伸縮縫噪聲修正的高架橋交通噪聲預(yù)測(cè)方法實(shí)證分析

單華剛，林道錦，吳明龍，邱廷琦，王偉國，陳勁濤

(1.紹興市交通建設(shè)有限公司，浙江 紹興 312000； 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；3.成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司，成都 611430)

中國經(jīng)濟(jì)日新月異，汽車保有量迅速增長，城市交通擁堵問題十分突出，各大型城市逐步通過修建高架橋、快速路等來緩解交通擁堵。高架道路梁縫之間裝有伸縮裝置，車輛駛過會(huì)產(chǎn)生明顯的沖擊噪聲[1]，城市交通噪聲污染呈不斷惡化趨勢(shì)[2]，由此而產(chǎn)生的高架橋交通噪音污染問題是當(dāng)下城市發(fā)展的一大痛點(diǎn)。隨交通噪聲問題投訴增多，城市環(huán)境噪聲中道路交通噪聲環(huán)境評(píng)價(jià)得到重視[3-4]。為較好地解決噪音污染問題，需更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)交通噪音的大小。在《環(huán)境評(píng)價(jià)技術(shù)影響導(dǎo)則聲環(huán)境》規(guī)范中，采用公路(道路)交通運(yùn)輸噪聲預(yù)測(cè)模型[5](簡稱導(dǎo)則模型)預(yù)測(cè)高架及地面的復(fù)合式道路噪聲影響，與實(shí)際噪聲存在一定偏差[6]，不完全適用于城市高架橋梁道路噪聲預(yù)測(cè)[7]。因此，本文從實(shí)用性角度出發(fā)，提出了一種計(jì)算便捷且更符合實(shí)際工況的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法，供高架橋交通噪聲預(yù)測(cè)參考。

1 噪聲預(yù)測(cè)研究方法

目前高架道路中的交通噪聲評(píng)價(jià)研究方法主要有縮尺模型法、理論計(jì)算法、現(xiàn)場實(shí)測(cè)法、聲學(xué)軟件分析法?？s尺模型法造價(jià)昂貴，不可重復(fù)使用[8]，局限性較大；理論計(jì)算法計(jì)算工作量大；現(xiàn)場實(shí)測(cè)法對(duì)測(cè)量時(shí)段要求高，易受環(huán)境噪聲影響，短時(shí)間類難獲得噪聲情況。因此，本文選擇聲學(xué)軟件分析法進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)研究。

1.1 預(yù)測(cè)方法選擇

本文采用的聲學(xué)軟件內(nèi)置RLS90等多個(gè)模型，是國內(nèi)權(quán)威部門推薦使用的噪聲預(yù)測(cè)軟件[9]，并被專家學(xué)者所認(rèn)可。利用該軟件預(yù)測(cè)的公路、鐵路、小區(qū)環(huán)境噪聲水平與利用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則聲環(huán)境》規(guī)定的方法所得到的結(jié)果基本吻合[10-11]?？赡M各類地形、任意形狀建筑物、路面等，并可進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，預(yù)測(cè)出各種聲源的復(fù)合影響，適用于我國城市或區(qū)域環(huán)境噪聲的預(yù)測(cè)[12]。

1.2 噪聲預(yù)測(cè)思路

高架道路與地面道路的工況區(qū)別主要有：1) 高架上層道路本身可視為一個(gè)無限長、有限寬的聲屏障[13]，且邱廷琦等[14]認(rèn)為一面墻體每增加1/1 000的縫隙，隔聲量會(huì)減少1 dB。因此高架橋梁縫會(huì)漏聲，進(jìn)而增加噪聲輻射；2) 梁縫裝有伸縮裝置，車輛駛過時(shí)產(chǎn)生的沖擊噪聲將加劇噪聲的輻射；3) 高架橋兩邊有防撞護(hù)欄(一般為防撞墻)，對(duì)噪聲輻射有一定的屏蔽作用；4) 車橋耦合振動(dòng)[15]作用下會(huì)向周邊輻射低頻噪聲，而地面道路無此現(xiàn)象。本文因條件有限，不便測(cè)量該類低頻噪聲，對(duì)此不作具體分析；5) 橋下交通噪聲受橋底反射作用影響，對(duì)周邊聲環(huán)境產(chǎn)生一定影響；本文進(jìn)行實(shí)測(cè)的橋梁下方無道路，故本文分析時(shí)不建立地面道路模型，不考慮該影響。

