层积材道路声屏障的结构设计及性能研究
层积材道路声屏障的结构设计及性能研究
随着交通运输业的迅速发展，高速公路的随之得到了迅速发展。噪声的种类也随之变多、变大。所以高速公路两旁的住户居民就会受到这些噪声的干扰而影响了他们的日常生活，甚至对居民的健康产生较大的影响。据不完全统计，有关部门接到写信或投诉的污染事件中，噪声污染已经上升到了第一位。因此解决这一问题已经迫在眉睫，而且制造出成本低、效果好的声屏障更是现在人们所期待的。本文通过研究层积材道路声屏障的结构和性能来实现声屏障的降噪功能，并且利用层积材可以降低能源消耗，充分利用资源。
关键词 层积材，声屏障，结构设计
1 引言 1
1.1 课题的提出及意义 1
1.1.1 噪声的污染和危害 1
1.1.2 噪声的防治 1
1.1.3 课题研究的意义 2
1.2 声屏障研究的现状 3
1.2.1 声屏障的种类 3
1.2.2 国内声屏障的研究现状 5
1.2.3 声屏障的国外研究现状 5
2 声屏障的材料 7
2.1 公路声屏障的材料 7
2.2 杨木在我国的现状 8
2.3 杨木单板层积材的特性 8
2.3.1单板层积材的状况 8
2.3.2 单板层积材的主要特点 9
2.3.3 单板层积材的发展趋势 10
3 层积材道路声屏障的结构设计 10
3.1 声屏障的降噪原理 11
3.1.1 声屏障的绕射作用 11
3.1.2 声屏障的透射作用 12
3.1.3 声屏障的反射作用 12
3.1.4 地面效应 13
3.1.5声传播理论 13
3.2 声屏障的高度设计 13
3.3 声屏障的长度设计 15
3.4 声屏障吸声设计 16
3.4.1 微孔共振吸声结构 16
3.4.2 孔板吸声结构 20
3.4.3 吸声板的结构设计 21
3.5 声屏障的隔声结构设计 21
3.5.1 声屏障隔声板的厚度设计 21
3.6 声屏障顶部结构的设计 22
3.7 声屏障吸声结构和隔声结构之间的连接设计 23
3.8 声屏障表面用防水处理 24
4 层积材道路声屏障的安装设计 25
4.1 声屏障与H钢指间的安装设计 25
4.2 H钢与地基的连接结构设计 25
5 层积材道路声屏障的结构验算 26
5.1 载荷分析 26
5.1.2 刚度验算 28
6 层积材声屏障的插入损失计算 29
7 声屏障的性能分析 30
8 声屏障的实用预测 32
结 论 34
1 结论 34
2 建议不足之处 34
致 谢 36
参考文献 37
1.1 课题的提出及意义
1.1.1 噪声的污染和危害
环境噪声是指工业生产、建筑施工、交通运输和社会生活中所产生的干扰周围生
活环境的声音。噪声是感觉性公害，具有局部性和多发性和暂时性特点。随着社会发
展和工业化程度的不断提高，噪声污染同水污染、大气污染一起被列为世界三大公害
之一。噪声污染广泛存在于人们生活之中，从住宅中家用电器发出的噪声、办公室里
办公设备的噪声到交通环境的交通噪声，无不影响着我们的生活。
科学研究表明，尽管噪声不会立即置人于死地，但是它的危害同样是严重的。噪声常常成为日常生活中的隐形杀手世界卫生组织在新近发表的一份调查报告中说，发达国家的噪声污染问题越来越严重。噪声对人体会造成巨大的危害，它危害人的听力，神经系统，心脑血管系统。此外，噪声还可引起消化系统病症以及影响母体中胎儿的正常发育和儿童的智力发展。
21世纪以来，随着我国公路交通事业的迅速发展，交通环境的污染问题也愈来愈严重，在人口密集地区，交通噪声扰民的问题日益突出，严重影响了人们的生活和健康。根据全国的环境监测结果表明：目前全国城市噪声超标路段平均达60%以上，受交通噪声污染的面积已超过30%。一般来说，交通噪声是道路两侧的住宅、文教机关区和医院的主要污染源，可以说已发展成为一种污染公害。因此，由于这一现状防止噪音污染已经刻不容缓，人们想出了许多办法来解决这一问题。但是结合城市规划，声屏障可以成为一个良好的解决这一问题的办法，国外发达国家的经验已经证明了这一点。
