专利名称：声屏障设计方法
技术领域：
本发明涉及一种环保领域中降低道路噪音的声屏障，具体地说是一种声屏障设计方法。
背景技术：
随着人们环保意识的日益加强，对降低道路噪声的要求越来越高，因而声屏障逐渐受到人们的重视，声屏障的使用也日趋普遍。目前声屏障设计的方法有很多，特别是随着计算机技术的发展和应用，越来越多的设计方法均采用计算机来完成，比较著名的有德国Soundplan4.0和美国Stamin&Opinion等。但它们都是由专业化很强的操作界面组成的、模块复杂的计算系统，对操作人员的专业背景和专业水平有相当高的要求，软件操作不易快速上手；同时，现有的设计方法功能少，使用不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、功能全面的声屏障设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种声屏障设计方法，其特征是它通过计算机处理得到声屏障的外形尺寸、结构形式、材质选取和风载强度的相关数据并对数据进行保存和输出，包括如下步骤1)通过数据输入装置向处于开始状态的计算机输入声屏障的降噪目标值及相关几何参数，得到声屏障的外形尺寸。降噪目标值包括车辆等有效声源高度、受声点与路面高差、声屏障距离近车道距离、距远车道距离和声屏障距受声点的水平距离；相关几何参数包括各类车的参考能量平均辐射声级、车流量、各类车的平均车速和执行标准值。
2)通过声屏障的外形尺寸选取声屏障的结构形式和材质。声屏障结构外形有多种，一般分为直立、直立弧形、全弧形、半封闭形、全封闭形、顶部带吸声圆筒形及混凝土生态形、木质形等结构。声屏障的降噪材质有多种，每个项目采用的降噪材质需要根据不同天气气候、空气环境、道路等级、道路类别、降噪目标、噪声频谱等工程及现场状况确定，通常包括复合材料、纤维材料和彩钢夹芯板。
3)输入声屏障使用地的风载资料及声屏障安装部件的应力资料，结合声屏障的结构形式和材质得到声屏障风载强度的数据。风载资料包括风振系数、风荷载体型系数、风压高度变化系数和地区基本风压；声屏障安装部件包括钢立柱、螺栓和预埋件。
4)将得到的风载强度数据与安装部件的数据允许值进行比较，不超出允许值即整体抗风强度合格，否则回到步骤2)，重新确定声屏障的结构形式和材质。
5)将以上得到的整体抗风强度合格的声屏障外形尺寸、结构形式、材质选取、风载强度数据进行保存并通过输出装置输出，设计出合格的声屏障。
本发明中，为方便声屏障的设计和施工，更好地节约成本，利用步骤5)保存的数据，可以对整个声屏障安装工程的总费用进行估算。
本发明可以按照步骤5)保存的结果进行道路环境声场模拟，绘制道路两侧声场的等声级曲线，通过环境声场模拟可以看出安装声屏障后的降噪效果。
为更好地观察安装声屏障前、后噪声的变化情况，在步骤1)前，可以对需要设置声屏障的场所进行声场预测，输入该路面各点坐标、高程、坡度、车辆数、车速、地面反射系数、遮蔽系数和受声点坐标，模拟出道路两侧地区的声环境情况，绘制等声级曲线图。再利用步骤5)保存的结果进行安装声屏障后的道路环境声场模拟，绘制道路两侧声场的等声级曲线。通过比较得到噪声的变化情况。
本发明针对道路声屏障设计中的具体问题，用操作简单、界面友好的设计模块辅助设计者完成声屏障高度和长度的理论计算、结构形式和材质的选择、声场模拟、声屏障效果预测、风载强度校核等复杂过程。为降低对使用者专业化程度的要求，本发明采用向导式界面，逐步引导操作者输入必要的参数完成各部分的设计、计算工作。与现有技术相比，本发明操作简单、功能全面。
四
附图是本发明的流程图。
五具体实施例方式
