專利名稱：聲屏障設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)保領(lǐng)域中降低道路噪音的聲屏障，具體地說是一種聲屏障設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著人們環(huán)保意識的日益加強，對降低道路噪聲的要求越來越高，因而聲屏障逐漸受到人們的重視，聲屏障的使用也日趨普遍。目前聲屏障設(shè)計的方法有很多，特別是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的設(shè)計方法均采用計算機來完成，比較著名的有德國Soundplan4.0和美國Stamin&Opinion等。但它們都是由專業(yè)化很強的操作界面組成的、模塊復(fù)雜的計算系統(tǒng)，對操作人員的專業(yè)背景和專業(yè)水平有相當(dāng)高的要求，軟件操作不易快速上手；同時，現(xiàn)有的設(shè)計方法功能少，使用不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種操作簡單、功能全面的聲屏障設(shè)計方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種聲屏障設(shè)計方法，其特征是它通過計算機處理得到聲屏障的外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)選取和風(fēng)載強度的相關(guān)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行保存和輸出，包括如下步驟1)通過數(shù)據(jù)輸入裝置向處于開始狀態(tài)的計算機輸入聲屏障的降噪目標(biāo)值及相關(guān)幾何參數(shù)，得到聲屏障的外形尺寸。降噪目標(biāo)值包括車輛等有效聲源高度、受聲點與路面高差、聲屏障距離近車道距離、距遠(yuǎn)車道距離和聲屏障距受聲點的水平距離；相關(guān)幾何參數(shù)包括各類車的參考能量平均輻射聲級、車流量、各類車的平均車速和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值。
2)通過聲屏障的外形尺寸選取聲屏障的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)。聲屏障結(jié)構(gòu)外形有多種，一般分為直立、直立弧形、全弧形、半封閉形、全封閉形、頂部帶吸聲圓筒形及混凝土生態(tài)形、木質(zhì)形等結(jié)構(gòu)。聲屏障的降噪材質(zhì)有多種，每個項目采用的降噪材質(zhì)需要根據(jù)不同天氣氣候、空氣環(huán)境、道路等級、道路類別、降噪目標(biāo)、噪聲頻譜等工程及現(xiàn)場狀況確定，通常包括復(fù)合材料、纖維材料和彩鋼夾芯板。
3)輸入聲屏障使用地的風(fēng)載資料及聲屏障安裝部件的應(yīng)力資料，結(jié)合聲屏障的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)得到聲屏障風(fēng)載強度的數(shù)據(jù)。風(fēng)載資料包括風(fēng)振系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)和地區(qū)基本風(fēng)壓；聲屏障安裝部件包括鋼立柱、螺栓和預(yù)埋件。
4)將得到的風(fēng)載強度數(shù)據(jù)與安裝部件的數(shù)據(jù)允許值進行比較，不超出允許值即整體抗風(fēng)強度合格，否則回到步驟2)，重新確定聲屏障的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)。
5)將以上得到的整體抗風(fēng)強度合格的聲屏障外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)選取、風(fēng)載強度數(shù)據(jù)進行保存并通過輸出裝置輸出，設(shè)計出合格的聲屏障。
本發(fā)明中，為方便聲屏障的設(shè)計和施工，更好地節(jié)約成本，利用步驟5)保存的數(shù)據(jù)，可以對整個聲屏障安裝工程的總費用進行估算。
本發(fā)明可以按照步驟5)保存的結(jié)果進行道路環(huán)境聲場模擬，繪制道路兩側(cè)聲場的等聲級曲線，通過環(huán)境聲場模擬可以看出安裝聲屏障后的降噪效果。