1.1.2 噪声的防治
道路交通带来的环境问题的处理要求是综合性的，一般总希望达到减少空气污染，噪声干扰和水土质变化等危害。纵观世界各国，在解决道路交通带来的环境问题方面都进行了许多研究，但这些方面尤其是控制交通噪声是一个十分复杂的课题，必须采取综合治理的方法才能取得效果。公路交通噪声控制是一个涉及噪声控制技术公路设计、路网规划、建筑规划、行政管理等多方面的综合性问题，从世界各国的经验来看，比较有效的措施是研究低噪声车辆、改进公路设计、修建声屏障合理规划建筑设施实施必要的标准和法规等目前采取的治理道路交通噪声污染的主要措施有:
(l)合理布局，优化路线设计
这种方法比较适合新建或是重建的城市，在公路规划和建筑规划时，公路应尽可能地远离敏感区域，居民区应远离公路一定距离，以减少公路交通噪声对居民生活工作学习的干扰。但是对于已经具有一定规模的城市来说，优化城市道路路线，需要多个部门相互协调，成本很高，另外优化路线需要很长的时间，会严重影响城市发展。
(2)加强路面质量建设，采用低噪声路面
和前面方法一样，消耗时间较长，影响城市发展，会给人们生活带来不便。另外，路面磨损比较严重，强度小，寿命短，采用这种措施，需要经常对路面进行维修。
(3)降低车辆本身的噪声
公路交通噪声，主要决定于载重汽车、大客车等重型车辆。低噪声车辆研究应该主要放在这个方向。
(4)交通指挥噪声标准和法规
可以通过设置慢速车道，规定车辆单双号运行，控制车流量以及制定噪声标准等
措施降低噪声，但是都只能起到缓解的作用，不能彻底治理噪声问题。
(5)种植林木降噪
建设降噪绿化带也是一种常用的降噪方法。除了减低噪声之外，公路绿化还具有
改善景观，吸收有害气体，改善小气候等作用，但是建造绿化带需要道路两旁的空间
比较大，树林要有一定厚度才能起到降噪作用，一般城市中的道路不符合建造绿化带
的条件。
(6)在临街建筑物安装隔声窗
隔声窗的隔声量可以达到20分贝以上，但是目前通风隔声窗还处于研究阶段，
而且成本相当高，还不能在大范围普及。
(7)修建声屏障
声屏障因其占用空间小，可拆换，降噪效果显著等优点，在国内外有了较大的发
展。目前己经成为道路交通降噪的主要措施。但是，声屏障还存在一些缺点，如某些
材料成本高，难维护等。
1.1.3 课题研究的意义
随着高速公路的迅猛发展，高速公路两侧住户的噪声污染已经成为刻不容缓的问题，本文研究层积材道路声屏障以提供解决这一问题的办法之一。在我国层积材具有自身发展的独特优势：
(1)目前国产大径级原木日益减少并面临着从市场上消失的可能，取而代之的则是人工林速生小径材，而单板层积材的原料主要就是原木径级较小的人工速生小径材和间伐材，其原料丰富，价格低廉，为单板层积材的发展提供了原材料的保证。
(2)单板层积材具有较高的木材综合利用率也是能得以发展的很重要因素，这是因为我国目前的木材综合利用率还不到60%，和国外80%的利用率来比，还有一定的差距和很大的提升空间，故大力发展高综合利用率的单板层积材既符合目前我国木材资源的现状，也有益于人类赖以生存的生态环境的保护，有力的支持了国家的可持续单板层积材不仅对木材的综合利用率大大高于其它板材，其特殊的生产工艺也使木材保留了理想的天然特性，并将单板上降低强度的节疤、裂缝等缺陷均匀地分布在产品之中，具有工程性能均匀、稳定、强度高等优点，这就决定了单板层积材广阔的应用领域。