綜上所述，本文提出的高架橋梁交通噪聲的預(yù)測(cè)方法及步驟為：1) 采用聲學(xué)軟件建立地面道路；2) 根據(jù)實(shí)際梁長建立橋梁道路并留出梁端縫隙用來模擬梁縫；3) 在行車道所在縫隙處設(shè)置點(diǎn)聲源模擬伸縮縫噪聲(其中點(diǎn)聲源源強(qiáng)可根據(jù)相近道路實(shí)測(cè)獲得)；4) 在橋梁兩側(cè)設(shè)置防撞護(hù)欄；5) 將所有路面參數(shù)及伸縮裝置點(diǎn)聲源參數(shù)代入模型；6) 在擬測(cè)點(diǎn)設(shè)置“receiver”；7) 由聲學(xué)軟件進(jìn)行疊加運(yùn)算并提取結(jié)果；8) 若可監(jiān)測(cè)環(huán)境噪聲，則將聲學(xué)軟件預(yù)測(cè)結(jié)果與環(huán)境噪聲疊加得出最終預(yù)測(cè)結(jié)果。

2 預(yù)測(cè)模型

本文所采用的技術(shù)路線如圖1所示。首先根據(jù)上述預(yù)測(cè)思路建立基礎(chǔ)預(yù)測(cè)模型，然后在模型中設(shè)置2處預(yù)測(cè)點(diǎn)：其一為橋面靠近伸縮裝置處，用于說明導(dǎo)則模型的預(yù)測(cè)結(jié)果存在更大的偏差及驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型中點(diǎn)聲源源強(qiáng)輸入的準(zhǔn)確性；其二為道路60 m外3樓窗戶處，用于驗(yàn)證預(yù)測(cè)方法的可行性。代入?yún)?shù)后，插入不同高度聲屏障進(jìn)行降噪計(jì)算并對(duì)比，從而分析預(yù)測(cè)方法的可行性。

因環(huán)境噪聲受實(shí)測(cè)條件限制，難以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，故本文不考慮將環(huán)境噪聲與模型預(yù)測(cè)噪聲進(jìn)行疊加運(yùn)算。楊陽等[16]的研究也表明，重型車駛過伸縮裝置時(shí)聲壓增大不明顯，進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)可主要關(guān)注小型車。因高架橋道路中基本為小型車，故預(yù)測(cè)時(shí)也不考慮重型車的影響。由于未考慮環(huán)境噪聲及重型車，道路外側(cè)預(yù)測(cè)點(diǎn)處的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值在聲壓值上會(huì)存在差別，所以對(duì)比分析時(shí)采用聲屏障的插入損失進(jìn)行比較。

2.1 建模

采用上述預(yù)測(cè)思路建立相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，如圖2所示。因依托工程實(shí)測(cè)橋段下方無地面道路，本文直接建立高架橋梁道路模型。車輛在行車道上通行時(shí)，車身一般處于車道中間，左右側(cè)車輪基本同時(shí)通過伸縮裝置，所以將伸縮裝置點(diǎn)聲源源強(qiáng)設(shè)置在行車道中心位置，距護(hù)欄外側(cè)約6 m，離路面高約0.2 m。道路伸縮裝置處預(yù)測(cè)點(diǎn)與點(diǎn)聲源橫橋向水平距離約2 m，且距路面高約0.5 m；3樓窗戶預(yù)測(cè)點(diǎn)距路面約60 m，且同橋面高度基本一致。

2.2 預(yù)測(cè)模型參數(shù)設(shè)置

在數(shù)值預(yù)測(cè)模型中，設(shè)置的相關(guān)道路及點(diǎn)聲源參數(shù)如表1所示。預(yù)設(shè)橋面距地面高約9 m，橋?qū)捈s11 m，布有2條間距約3.75 m的線聲源。根據(jù)實(shí)測(cè)車輛安排計(jì)劃，預(yù)計(jì)車輛900輛/h，設(shè)計(jì)車速取90 km/h，其等效聲源為晝間65.6 dB(A)。楊陽等[16]

圖1 技術(shù)路線

(a) 預(yù)測(cè)模型三維示意

(b) 聲學(xué)軟件總預(yù)測(cè)模型3D圖

認(rèn)為：A計(jì)權(quán)不適用于橋梁伸縮縫的結(jié)構(gòu)噪聲分析，因此采用對(duì)低頻噪聲沒有衰減的Z計(jì)權(quán)來獲得實(shí)際噪聲水平。為了獲取更精確的伸縮裝置噪聲值以便代入預(yù)測(cè)模型，測(cè)試并記錄了小型客車約以90 km/h駛過伸縮裝置時(shí)的Z計(jì)權(quán)噪聲值約為97.91 dB。聲學(xué)計(jì)算模型界面參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

表1 導(dǎo)則模型預(yù)測(cè)參數(shù)