為更好地觀察安裝聲屏障前、后噪聲的變化情況，在步驟1)前，可以對需要設(shè)置聲屏障的場所進行聲場預(yù)測，輸入該路面各點坐標(biāo)、高程、坡度、車輛數(shù)、車速、地面反射系數(shù)、遮蔽系數(shù)和受聲點坐標(biāo)，模擬出道路兩側(cè)地區(qū)的聲環(huán)境情況，繪制等聲級曲線圖。再利用步驟5)保存的結(jié)果進行安裝聲屏障后的道路環(huán)境聲場模擬，繪制道路兩側(cè)聲場的等聲級曲線。通過比較得到噪聲的變化情況。
本發(fā)明針對道路聲屏障設(shè)計中的具體問題，用操作簡單、界面友好的設(shè)計模塊輔助設(shè)計者完成聲屏障高度和長度的理論計算、結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)的選擇、聲場模擬、聲屏障效果預(yù)測、風(fēng)載強度校核等復(fù)雜過程。為降低對使用者專業(yè)化程度的要求，本發(fā)明采用向?qū)浇缑?，逐步引?dǎo)操作者輸入必要的參數(shù)完成各部分的設(shè)計、計算工作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明操作簡單、功能全面。
四

附圖是本發(fā)明的流程圖。
五具體實施例方式
利用本發(fā)明所述的聲屏障設(shè)計方法，使用Visual Basic6.0編寫軟件。道路聲屏障高度、長度理論計算中，算法以《噪聲與振動控制工程手冊》(馬大猷主編)中的理論計算方法為標(biāo)準(zhǔn)，使用VB6.0編譯實現(xiàn)。道路聲屏障結(jié)構(gòu)形式與材質(zhì)選擇時，首先建立聲屏障結(jié)構(gòu)形式與材質(zhì)的數(shù)據(jù)庫，加以分類。對應(yīng)于各種道路條件與周邊環(huán)境，提供詳實的聲屏障結(jié)構(gòu)形式與材質(zhì)的選擇參考。聲場預(yù)測，參考FHWA(美國聯(lián)邦高速公路署)公布的交通噪聲預(yù)測及隔音墻設(shè)計模式(3.0版)進行編程，內(nèi)建小、中、大型車和特種車的噪聲資料(適用于內(nèi)地)，輸入路面各點坐標(biāo)、高程、坡度、車輛數(shù)、車速、地面反射系數(shù)、遮蔽系數(shù)、受聲點坐標(biāo)及高程等，模擬出道路兩側(cè)地區(qū)的聲環(huán)境情況，繪制等聲級曲線圖；同時輸入聲屏障位置、高度、長度、結(jié)構(gòu)等特性，模擬出加裝聲屏障后道路兩側(cè)地區(qū)的聲環(huán)境情況，繪制等聲級曲線圖。工程費用估算，內(nèi)建多個已有項目的費用資料，輸入聲屏障的建造高度、長度，對整個工程造價加以估算。抗風(fēng)強度計算校核，調(diào)用Ansys7.0，通過輸入聲屏障結(jié)構(gòu)特性與地面風(fēng)壓等基礎(chǔ)資料，計算比較設(shè)計是否符合安全技術(shù)要求，計算螺栓受到的剪切應(yīng)力是否超出結(jié)構(gòu)設(shè)計允許值。
使用本發(fā)明的設(shè)計方法，結(jié)合聲屏障實際工程進行檢驗驗證，該工程是京滬高速公路沂淮段嶂蒼村小學(xué)、嶂蒼村段聲屏障設(shè)計項目，該項目由江蘇省交通科學(xué)研究院2002年組織完成方案設(shè)計和施工圖設(shè)計。
路段概況京滬高速公路沂淮段北起新沂市與山東省交界處，路線向南經(jīng)新沂市、沭陽縣、淮陰縣，在淮陰縣東北接上先期建設(shè)的淮江高速公路，路線全長106.917km。道路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用全封閉、全立交的四車道高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度120km/h，路基寬度28.0m，荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車-超20，掛車-120。
敏感目標(biāo)概況該路段經(jīng)過嶂蒼村和嶂蒼村小學(xué)，居民房屋比較集中，離高速公路較近，距高速公路中心線30米，根據(jù)噪聲現(xiàn)場監(jiān)測，晝間噪聲平均超標(biāo)《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096-93)2類標(biāo)準(zhǔn)9.0dB，嶂蒼村總?cè)藬?shù)3400人，第一排房子總戶數(shù)為98戶。嶂蒼村小學(xué)位于公路南側(cè)，樁號K4+450～K4+678；嶂蒼村位于公路北側(cè)，對應(yīng)樁號K4+372～K4+534。
聲屏障高度設(shè)計1.地面段輸入?yún)?shù)降噪目標(biāo)值13dB(A)，車輛等效聲源高度1.0米，受聲點與路面高差3.5米，聲屏障距離近車道距離5.0米，距遠(yuǎn)車道距離20.0米，聲屏障距受聲點的水平距離30米。