课题的意义在于由于传统的道路声屏障的材料和结构存在一定的局限性且耐久性较差而且降噪效果欠佳。通过对层积材声屏障的结构研究找到适合于道路声屏障的层积材声屏障结构。层积材声屏障的使用可以大大降低声屏障的造价，而且声屏障层积材对周围环境和人们生活影响很小，又可通过对其造型和外观设计来符合城市规划建设，可广泛用于城市道路声屏障。
1.2 声屏障研究的现状
1.2.1 声屏障的种类
（1）Γ型道路声屏障
国外许多高速公路声屏障的三维尺寸(长度、厚度、宽度)都已标准化，常用形式是直壁式，早期用砖石、砼等材料。为了减少现场作业，便于工厂化生产，标准化的金属结构声屏障得到广泛应用。面向道路的一侧通常做成吸声表面，声屏障被插入H形钢支架上。对于车流量大的交通干道，简单的直壁式声屏障尚不能起到保护干道附近声环境的作用，在这种情况下，将屏障的顶端按一定角度折向道路内侧，以改善屏障的降噪效果。对于临近居住区、学校、医院等公共社区的高速公路上的声屏障，其高度一般为2～5m。在一些特殊情况下，高度可达10m以上。经测试，附近房屋窗户处的噪声比安装前下降了15～25dB。
图1-1 Γ型道路声屏障
（2）吸声式声屏障
道路声屏障附有吸声材料的降噪净效应的实验结果表明，当朝向声源一侧的障壁贴有玻璃纤维、岩棉或其它形式的吸声材料时，可以避免道路对侧接收点的声压级因反射声而升高。沿街道路一侧有一几十米长的厂房，墙外表面布置了吸声材料，从而减少了该墙面对交通噪声的反射，保护了厂房对面社区声环境质量。
（3）隧道式声屏障
城市交通干道两侧的高层建筑物，形成城市“峡谷”。研究表明，平行“峡谷”中由于声反射而使该区的声压级相对于单侧屏障有所升高。此时，采用一般的声屏障来控制交通噪声向窗户处的辐射是困难的。掩蔽式声屏障则是一个解决问题的典型例子。该声屏障又称隧道式声屏障，造价高，在日本、加拿大都已采用，为了采光，顶部常用透明材料或设置采光罩。
图1-2 隧道式声屏障
（4）缩尺模型和计算机求解
在现场布置或周围建筑物比较复杂的情况下，难以对声屏障的降噪效应进行计算和估计，这时就要进行缩尺模型实验和计算机求解，探讨和设计新的声屏障形式。
1.2.2 国内声屏障的研究现状
目前，国内对道路声屏障及其它一些典型声源声屏障的工程设计，降噪效果的数
学模型以及评价系统等作了不少的研究和分析。在城市道路声屏障的声学设计过程中，首先要确定某一受声点处的环境噪声限值大小，即当道路上有车辆行驶时，交通噪影响不能超出该接受点处的环境噪声限值。在计算声屏障的插入损失值时，对城市道路交通声源的等效频率的研究是不可缺少的。根据对车辆行驶噪声的频谱分析得出，频率在250一2000Hz时声压级较大，进一步研究发现，声能量主要集中在500Hz左右。因此，可以认为声屏障对城市道路交通噪声的衰减是对50OHz左右声波的衰减。在声屏障的声学设计计算工程中，通常采用基于惠更斯一菲涅耳物理原理的计算公式，此时认为声屏障为无限长。然而根据城市道路的特点，道路噪声对于保护点或区域来说，通常是一段不连续的有限长的声源。大部分学者研究无限长与有限长声屏障关系发现:声屏障的长度与高度的比例不小于20倍时，就可以用无限长声屏障的理论来计算，在实际工程中，有限长声屏障与无限长声屏障的计算差值可用遮蔽角来修正。
城市道路交通噪声属于流动性声源，它具有很复杂的相关因素，受到道路与交通
条件的密切影响，因此研究城市道路交通的声源特性，确定其声场特征也是城市道路
声屏障研究的热点之一。一般认为，高流量的道路交通噪声，是一串线声源，而且是沿道路轴线流动的线声源，车流量很少时，可视为点声源。但高架复合道路交通噪声声源特性将更趋复杂。既有上车道和下车道两个相对独立的声场，又有它们衍射和反射后的混合声场。研究表明，在应用计算中，当测距为30m，车流量在200辆/h以下，可视为声源，在800辆/h以上，可视为线声源，在两者之间时，可视为波动性较大的间断流源。