利用本发明所述的声屏障设计方法，使用Visual Basic6.0编写软件。道路声屏障高度、长度理论计算中，算法以《噪声与振动控制工程手册》(马大猷主编)中的理论计算方法为标准，使用VB6.0编译实现。道路声屏障结构形式与材质选择时，首先建立声屏障结构形式与材质的数据库，加以分类。对应于各种道路条件与周边环境，提供详实的声屏障结构形式与材质的选择参考。声场预测，参考FHWA(美国联邦高速公路署)公布的交通噪声预测及隔音墙设计模式(3.0版)进行编程，内建小、中、大型车和特种车的噪声资料(适用于内地)，输入路面各点坐标、高程、坡度、车辆数、车速、地面反射系数、遮蔽系数、受声点坐标及高程等，模拟出道路两侧地区的声环境情况，绘制等声级曲线图；同时输入声屏障位置、高度、长度、结构等特性，模拟出加装声屏障后道路两侧地区的声环境情况，绘制等声级曲线图。工程费用估算，内建多个已有项目的费用资料，输入声屏障的建造高度、长度，对整个工程造价加以估算。抗风强度计算校核，调用Ansys7.0，通过输入声屏障结构特性与地面风压等基础资料，计算比较设计是否符合安全技术要求，计算螺栓受到的剪切应力是否超出结构设计允许值。
使用本发明的设计方法，结合声屏障实际工程进行检验验证，该工程是京沪高速公路沂淮段嶂苍村小学、嶂苍村段声屏障设计项目，该项目由江苏省交通科学研究院2002年组织完成方案设计和施工图设计。
路段概况京沪高速公路沂淮段北起新沂市与山东省交界处，路线向南经新沂市、沭阳县、淮阴县，在淮阴县东北接上先期建设的淮江高速公路，路线全长106.917km。道路设计标准采用全封闭、全立交的四车道高速公路建设标准，设计速度120km/h，路基宽度28.0m，荷载标准为汽车-超20，挂车-120。
敏感目标概况该路段经过嶂苍村和嶂苍村小学，居民房屋比较集中，离高速公路较近，距高速公路中心线30米，根据噪声现场监测，昼间噪声平均超标《城市区域环境噪声标准》(GB3096-93)2类标准9.0dB，嶂苍村总人数3400人，第一排房子总户数为98户。嶂苍村小学位于公路南侧，桩号K4+450～K4+678；嶂苍村位于公路北侧，对应桩号K4+372～K4+534。
声屏障高度设计1.地面段输入参数降噪目标值13dB(A)，车辆等效声源高度1.0米，受声点与路面高差3.5米，声屏障距离近车道距离5.0米，距远车道距离20.0米，声屏障距受声点的水平距离30米。
经本发明计算后，得出地面段声屏障高度3.2米，该段实际工程中考虑声屏障屏体制作及未来车流量有增大等因素，方案采用声屏障设置高度总高为3.4米。
2.分离立交段据方案介绍，敏感目标所处路段有一座长38米的分离式立交桥，桥的波形防撞护栏高680mm。
输入参数降噪目标值13dB(A)，车辆等效声源高度1.0米，受声点与立交路面高差6.5米，声屏障距离近车道距离5.0米，距远车道距离20.0米，声屏障距受声点的水平距离30米。
经本发明计算后，得出分离立交桥段声屏障高度2.5米，而在该项目实际声屏障工程设计中考虑设计余量确定声屏障建设高度为2.7米。
声屏障长度设计嶂苍村小学位于公路南侧，桩号K4+450～K4+678；嶂苍村位于公路北侧，对应桩号K4+372～K4+534。
输入下列各项参数各类车的参考能量平均辐射声级，车流量、各类车的平均车速、执行标准值等参数可以计算出声屏障长度设计需要延伸的长度。
经计算声屏障延伸长度，得出声屏障长度设置方案为嶂苍村小学段处于公路南侧，声屏障建设长度推荐桩号为K4+398～K4+730；嶂苍村段处于公路北侧，声屏障建设长度推荐对应桩号K4+304～K4+602。通过与该段声屏障设计方案比较验证，本发明中声屏障建设长度设计方法是适用于实际工程设计的。
声屏障结构外形设计声屏障结构外形有多种，一般分为直立、直立弧形、全弧形、半封闭形、全封闭形、顶部带吸声圆筒形及混凝土生态形、木质形等结构。