經(jīng)本發(fā)明計算后，得出地面段聲屏障高度3.2米，該段實際工程中考慮聲屏障屏體制作及未來車流量有增大等因素，方案采用聲屏障設(shè)置高度總高為3.4米。
2.分離立交段據(jù)方案介紹，敏感目標(biāo)所處路段有一座長38米的分離式立交橋，橋的波形防撞護欄高680mm。
輸入?yún)?shù)降噪目標(biāo)值13dB(A)，車輛等效聲源高度1.0米，受聲點與立交路面高差6.5米，聲屏障距離近車道距離5.0米，距遠(yuǎn)車道距離20.0米，聲屏障距受聲點的水平距離30米。
經(jīng)本發(fā)明計算后，得出分離立交橋段聲屏障高度2.5米，而在該項目實際聲屏障工程設(shè)計中考慮設(shè)計余量確定聲屏障建設(shè)高度為2.7米。
聲屏障長度設(shè)計嶂蒼村小學(xué)位于公路南側(cè)，樁號K4+450～K4+678；嶂蒼村位于公路北側(cè)，對應(yīng)樁號K4+372～K4+534。
輸入下列各項參數(shù)各類車的參考能量平均輻射聲級，車流量、各類車的平均車速、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值等參數(shù)可以計算出聲屏障長度設(shè)計需要延伸的長度。
經(jīng)計算聲屏障延伸長度，得出聲屏障長度設(shè)置方案為嶂蒼村小學(xué)段處于公路南側(cè)，聲屏障建設(shè)長度推薦樁號為K4+398～K4+730；嶂蒼村段處于公路北側(cè)，聲屏障建設(shè)長度推薦對應(yīng)樁號K4+304～K4+602。通過與該段聲屏障設(shè)計方案比較驗證，本發(fā)明中聲屏障建設(shè)長度設(shè)計方法是適用于實際工程設(shè)計的。
聲屏障結(jié)構(gòu)外形設(shè)計聲屏障結(jié)構(gòu)外形有多種，一般分為直立、直立弧形、全弧形、半封閉形、全封閉形、頂部帶吸聲圓筒形及混凝土生態(tài)形、木質(zhì)形等結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明的方法，設(shè)計時根據(jù)各項參數(shù)的選取，完成后就形成了建議采取的聲屏障結(jié)構(gòu)形式，有兩種倒L不透明形和直立弧形不透明形。在項目方案設(shè)計中采用了直立弧形不透明形聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計，該形式降噪效果好，且處于景觀性要求不是很高的鄉(xiāng)村地區(qū)。經(jīng)過驗證，本發(fā)明的聲屏障設(shè)計方法完全能夠達(dá)到聲屏障設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。
聲屏障降噪材質(zhì)選取聲屏障的降噪材質(zhì)有多種，每個項目采用的降噪材質(zhì)需要根據(jù)不同天氣氣候、空氣環(huán)境、道路等級、道路類別、降噪目標(biāo)、噪聲頻譜等工程及現(xiàn)場狀況確定。
應(yīng)用道路聲屏障設(shè)計軟件中降噪材質(zhì)模塊，對京滬高速公路嶂蒼村及嶂蒼村小學(xué)段聲屏障進行降噪材質(zhì)選取，得出適應(yīng)該條件下的聲屏障降噪材質(zhì)，有三種復(fù)合材料、纖維材料、彩鋼夾芯板。在實際使用中，該項目采用了彩鋼夾芯板材料，這種材料價格相比于其他金屬材料價格便宜，且降噪效果較好。
聲屏障建設(shè)費用估算聲屏障建設(shè)費用包括直接費用、安裝費、管理費、利潤、稅金五部分，聲屏障直接費用即是聲屏障各構(gòu)件所用材料費用的總和，其它費用由直接費用乘相應(yīng)的系數(shù)得出，所以計算出聲屏障直接費用就可以估算出聲屏障工程建設(shè)費用。
采用本發(fā)明的設(shè)計方法，進行費用估算1.高架部分高架部分聲屏障建設(shè)費用估算為12.66萬元。
2.地面部分地面線部分聲屏障建設(shè)費用估算為107.3萬元。
3.聲屏障建設(shè)費用估算將高架部分和地面部分經(jīng)過道路聲屏障設(shè)計軟件計算的聲屏障建設(shè)費用估算值相加得到聲屏障建設(shè)費用總的估算值。
所以聲屏障建設(shè)費用估算為107.3+12.66＝119.96萬元。同時考慮到邊坡維護費用及其他費用共26萬元，所以工程整體費用為119.96+25＝144.96萬元。
經(jīng)過驗證，道路聲屏障設(shè)計軟件計算出的聲屏障建設(shè)費用與京滬高速公路嶂蒼村及嶂蒼村小學(xué)段聲屏障建設(shè)方案中費用估算基本一致，本發(fā)明設(shè)計方法計算準(zhǔn)確。