随着交通运输业的迅速发展，高速公路的随之得到了迅速发展。噪声的种类也随之变多、变大。所以高速公路两旁的住户居民就会受到这些噪声的干扰而影响了他们的日常生活，甚至对居民的健康产生较大的影响。据不完全统计，有关部门接到写信或投诉的污染事件中，噪声污染已经上升到了第一位。因此解决这一问题已经迫在眉睫，而且制造出成本低、效果好的声屏障更是现在人们所期待的。本文通过研究层积材道路声屏障的结构和性能来实现声屏障的降噪功能，并且利用层积材可以降低能源消耗，充分利用资源。
关键词 层积材，声屏障，结构设计
1 引言 1
1.1 课题的提出及意义 1
1.1.1 噪声的污染和危害 1
1.1.2 噪声的防治 1
1.1.3 课题研究的意义 2
1.2 声屏障研究的现状 3
1.2.1 声屏障的种类 3
1.2.2 国内声屏障的研究现状 5
1.2.3 声屏障的国外研究现状 5
2 声屏障的材料 7
2.1 公路声屏障的材料 7
2.2 杨木在我国的现状 8
2.3 杨木单板层积材的特性 8
2.3.1单板层积材的状况 8
2.3.2 单板层积材的主要特点 9
2.3.3 单板层积材的发展趋势 10
3 层积材道路声屏障的结构设计 10
3.1 声屏障的降噪原理 11
3.1.1 声屏障的绕射作用 11
3.1.2 声屏障的透射作用 12
3.1.3 声屏障的反射作用 12
3.1.4 地面效应 13
3.1.5声传播理论 13
3.2 声屏障的高度设计 13
3.3 声屏障的长度设计 15
3.4 声屏障吸声设计 16
3.4.1 微孔共振吸声结构 16
3.4.2 孔板吸声结构 20
3.4.3 吸声板的结构设计 21
3.5 声屏障的隔声结构设计 21
3.5.1 声屏障隔声板的厚度设计 21
3.6 声屏障顶部结构的设计 22
3.7 声屏障吸声结构和隔声结构之间的连接设计 23
3.8 声屏障表面用防水处理 24
4 层积材道路声屏障的安装设计 25
4.1 声屏障与H钢指间的安装设计 25
4.2 H钢与地基的连接结构设计 25
5 层积材道路声屏障的结构验算 26
5.1 载荷分析 26
5.1.2 刚度验算 28
6 层积材声屏障的插入损失计算 29
7 声屏障的性能分析 30
8 声屏障的实用预测 32
结 论 34
1 结论 34
2 建议不足之处 34
致 谢 36
参考文献 37
1.1 课题的提出及意义
1.1.1 噪声的污染和危害
环境噪声是指工业生产、建筑施工、交通运输和社会生活中所产生的干扰周围生
活环境的声音。噪声是感觉性公害，具有局部性和多发性和暂时性特点。随着社会发
展和工业化程度的不断提高，噪声污染同水污染、大气污染一起被列为世界三大公害
之一。噪声污染广泛存在于人们生活之中，从住宅中家用电器发出的噪声、办公室里
办公设备的噪声到交通环境的交通噪声，无不影响着我们的生活。
科学研究表明，尽管噪声不会立即置人于死地，但是它的危害同样是严重的。噪声常常成为日常生活中的隐形杀手世界卫生组织在新近发表的一份调查报告中说，发达国家的噪声污染问题越来越严重。噪声对人体会造成巨大的危害，它危害人的听力，神经系统，心脑血管系统。此外，噪声还可引起消化系统病症以及影响母体中胎儿的正常发育和儿童的智力发展。
21世纪以来，随着我国公路交通事业的迅速发展，交通环境的污染问题也愈来愈严重，在人口密集地区，交通噪声扰民的问题日益突出，严重影响了人们的生活和健康。根据全国的环境监测结果表明：目前全国城市噪声超标路段平均达60%以上，受交通噪声污染的面积已超过30%。一般来说，交通噪声是道路两侧的住宅、文教机关区和医院的主要污染源，可以说已发展成为一种污染公害。因此，由于这一现状防止噪音污染已经刻不容缓，人们想出了许多办法来解决这一问题。但是结合城市规划，声屏障可以成为一个良好的解决这一问题的办法，国外发达国家的经验已经证明了这一点。
