掉落。钢立柱应当设置于防撞护栏外，不能利用全封闭声屏障的框架结构作为防撞结构，避免车祸意外时影响整个结构的安全。同时，在全封闭声屏障顺桥向每30 m设1组钢立柱柱间支撑，防止主体结构连续失稳，即当其中一跨或几跨钢构被车辆意外破坏时，不会发生连续性的倒塌，最大限度减少事故损失。
6 施工和维护设计
全封闭式声屏障的施工过程是先安装钢构框架，采取工厂预制、现场拼装或拼焊的方式。为了保证封闭式声屏障工程的降噪质量，声屏障的吸隔声材料在安装时密封，用来封闭的声学构件和主体结构之间做到了安装方便、密封性好。
考虑到吸声材料的使用寿命很难和钢结构同寿命，考虑了声学构件的更换和维护条件。声学构件采用模块化设计，工厂生产后到现场进行简单的连接，安装或更换。
7 结语
全封闭式声屏障的设计没有专门的规范，它是一个跨学科的综合工程，包含了建筑、钢结构、环评、声学设计、道路交通规划、暖通、给排水等领域的知识。本项目设置区域为双向八车道、宽33 m的高架桥。在城市高架桥上设置如此大跨全封闭声屏障在国内尚无先例，设计方案经过了多方面的设计和调查，取得了预期的工程效果，必将在今后类似工程设计施工中得到大量推广和应用。
[1] 胡宏斌.城市快速路全封闭隔音隧道设计浅析[J].中国建材科技,2009(4)：69-72.
[2] 王庭佛，徐 剑.道路全封闭声屏障的实践[J].环境工程,2004(6)：50-53.
[3] 马 娜.上海轨道交通6号线全封闭声屏障工程设计[J].现代城市轨道交通,2010(5)：1-5.
[4] 陈继浩.隔声屏障结构声学模拟、设计与性能优化应用研究[D].北京：中国建筑材料科学研究总院,2009.
[5] 胡 薇.声屏障声学特性及其城市道路交通降噪效果研究[D].哈尔滨：东北林业大学,2014.
Design of fully enclosed acoustic barrier of Yangze River Bridge in Yingwu continent of Wuhan city
Li Minghua
(ChinaRailwayBridgeSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Wuhan430056,China)
According to acoustical principle of acoustic barrier, starting from aspects of building landscape design, structural design and aided design, the paper explores design methods of fully enclosed acoustic barrier of Yangze River Bridge in Yingwu continent of Wuhan city, and introduces acoustic barrier construction and maintenance measures, which effectively solves elevated road traffic noise problem.
acoustic barrier, bridge, framework structure, sound-absorbing material
1009-6825(2016)16-0170-02
2016-03-26
李明华(1972- )，男，教授级高级工程师
TU112.594
A