(a) 道路基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

(b) 伸縮裝置點(diǎn)聲源參數(shù)設(shè)置

(c) 聲屏障參數(shù)設(shè)置

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

將表1的相關(guān)參數(shù)代入導(dǎo)則模型進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，具體公式參照文獻(xiàn)[5]，此處不再贅述，其預(yù)測(cè)噪聲結(jié)果為81.37 dB(A)。

利用2.1節(jié)所建立的數(shù)值預(yù)測(cè)模型，分別對(duì)2處預(yù)測(cè)點(diǎn)的噪聲值進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，伸縮裝置處的預(yù)測(cè)點(diǎn)主要對(duì)車輛駛過伸縮裝置的噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，60 m外3樓窗戶處預(yù)測(cè)點(diǎn)主要對(duì)無聲屏障降噪、1 m聲屏障降噪、2 m聲屏障降噪、3 m聲屏障降噪時(shí)的噪聲情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)值預(yù)測(cè)模型各預(yù)測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果 dB(A)

從表2結(jié)果可以看出：1) 數(shù)值預(yù)測(cè)模型參數(shù)設(shè)定后，聲屏障吸隔聲作用對(duì)路面伸縮裝置附近的預(yù)測(cè)點(diǎn)基本無影響；2) 聲屏障吸隔聲作用引起的噪聲插入損失，隨聲屏障插入高度增加而增大，但插入損失變化量逐漸趨于平緩，如圖4所示，這也說明為提高噪聲的插入損失量而盲目增加聲屏障插入高度的方法不可取。

3 交通噪聲實(shí)測(cè)

3.1 噪聲實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)測(cè)路段為諸暨市街亭鎮(zhèn)一段安裝有160型雙縫式降噪伸縮裝置的高速公路橋梁路段，實(shí)測(cè)點(diǎn)分別位于伸縮裝置處(非連續(xù)路面)、普通連續(xù)路面、約60 m外的建筑物3樓窗戶處。伸縮裝置及連續(xù)

路面處的實(shí)測(cè)點(diǎn)距路面高約0.5 m，靠近聲源且與聲源橫橋向水平距離基本一致(距車道中心線約2 m)；3樓窗戶處的監(jiān)實(shí)測(cè)點(diǎn)距車道中心線約60 m，高度與橋面高度基本一致，距地面高9.0 m。各實(shí)測(cè)點(diǎn)如圖5所示。

單位：m

實(shí)測(cè)中選擇小型車與重型車分別以80 km/h～90 km/h的速度駛過測(cè)試區(qū)域，測(cè)試過程中需記錄不同車型通過實(shí)測(cè)點(diǎn)時(shí)的噪聲值，各測(cè)試3次。其中60 m外3樓窗戶處實(shí)測(cè)點(diǎn)需測(cè)試無聲屏障降噪、1 m聲屏障降噪、2 m聲屏障降噪、3 m聲屏障降噪時(shí)的噪聲值。

3.2 實(shí)測(cè)及結(jié)果分析

現(xiàn)場實(shí)測(cè)如圖6所示，筆者處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，小型車駛過伸縮裝置時(shí)有明顯的聲壓變化，而重型車則沒有，這點(diǎn)同楊陽等[16]的研究結(jié)果一致。分析其原因主要為：1) 重型車輪胎直徑較大，胎面陷入縫隙的深度更小，進(jìn)而沖擊作用更小，引起的聲壓變化較??；2) 重型車發(fā)動(dòng)機(jī)引擎聲較大，難以辨識(shí)駛過伸縮裝置的沖擊噪聲。因此本文只對(duì)小型客車駛過時(shí)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，3個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的噪聲值整理結(jié)果如表3所示。

(a) 路面實(shí)測(cè)

(b) 60 m外3樓窗戶處實(shí)測(cè)

表3 小型客車交通噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果 dB(A)

從表3可知：1) 降噪伸縮裝置處的實(shí)測(cè)噪聲同普通連續(xù)路面實(shí)測(cè)噪聲相差不大，約1.5 dB；2) 插入聲屏障會(huì)引起噪聲插入損失，且隨聲屏障插入高度增加而增大，但也逐漸趨于平緩，如圖7所示。

圖7 插入損失量變化趨勢(shì)

4 預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

實(shí)測(cè)場地中聲屏障安裝進(jìn)度決定了60 m外3樓窗前實(shí)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)時(shí)間，因此實(shí)測(cè)時(shí)段間隔較大，進(jìn)而環(huán)境噪聲存在一定差距，對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果有一定影響。本文為了減少環(huán)境噪聲對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，不考慮將環(huán)境噪聲與預(yù)測(cè)噪聲值進(jìn)行疊加運(yùn)算，并且將安裝聲屏障后的插入損失作為分析對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)表2和表3的結(jié)果，計(jì)算出60 m處房屋3樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)噪聲插入損失和預(yù)測(cè)噪聲插入損失，結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4繪制插入聲屏障后實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)的插入損失變化，如圖8所示。

