高速铁路声屏障.pdf

高速铁路声屏障 秦建成 中铁第一勘察设计院集团有限公司, 西安 710043 摘要 提出我国高速铁路 铁路客运专线 声屏障主要结构形式和应有的性能。 重点分析高速列车气动力的形成、影响 因素、计算方法及其对声屏障的作用。 提出了高速铁路声屏障的设计要点及其对声屏障的设计建造的建议。 关键词 高速铁路; 声屏障; 高速铁路气动力; 脉动力; 疲劳强度 SOUND BARRIER OF HIGH -SPEED RAILWAY Qin Jiancheng China Railway First Survey and Design Institute Group, Xi an 710043, China Abstract The paper propose the main structure type and propertiesof sound barriers for high-speed railways in China. The ation of air dynamic pressure of a high-speed train, influence elements, calculate and the function for sound barrier have been analyzedin the paper.The design compendium of sound barrier of high speed railway and some suggestions on the design and constructing of sound barrier have been proposed in this paper. Keywords high-speed railway;sound barrier; air dynamic pressure of high-speed train; pulse force; fatigue strength 1 高速铁路声屏障 1. 1 声屏障的结构形式 普速铁路声屏障作为控制铁路列车运行噪声污 染周围环境的声学工程, 其降噪理论与实践已日臻成 熟。对于时速 200～ 300 km以上的高速铁路声屏障, 从理论研究到设计 、 制造 、 施工安装尚有一些问题值 得深入研究。 我国铁路客运专线 高速铁路 线路结构特点是 高架桥梁段与路基段并存 。因而声屏障也分为桥梁声 屏障与路基声屏障两种类型。声屏障的构造形式有插 板式和整体式两种。常用的结构形式为直立式, 折角 式 国外采用倒 L 型 ,顶部干涉型 ,内倾型,半封闭型。 组成高速铁路声屏障的声学构件为声屏障单元 板。制造单元板的材料主要有金属类 如铝合板、钢 板等 和非金属类 如透明材料板 、混凝土板 、 木屑混 凝土板等 。为加强降噪效果, 声屏障单元板多制造 成既有隔声性能 ,又具备吸声性能的构件。 声屏障的支撑构件采用H 型钢立柱或 H 型钢盘 混凝土立柱。 插板式声屏障由一系列单元声屏障组成 ,每个单 元声屏障由两端支撑立柱和镶装在立柱之间的声屏 障单元板组成。整体式声屏障由一系列立式单元板 组成, 单元板之间有橡胶作为弹性连接件 ,单元板底 部与基础牢固连接。 1. 2 声屏障的性能 高速铁路声屏障应满足以下的声学 、 力学和物理 性能 。 1. 2. 1 声学性能 1 隔声性能 。我国要求声屏障单元板的计权隔 音量 Rw ≥25 dB, 符合 TB T3122 - 2005铁路声屏障 声学构件技术要求及测试办法标准要求 。 国外 发达 国 家 铁 路 声 屏 障 计权 隔 音 量 为 ≥ 25 dB, 但对分频隔音量要求如表 1。 表 1 分频隔音量 频率 Hz计数隔音量 dB频率 Hz计数隔音量 dB 6361 00030 125122 00035 250184 00035 500248 00040 2 吸声性能。我国要求声屏障单元板的降噪系 数NRC ≥ 0. 7,符合TB T3122-2005 标准要求 。同时, 在高湿度、雨淋环境中, 其吸声性能不受影响。国外 发达国家铁路声屏障的降噪系数 ≥ 0. 77,其分频吸声 115 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 系数应达到表 2 所示值。 表 2 分频吸声系数 频率 Hz吸声系数 α频率 Hz吸声系数 α 630 . 131 0000 . 90 1250 . 302 0000 . 90 250 . 504 0000 . 80 5000 . 808 0000 . 80 1. 2. 2 力学性能 1 抗疲劳性能 。