聲屏障工程驗證總體結(jié)果根據(jù)京滬高速公路嶂蒼村及嶂蒼村小學(xué)段的聲屏障實際工程，采用本發(fā)明所述的聲屏障設(shè)計方法進行驗證計算，計算結(jié)果與該聲屏障工程實際使用方案一致。利用本發(fā)明簡化了聲屏障設(shè)計過程的繁瑣計算，完全達(dá)到聲屏障科學(xué)設(shè)計的目的，將本發(fā)明應(yīng)用于道路聲屏障建設(shè)過程中，對聲屏障的建設(shè)及其設(shè)計技術(shù)的發(fā)展有促進意義。
京滬高速公路嶂蒼村及嶂蒼村小學(xué)段的聲屏障實際工程與用本發(fā)明設(shè)計方法得到的聲屏障各項參數(shù)對比，見下表

抗風(fēng)設(shè)計計算與結(jié)構(gòu)力學(xué)校核
聲屏障設(shè)計過程中需要充分考慮聲屏障的抗風(fēng)性與結(jié)構(gòu)安全性，因此設(shè)計過程中需進行抗風(fēng)及力學(xué)的校核。
設(shè)計計算的規(guī)范采用中華人民共和國建設(shè)部頒發(fā)的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計載荷確定是根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》(GB50009-2001)垂直建筑物表面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk計算公式Wk＝βz×μs×μz×W0式中βz-風(fēng)振系數(shù)μs-風(fēng)荷載體型系數(shù)μz-風(fēng)壓高度變化系數(shù)W0-地區(qū)基本風(fēng)壓設(shè)計允許的強度主要考慮鋼材的彈性模量Es和允許應(yīng)力τ。
需要輸入的參數(shù)見下表

模塊應(yīng)用的計算公式如下(1)P＝Wk·lx(2)My＝0.5P·ly2，My為立柱末端彎矩(3)Z＝My/2Sx，(4)τ＝Z/F，F(xiàn)為螺栓截面積，τ為螺栓受到的應(yīng)力(5)A＝Лd2(6)A＝4F(7)Q＝2Ph，Q是螺栓受到的剪切力(8)τ剪切應(yīng)力＝Q/A
經(jīng)過計算得出法蘭螺栓受到的應(yīng)力與應(yīng)力允許值比較得出設(shè)計是否符合結(jié)構(gòu)安全技術(shù)要求，計算螺栓受到的剪切應(yīng)力與允許值比較得出是否符合結(jié)構(gòu)要求。同時若經(jīng)過計算設(shè)計不符合結(jié)構(gòu)安全要求時，本發(fā)明將計算出能夠符合結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的優(yōu)化方案。
附圖是本發(fā)明所述聲屏障設(shè)計方法的流程圖，說明如下聲屏障設(shè)計包括聲屏障高度計算、聲屏障長度計算、聲屏障結(jié)構(gòu)形式選擇和聲屏障材質(zhì)選擇。為及時方便地對設(shè)計方案效果加以評價，本發(fā)明方法增加了聲場模擬的過程，繪制道路兩側(cè)聲場的等聲級曲線，能很方便的對比加裝聲屏障前后聲場的變化情況；聯(lián)系工程應(yīng)用實際，本發(fā)明方法增加了工程費用估算的過程。
步驟1是初始動作，啟動計算機。步驟2、3為并列模塊，步驟2通過輸入聲屏障的降噪目標(biāo)值及相關(guān)幾何參數(shù)，完成聲屏障高度的理論計算；步驟3通過輸入聲屏障所處區(qū)域的聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值及敏感目標(biāo)長度等參數(shù)，完成聲屏障長度的理論計算。步驟4、5為并列模塊，步驟4進行聲屏障的結(jié)構(gòu)形式選擇，步驟5進行聲屏障的材質(zhì)選擇。步驟6輸入聲屏障所處地區(qū)的風(fēng)載資料及鋼立柱、螺栓、預(yù)埋件等的應(yīng)力資料，以進行步驟7的聲屏障總體抗風(fēng)強度的校核。步驟8把步驟7算出的鋼立柱、螺栓、預(yù)埋件等所承受的應(yīng)力、彎矩、扭矩等數(shù)據(jù)與允許值進行比較，不超出允許值即整體強度合格，否則回到步驟4、5，重新確定聲屏障的結(jié)構(gòu)形式和用材。步驟9將步驟2至7得到的結(jié)果保存為文檔格式，方便打印輸出。步驟10按照步驟9保存的結(jié)果進行聲場模擬，繪制道路兩側(cè)聲場的等聲級曲線。步驟11按照步驟9保存的結(jié)果對整個聲屏障安裝工程的總費用進行估算。步驟12為結(jié)束狀態(tài)。
在利用本發(fā)明設(shè)計聲屏障前，對需要設(shè)置聲屏障的場所進行聲場預(yù)測，輸入該路面各點坐標(biāo)、高程、坡度、車輛數(shù)、車速、地面反射系數(shù)、遮蔽系數(shù)和受聲點坐標(biāo)，模擬出道路兩側(cè)地區(qū)的聲環(huán)境情況，繪制等聲級曲線圖。對比加裝聲屏障前后聲場的變化情況，可以看出安裝聲屏障后的降噪效果。