從表4可知：1) 不同高度聲屏障降噪后，實(shí)測(cè)插入損失量與預(yù)測(cè)插入損失量均存在2 dB～3 dB差值，主因是預(yù)測(cè)時(shí)未考慮重型車，而實(shí)測(cè)中有重型車，且重型車體型高于小型車、重型車的噪聲更大，噪聲更容易繞過高度一定的聲屏障而造成插入損失量存在一定差異；2) 伸縮裝置處的預(yù)測(cè)噪聲為82.7 dB，實(shí)測(cè)噪聲為84.21 dB，兩者相差約1.5 dB，差距較小，主因是預(yù)測(cè)模型中未考慮環(huán)境噪聲且未計(jì)入實(shí)測(cè)時(shí)重型車噪聲的影響，說明實(shí)測(cè)伸縮裝置噪聲作為點(diǎn)聲源源強(qiáng)參數(shù)代入數(shù)值模型的方法可行。

表4 實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)的插入損失情況 dB(A)

圖8 預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)插入損失對(duì)比

從圖8中可以看出：實(shí)測(cè)插入損失量與預(yù)測(cè)插入損失量的變化曲線比較接近，但預(yù)測(cè)插入損失線性變化趨勢(shì)的斜率稍大于實(shí)測(cè)插入損失線性變化趨勢(shì)的斜率，主因是聲屏障越高屏蔽作用越大，交通噪聲對(duì)60 m外窗前實(shí)測(cè)點(diǎn)處噪聲的貢獻(xiàn)值越小，而窗前實(shí)測(cè)點(diǎn)持續(xù)受到外部環(huán)境噪聲的影響，當(dāng)交通噪聲與環(huán)境噪聲疊加后，在窗前實(shí)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的實(shí)測(cè)插入損失變化趨勢(shì)，會(huì)比沒有考慮環(huán)境噪聲的預(yù)測(cè)插入損失變化趨勢(shì)適當(dāng)偏小。

由導(dǎo)則模型預(yù)測(cè)噪聲結(jié)果為81.37 dB，比降噪伸縮裝置實(shí)測(cè)值約低3 dB，甚至略低于連續(xù)路面實(shí)測(cè)值81.75 dB。分析其原因?yàn)椋?) 導(dǎo)則模型預(yù)測(cè)時(shí)未考慮環(huán)境噪聲導(dǎo)致預(yù)測(cè)值低于路面實(shí)測(cè)值；2) 導(dǎo)則模型計(jì)算時(shí)無法疊加伸縮縫噪聲導(dǎo)致其預(yù)測(cè)值遠(yuǎn)低于伸縮裝置實(shí)測(cè)值。因?qū)崪y(cè)條件限制，實(shí)測(cè)點(diǎn)安裝降噪伸縮裝置本身具有較好的降噪效果，其實(shí)測(cè)值同連續(xù)路面實(shí)測(cè)值僅差1.5 dB左右；若在裝有型鋼伸縮裝置的梁縫處實(shí)測(cè)，則導(dǎo)則模型預(yù)測(cè)誤差將會(huì)大于3 dB。

5 結(jié)論及建議

1) 導(dǎo)則模型不完全適用于高架橋梁等非連續(xù)橋梁路面的噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算，導(dǎo)則模型計(jì)算的聲壓與伸縮縫處的實(shí)測(cè)聲壓存在較大差距，在型鋼伸縮縫處的差距尤為明顯。

2) 高架橋梁道路上，小型車駛過伸縮裝置的聲壓變化比重型車明顯，對(duì)周邊的噪聲輻射影響也更大。建議在進(jìn)行伸縮縫噪聲治理時(shí)(尤其是城市高架橋道路)，重點(diǎn)關(guān)注小型車的降噪。

3) 在城市高架橋伸縮縫處建議使用降噪型伸縮裝置，可減少車輛駛過時(shí)的噪聲輻射影響。

4) 預(yù)測(cè)時(shí)，使用伸縮縫噪聲對(duì)橋梁路面交通噪聲進(jìn)行修正后，預(yù)測(cè)結(jié)果同實(shí)測(cè)結(jié)果相符。本文提及的預(yù)測(cè)方法對(duì)有大量伸縮裝置的橋梁路面交通噪聲預(yù)測(cè)是可行的，并且更為便捷。新建道路點(diǎn)聲源源強(qiáng)可依據(jù)同類道路實(shí)測(cè)得到，現(xiàn)有通車道路噪聲治理時(shí)通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)得到，實(shí)測(cè)建議采用Z記權(quán)采集方式。