声屏障的单元板和支撑立柱在 列车运行所产生的列车风力, 即脉动力的作用下, 还 应计及脉动力与自然风力联合作用 ,经过数百万次往 复循环作用下, 不产生疲劳破坏。 2 抗冲击性能。声屏障单元板应能承受 30 1 J 能量冲击, 符合 JG149- 2003膨胀聚苯板薄抹灰外墙 保温系统中 6. 2. 2 所规定的抗冲击试验中的规定。 3 抗变形能力 。声屏障单元板抗变形能力以是 否发生功能障碍 、 残余变形或损坏为考核指标 ,其最 大弹性挠度不应超过 L 100 L 为单元板的最大自由 长度 ,残余变形不应超过 L 500 。 1. 2. 3 防火性能 防火等级应满足 GB8624 -2006建筑材料及制 品燃烧性能分级中规定的 B2级 。 1. 2. 4 防腐蚀性能 金属构件应具有防腐蚀性能, 在规定使用年限内 不产生腐蚀现象 。 1. 2. 5 抗冻融性能 声屏障金属和非金属构件, 应该在 -401 ℃ 条件下 ,冷冻8 h, 在 20 5 ℃恒温水中融16 h, 经此 30 次冻融循环后 ,不得有任何损坏现象。 2 列车运行气动力对声屏障影响分析 2. 1 列车气动力对声屏障的作用 高速列车运行时, 其周围空气被扰动形成列车 风。列车行经直立式声屏障时 ,由列车风引起对声屏 障水平向的气动力作用 若声屏障顶部为倒 L 型或折 角型 ,则顶部将受到垂直向气动力作用 。 列车驶过时 ,水平气动力对声屏障产生先正压, 后负压的动力首波, 随后产生先负压,后正压的尾波, 首尾波之间有较多的脉冲小波 , 首波的作用最强, 水 平气动力具脉动性。 实际上,列车头部到达声屏障某部位之前的几米 处,最大正压力即出现 , 当列车头部到达声屏障某部 位处后 ,经过约十分之几秒的短暂时间 , 压力立即从 正值变为负值 吸力 。这是由于列车阻塞位移效应 产生的,即高速可压缩气流进入列车与声屏障之间收 缩断面引起压力突降的结果。列车头部完全经过声 屏障某部位后, 脉动力变化平稳 ,脉动较小 。在列车 尾部则发生相反的现象, 脉动力从负压突变为正压。 声屏障在列车脉动载荷作用下 ,所受的力和弯距的方 向作反复循环变化, 对声屏障与下部基础的连接部件 及声屏障单元板产生重大影响 , 如其抗疲劳强度不 足,则会出现疲劳破坏现象。 2. 2 列车水平气动力的计算 列车水平气动力, 即脉动力的计算 ,可通过理论 分析和实际测量解决, 近年来, 国外已作出一些列车 脉动力的计算方法。我国对此尚处于起初阶段。 2. 2. 1 德国计算方法 WkCpCzρ V 2 2 kN m 2 1 式中 Wk 列车脉动力的特征值 ,kN m 2 ; Cp 综合压力系数; Cz 高度系数, 是声屏障高度与轨面以上 声屏障最大高度的比值 ; ρ 空气密度, kg m 3 ; V 列车速度, m s。 其中 综合压力系数 Cp取决于声屏障表面至邻近线路 中心线距离 a , 对于 a 3 . 8m的 Cp 3. 8 值已由实测 确定,则对于距离为 ag的 Cp值,由式 2 确定 Cp agCp3. 8 14. 5 ag0. 25 20. 116 2 2. 2. 2 英国计算方法 Pk ρ V 2 2 K1Cp1 kN m 2 3 式中 Pk 列车脉动力,kN m 2 ; ρ 空气密度 ,kg m 3 ; V 列车速度 ,m s; K1 列车形状系数; K11. 00, 货运列车; K10. 85, 旅客列车 ; K10. 60, 外形 流线化的高速列车 ; Cp1 声屏障表面至邻近线路中心线的距离 系数 ; 当 Y ≥2. 3 m时 ,Cp1由式 4 确定 ; Cp1 2. 5 Y 0. 25 20. 02 4 2. 2. 3 计算曲线 不同速度列车驶过对声屏障的脉动力经试验测 116 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 量获得一组曲线 ,可供计算查用 图 1 。 图 2 铁路声屏障的设计框图 下转第 30 页 2. 2. 4 列车脉动力的影响因素 试验研究和计算分析表明 ,高速列车脉动力在垂 直方向上, 沿声屏障高度的分布有一定的规律 ,即下 部压力值较大, 随高度而逐渐增大 ,压力值下降,接近 声屏障顶部压力值明显降低。 随列车速度增加, 脉动力呈平方趋势增加, 且为 主要影响因素。 声屏障表面至相邻线路中心线的距离对脉动力有 明显影响,此间距越小,脉动力变大,反之亦然 。此外 , 列车宽度的大小, 相当于改变了列车与声屏障之间的 空间范围,对脉动力的影响与上述间距的影响相同 。 图 1 列车驶过对声屏障产生的水平向气动力 117 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 负荷率,水力停留时间较短,因此所需池容大大缩小; 设备简单 ,运行方便 ,不需要充填填料, 也不需在反应 区内设机械搅拌装置 ,造价相对较低,便于管理,而且 不存在堵塞问题。