1.1.2 噪声的防治
道路交通带来的环境问题的处理要求是综合性的，一般总希望达到减少空气污染，噪声干扰和水土质变化等危害。纵观世界各国，在解决道路交通带来的环境问题方面都进行了许多研究，但这些方面尤其是控制交通噪声是一个十分复杂的课题，必须采取综合治理的方法才能取得效果。公路交通噪声控制是一个涉及噪声控制技术公路设计、路网规划、建筑规划、行政管理等多方面的综合性问题，从世界各国的经验来看，比较有效的措施是研究低噪声车辆、改进公路设计、修建声屏障合理规划建筑设施实施必要的标准和法规等目前采取的治理道路交通噪声污染的主要措施有:
(l)合理布局，优化路线设计
这种方法比较适合新建或是重建的城市，在公路规划和建筑规划时，公路应尽可能地远离敏感区域，居民区应远离公路一定距离，以减少公路交通噪声对居民生活工作学习的干扰。但是对于已经具有一定规模的城市来说，优化城市道路路线，需要多个部门相互协调，成本很高，另外优化路线需要很长的时间，会严重影响城市发展。
(2)加强路面质量建设，采用低噪声路面
和前面方法一样，消耗时间较长，影响城市发展，会给人们生活带来不便。另外，路面磨损比较严重，强度小，寿命短，采用这种措施，需要经常对路面进行维修。
(3)降低车辆本身的噪声
公路交通噪声，主要决定于载重汽车、大客车等重型车辆。低噪声车辆研究应该主要放在这个方向。
(4)交通指挥噪声标准和法规
可以通过设置慢速车道，规定车辆单双号运行，控制车流量以及制定噪声标准等
措施降低噪声，但是都只能起到缓解的作用，不能彻底治理噪声问题。
(5)种植林木降噪
建设降噪绿化带也是一种常用的降噪方法。除了减低噪声之外，公路绿化还具有
改善景观，吸收有害气体，改善小气候等作用，但是建造绿化带需要道路两旁的空间
比较大，树林要有一定厚度才能起到降噪作用，一般城市中的道路不符合建造绿化带
的条件。
(6)在临街建筑物安装隔声窗
隔声窗的隔声量可以达到20分贝以上，但是目前通风隔声窗还处于研究阶段，
而且成本相当高，还不能在大范围普及。
(7)修建声屏障
声屏障因其占用空间小，可拆换，降噪效果显著等优点，在国内外有了较大的发
展。目前己经成为道路交通降噪的主要措施。但是，声屏障还存在一些缺点，如某些
材料成本高，难维护等。
1.1.3 课题研究的意义
随着高速公路的迅猛发展，高速公路两侧住户的噪声污染已经成为刻不容缓的问题，本文研究层积材道路声屏障以提供解决这一问题的办法之一。在我国层积材具有自身发展的独特优势：
(1)目前国产大径级原木日益减少并面临着从市场上消失的可能，取而代之的则是人工林速生小径材，而单板层积材的原料主要就是原木径级较小的人工速生小径材和间伐材，其原料丰富，价格低廉，为单板层积材的发展提供了原材料的保证。
(2)单板层积材具有较高的木材综合利用率也是能得以发展的很重要因素，这是因为我国目前的木材综合利用率还不到60%，和国外80%的利用率来比，还有一定的差距和很大的提升空间，故大力发展高综合利用率的单板层积材既符合目前我国木材资源的现状，也有益于人类赖以生存的生态环境的保护，有力的支持了国家的可持续单板层积材不仅对木材的综合利用率大大高于其它板材，其特殊的生产工艺也使木材保留了理想的天然特性，并将单板上降低强度的节疤、裂缝等缺陷均匀地分布在产品之中，具有工程性能均匀、稳定、强度高等优点，这就决定了单板层积材广阔的应用领域。
课题的意义在于由于传统的道路声屏障的材料和结构存在一定的局限性且耐久性较差而且降噪效果欠佳。通过对层积材声屏障的结构研究找到适合于道路声屏障的层积材声屏障结构。层积材声屏障的使用可以大大降低声屏障的造价，而且声屏障层积材对周围环境和人们生活影响很小，又可通过对其造型和外观设计来符合城市规划建设，可广泛用于城市道路声屏障。