按照本发明的方法，设计时根据各项参数的选取，完成后就形成了建议采取的声屏障结构形式，有两种倒L不透明形和直立弧形不透明形。在项目方案设计中采用了直立弧形不透明形声屏障结构设计，该形式降噪效果好，且处于景观性要求不是很高的乡村地区。经过验证，本发明的声屏障设计方法完全能够达到声屏障设计过程中结构设计的要求。
声屏障降噪材质选取声屏障的降噪材质有多种，每个项目采用的降噪材质需要根据不同天气气候、空气环境、道路等级、道路类别、降噪目标、噪声频谱等工程及现场状况确定。
应用道路声屏障设计软件中降噪材质模块，对京沪高速公路嶂苍村及嶂苍村小学段声屏障进行降噪材质选取，得出适应该条件下的声屏障降噪材质，有三种复合材料、纤维材料、彩钢夹芯板。在实际使用中，该项目采用了彩钢夹芯板材料，这种材料价格相比于其他金属材料价格便宜，且降噪效果较好。
声屏障建设费用估算声屏障建设费用包括直接费用、安装费、管理费、利润、税金五部分，声屏障直接费用即是声屏障各构件所用材料费用的总和，其它费用由直接费用乘相应的系数得出，所以计算出声屏障直接费用就可以估算出声屏障工程建设费用。
采用本发明的设计方法，进行费用估算1.高架部分高架部分声屏障建设费用估算为12.66万元。
2.地面部分地面线部分声屏障建设费用估算为107.3万元。
3.声屏障建设费用估算将高架部分和地面部分经过道路声屏障设计软件计算的声屏障建设费用估算值相加得到声屏障建设费用总的估算值。
所以声屏障建设费用估算为107.3+12.66＝119.96万元。同时考虑到边坡维护费用及其他费用共26万元，所以工程整体费用为119.96+25＝144.96万元。
经过验证，道路声屏障设计软件计算出的声屏障建设费用与京沪高速公路嶂苍村及嶂苍村小学段声屏障建设方案中费用估算基本一致，本发明设计方法计算准确。
声屏障工程验证总体结果根据京沪高速公路嶂苍村及嶂苍村小学段的声屏障实际工程，采用本发明所述的声屏障设计方法进行验证计算，计算结果与该声屏障工程实际使用方案一致。利用本发明简化了声屏障设计过程的繁琐计算，完全达到声屏障科学设计的目的，将本发明应用于道路声屏障建设过程中，对声屏障的建设及其设计技术的发展有促进意义。
京沪高速公路嶂苍村及嶂苍村小学段的声屏障实际工程与用本发明设计方法得到的声屏障各项参数对比，见下表
抗风设计计算与结构力学校核
声屏障设计过程中需要充分考虑声屏障的抗风性与结构安全性，因此设计过程中需进行抗风及力学的校核。
设计计算的规范采用中华人民共和国建设部颁发的《钢筋混凝土结构设计规范》，设计载荷确定是根据《建筑结构载荷规范》(GB50009-2001)垂直建筑物表面风荷载标准值Wk计算公式Wk＝βz×μs×μz×W0式中βz-风振系数μs-风荷载体型系数μz-风压高度变化系数W0-地区基本风压设计允许的强度主要考虑钢材的弹性模量Es和允许应力τ。
需要输入的参数见下表
模块应用的计算公式如下(1)P＝Wk·lx(2)My＝0.5P·ly2，My为立柱末端弯矩(3)Z＝My/2Sx，(4)τ＝Z/F，F为螺栓截面积，τ为螺栓受到的应力(5)A＝Лd2(6)A＝4F(7)Q＝2Ph，Q是螺栓受到的剪切力(8)τ剪切应力＝Q/A
经过计算得出法兰螺栓受到的应力与应力允许值比较得出设计是否符合结构安全技术要求，计算螺栓受到的剪切应力与允许值比较得出是否符合结构要求。同时若经过计算设计不符合结构安全要求时，本发明将计算出能够符合结构安全设计的优化方案。
附图是本发明所述声屏障设计方法的流程图，说明如下声屏障设计包括声屏障高度计算、声屏障长度计算、声屏障结构形式选择和声屏障材质选择。为及时方便地对设计方案效果加以评价，本发明方法增加了声场模拟的过程，绘制道路两侧声场的等声级曲线，能很方便的对比加装声屏障前后声场的变化情况；联系工程应用实际，本发明方法增加了工程费用估算的过程。