对于好氧处理, 采用 SBR工艺, 有 效的抑制了污泥膨胀。在废水流量低于设计值时, SBR 系统可以调节液位计的设定值 ,使用反应池的部 分容积,或调节反应时间 ,从而避免了不必要的电耗。 SBR 净化过程通过自动控制, 劳动强度低, 处理费用 大大降低 。 在含铬废水处理阶段 ,严格控制中和沉淀池出水 中铬浓度 ,避免高浓度含铬进入生物处理构筑物抑制 微生物的活性。 UASB 反应器污泥床达到稳定所需时间较长, 进 水负荷过高、 过快容易造成系统冲击、 污泥流失,进水 负荷过小不利于污泥的快速增长与繁殖 ,因此需延长 启动时间 。实际运行过程中, 由于受生产淡季和旺季 的影响,水质、 水量都有较大的变化 ,因此应根据实际 情况调整各处理构筑物的运行条件 ,使出水最终达到 排放标准 。冬季气温较低时可增加 SBR池曝气量, 强化生物作用, 保证处理效果 。 3. 3 处理设施建成后对水环境的改善 本污水处理工程建成后很大程度地改善外排污 水的水质 ,各项污染因子均有较大幅度下降。按日处 理污水量2 000 m 3 , 年生产300 d计算, 对比污水处理 工程建成前后排入地面水系主要污染物及有机负荷 消减量 ,COD 由处理前1 926 t a减少到75. 6 t a, 减少 了96. 1,BOD5由处理前849 t a减少到44. 4 t a ,减少 约 94. 8, SS 由 1 519. 8 t a 减 少 到 75 t a, 减 少 95. 1, 总铬由20. 4 t a减少到0. 9 t a ,减少 95. 6。 4 结论 1 采用 UASB SBR 组合工艺处理皮革废水切实 可行,该工艺对 COD、BOD、SS 的去处率分别可达到 96. 1、94. 8、95. 1, 出水浓 度分别为 126, 74, 125 mg L ,出水水质稳定且达到 GB8978-1996 皮革 类二级标准 。 2 UASB 工艺负荷高、剩余污泥量少 ,厌氧活性污 泥可长期存放, 在停止运行一段时间后可迅速启动 。 3 该污水处理工程的建设 , 可减少污染物排放 量,减轻对受纳水体的污染 ,因而该工程对改善地面 水环境质量 ,做到经济增长与环境保护协调发展, 增 强企业竞争力有重大意义。该工艺设计也为类似废 水处理设计提供参考 。 参考文献 [ 1] GB8978-1996 污水综合排放标准, 皮革类二级标准[ S] . 北京 中国环境科学出版社, 1996. 作者通信处 吴俊峰 467044 河南平顶山市新城区 河南城建学 院环境与市政工程系 E -mail wjf8047163. com 2008- 11-24 收稿 上接第 117 页 3 声屏障的设计框图 高速铁路声屏障的设计包括声学设计、 结构设计 和景观设计三项主要内容 。在设计中还应重点考虑其 经济性 , 提高性价比, 以及制造、施工、安装等要求 。 图2表示声屏障设计框图 ,涵盖了设计中的基本内容 。 4 对高速铁路声屏障设计建造的建议 4. 1 关于声屏障的高度 现今我国客运专线声屏障 , 尤其是高架桥梁屏 障,考虑到桥梁承载能力和造价, 其高度一般定在列 车车窗高度 , 即轨面以上2. 05 m, 最高3. 05 m 。此种 高度使线路周围需要保护的某些噪声敏感点 区 ,将 不能达到应有的降噪值 。建议声屏障的高度应按环 境影响评价中所确定的高度设计建造, 而不宜采取统 一的高度 。 4. 2 关于高架桥梁声屏障的下延结构 高速铁路运行于高架桥梁线路时, 轮轨激励引发 高架桥梁结构振动, 从而产生桥梁二次声辐射 。因混 凝土梁固有频率低 ,辐射的低频传播距离远 ,难于控 制。对声屏障的降噪效果带来较大负面影响。建议 将高架桥梁声屏障设计成由根部向下延长的形式 ,延 长部分的尺寸以将混凝土梁覆盖为准,且下延的声屏 障内侧亦设吸声材料 。此种外延式桥梁声屏障在北 京市高架公路上得到应用 ,降噪效果十分明显 。 参考文献 [ 1] 中华人民共和国行业标准. 新建时速300～ 350 公里客运专线铁 路设计暂行规定 上、下 [ S] . 铁建设[ 2007] 47 号. [ 2] 中华人民共和国铁道部行业标准. TB T3122-2005, 铁路声屏障 声学构件技术要求和测试方法[ S] . 作者通信处 秦建成 710043 陕西 西安 中铁第一勘察设计院 集团有限公司 电话 029 82365965 E -mail q-jiancheng sina. com 2009- 06-04 收稿 30 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期