1.2 声屏障研究的现状
1.2.1 声屏障的种类
（1）Γ型道路声屏障
国外许多高速公路声屏障的三维尺寸(长度、厚度、宽度)都已标准化，常用形式是直壁式，早期用砖石、砼等材料。为了减少现场作业，便于工厂化生产，标准化的金属结构声屏障得到广泛应用。面向道路的一侧通常做成吸声表面，声屏障被插入H形钢支架上。对于车流量大的交通干道，简单的直壁式声屏障尚不能起到保护干道附近声环境的作用，在这种情况下，将屏障的顶端按一定角度折向道路内侧，以改善屏障的降噪效果。对于临近居住区、学校、医院等公共社区的高速公路上的声屏障，其高度一般为2～5m。在一些特殊情况下，高度可达10m以上。经测试，附近房屋窗户处的噪声比安装前下降了15～25dB。
图1-1 Γ型道路声屏障
（2）吸声式声屏障
道路声屏障附有吸声材料的降噪净效应的实验结果表明，当朝向声源一侧的障壁贴有玻璃纤维、岩棉或其它形式的吸声材料时，可以避免道路对侧接收点的声压级因反射声而升高。沿街道路一侧有一几十米长的厂房，墙外表面布置了吸声材料，从而减少了该墙面对交通噪声的反射，保护了厂房对面社区声环境质量。
（3）隧道式声屏障
城市交通干道两侧的高层建筑物，形成城市“峡谷”。研究表明，平行“峡谷”中由于声反射而使该区的声压级相对于单侧屏障有所升高。此时，采用一般的声屏障来控制交通噪声向窗户处的辐射是困难的。掩蔽式声屏障则是一个解决问题的典型例子。该声屏障又称隧道式声屏障，造价高，在日本、加拿大都已采用，为了采光，顶部常用透明材料或设置采光罩。
图1-2 隧道式声屏障
（4）缩尺模型和计算机求解
在现场布置或周围建筑物比较复杂的情况下，难以对声屏障的降噪效应进行计算和估计，这时就要进行缩尺模型实验和计算机求解，探讨和设计新的声屏障形式。
1.2.2 国内声屏障的研究现状
目前，国内对道路声屏障及其它一些典型声源声屏障的工程设计，降噪效果的数
学模型以及评价系统等作了不少的研究和分析。在城市道路声屏障的声学设计过程中，首先要确定某一受声点处的环境噪声限值大小，即当道路上有车辆行驶时，交通噪影响不能超出该接受点处的环境噪声限值。在计算声屏障的插入损失值时，对城市道路交通声源的等效频率的研究是不可缺少的。根据对车辆行驶噪声的频谱分析得出，频率在250一2000Hz时声压级较大，进一步研究发现，声能量主要集中在500Hz左右。因此，可以认为声屏障对城市道路交通噪声的衰减是对50OHz左右声波的衰减。在声屏障的声学设计计算工程中，通常采用基于惠更斯一菲涅耳物理原理的计算公式，此时认为声屏障为无限长。然而根据城市道路的特点，道路噪声对于保护点或区域来说，通常是一段不连续的有限长的声源。大部分学者研究无限长与有限长声屏障关系发现:声屏障的长度与高度的比例不小于20倍时，就可以用无限长声屏障的理论来计算，在实际工程中，有限长声屏障与无限长声屏障的计算差值可用遮蔽角来修正。
城市道路交通噪声属于流动性声源，它具有很复杂的相关因素，受到道路与交通
条件的密切影响，因此研究城市道路交通的声源特性，确定其声场特征也是城市道路
声屏障研究的热点之一。一般认为，高流量的道路交通噪声，是一串线声源，而且是沿道路轴线流动的线声源，车流量很少时，可视为点声源。但高架复合道路交通噪声声源特性将更趋复杂。既有上车道和下车道两个相对独立的声场，又有它们衍射和反射后的混合声场。研究表明，在应用计算中，当测距为30m，车流量在200辆/h以下，可视为声源，在800辆/h以上，可视为线声源，在两者之间时，可视为波动性较大的间断流源。
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