步骤1是初始动作，启动计算机。步骤2、3为并列模块，步骤2通过输入声屏障的降噪目标值及相关几何参数，完成声屏障高度的理论计算；步骤3通过输入声屏障所处区域的声环境标准值及敏感目标长度等参数，完成声屏障长度的理论计算。步骤4、5为并列模块，步骤4进行声屏障的结构形式选择，步骤5进行声屏障的材质选择。步骤6输入声屏障所处地区的风载资料及钢立柱、螺栓、预埋件等的应力资料，以进行步骤7的声屏障总体抗风强度的校核。步骤8把步骤7算出的钢立柱、螺栓、预埋件等所承受的应力、弯矩、扭矩等数据与允许值进行比较，不超出允许值即整体强度合格，否则回到步骤4、5，重新确定声屏障的结构形式和用材。步骤9将步骤2至7得到的结果保存为文档格式，方便打印输出。步骤10按照步骤9保存的结果进行声场模拟，绘制道路两侧声场的等声级曲线。步骤11按照步骤9保存的结果对整个声屏障安装工程的总费用进行估算。步骤12为结束状态。
在利用本发明设计声屏障前，对需要设置声屏障的场所进行声场预测，输入该路面各点坐标、高程、坡度、车辆数、车速、地面反射系数、遮蔽系数和受声点坐标，模拟出道路两侧地区的声环境情况，绘制等声级曲线图。对比加装声屏障前后声场的变化情况，可以看出安装声屏障后的降噪效果。
权利要求
1.一种声屏障设计方法，其特征是它通过计算机处理得到声屏障的外形尺寸、结构形式、材质选取和风载强度的相关数据并对数据进行保存和输出，包括如下步骤1)通过数据输入装置向处于开始状态的计算机输入声屏障的降噪目标值及相关几何参数，得到声屏障的外形尺寸；2)输入声屏障所处地域资料，并根据声屏障的外形尺寸选取声屏障的结构形式和材质；3)输入声屏障使用地的风载资料及声屏障安装部件的应力资料，结合声屏障的结构形式和材质得到声屏障风载强度的数据；4)将得到的风载强度数据与安装部件的数据允许值进行比较，不超出允许值即整体抗风强度合格，否则回到步骤2)，重新确定声屏障的结构形式和材质；5)将以上得到的整体抗风强度合格的声屏障外形尺寸、结构形式、材质选取、风载强度数据进行保存并通过输出装置输出，设计出合格的声屏障。
2.根据权利要求1所述的声屏障设计方法，其特征是利用步骤5)保存的数据，对整个声屏障安装工程的总费用进行估算。
3.根据权利要求1所述的声屏障设计方法，其特征是按照步骤5)保存的结果进行道路环境声场模拟，绘制道路两侧声场的等声级曲线。
4.根据权利要求1所述的声屏障设计方法，其特征是在步骤1)前，对需要设置声屏障的场所进行声场预测，输入该路面各点坐标、高程、坡度、车辆数、车速、地面反射系数、遮蔽系数和受声点坐标，模拟出道路两侧地区的声环境情况，绘制等声级曲线图。
5.根据权利要求1所述的声屏障设计方法，其特征是在步骤1)中，降噪目标值包括车辆等有效声源高度、受声点与路面高差、声屏障距离近车道距离、距远车道距离和声屏障距受声点的水平距离；相关几何参数包括各类车的参考能量平均辐射声级、车流量、各类车的平均车速和执行标准值。
6.根据权利要求1所述的声屏障设计方法，其特征是在步骤3)中，风载资料包括风振系数、风荷载体型系数、风压高度变化系数和地区基本风压；声屏障安装部件包括钢立柱、螺栓和预埋件。
全文摘要
本发明公开了一种声屏障设计方法，它利用计算机，并通过设计参数的输入完成声屏障高度和长度的理论计算、结构形式和材质的选择、声场模拟、声屏障效果预测、风载强度校核等复杂过程。与现有技术相比，本发明采用向导式界面，逐步引导操作者输入必要的参数完成各部分的设计、计算工作，专业化程度要求低，操作简单、功能全面，在声屏障设计中具有极大的实用价值和经济价值。
文档编号E01F8/00GK1598156SQ20041004144
公开日2005年3月23日 申请日期2004年7月21日 优先权日2004年7月21日
发明者闵鹤群, 张荣初 申请人:张荣初