權(quán)利要求
1.一種聲屏障設(shè)計方法，其特征是它通過計算機處理得到聲屏障的外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)選取和風(fēng)載強度的相關(guān)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行保存和輸出，包括如下步驟1)通過數(shù)據(jù)輸入裝置向處于開始狀態(tài)的計算機輸入聲屏障的降噪目標(biāo)值及相關(guān)幾何參數(shù)，得到聲屏障的外形尺寸；2)輸入聲屏障所處地域資料，并根據(jù)聲屏障的外形尺寸選取聲屏障的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)；3)輸入聲屏障使用地的風(fēng)載資料及聲屏障安裝部件的應(yīng)力資料，結(jié)合聲屏障的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)得到聲屏障風(fēng)載強度的數(shù)據(jù)；4)將得到的風(fēng)載強度數(shù)據(jù)與安裝部件的數(shù)據(jù)允許值進行比較，不超出允許值即整體抗風(fēng)強度合格，否則回到步驟2)，重新確定聲屏障的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)；5)將以上得到的整體抗風(fēng)強度合格的聲屏障外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)選取、風(fēng)載強度數(shù)據(jù)進行保存并通過輸出裝置輸出，設(shè)計出合格的聲屏障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲屏障設(shè)計方法，其特征是利用步驟5)保存的數(shù)據(jù)，對整個聲屏障安裝工程的總費用進行估算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲屏障設(shè)計方法，其特征是按照步驟5)保存的結(jié)果進行道路環(huán)境聲場模擬，繪制道路兩側(cè)聲場的等聲級曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲屏障設(shè)計方法，其特征是在步驟1)前，對需要設(shè)置聲屏障的場所進行聲場預(yù)測，輸入該路面各點坐標(biāo)、高程、坡度、車輛數(shù)、車速、地面反射系數(shù)、遮蔽系數(shù)和受聲點坐標(biāo)，模擬出道路兩側(cè)地區(qū)的聲環(huán)境情況，繪制等聲級曲線圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲屏障設(shè)計方法，其特征是在步驟1)中，降噪目標(biāo)值包括車輛等有效聲源高度、受聲點與路面高差、聲屏障距離近車道距離、距遠(yuǎn)車道距離和聲屏障距受聲點的水平距離；相關(guān)幾何參數(shù)包括各類車的參考能量平均輻射聲級、車流量、各類車的平均車速和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲屏障設(shè)計方法，其特征是在步驟3)中，風(fēng)載資料包括風(fēng)振系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)和地區(qū)基本風(fēng)壓；聲屏障安裝部件包括鋼立柱、螺栓和預(yù)埋件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲屏障設(shè)計方法，它利用計算機，并通過設(shè)計參數(shù)的輸入完成聲屏障高度和長度的理論計算、結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)的選擇、聲場模擬、聲屏障效果預(yù)測、風(fēng)載強度校核等復(fù)雜過程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用向?qū)浇缑?，逐步引?dǎo)操作者輸入必要的參數(shù)完成各部分的設(shè)計、計算工作，專業(yè)化程度要求低，操作簡單、功能全面，在聲屏障設(shè)計中具有極大的實用價值和經(jīng)濟價值。
文檔編號E01F8/00GK1598156SQ20041004144
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月21日
發(fā)明者閔鶴群, 張榮初 申請人:張榮初