鐵路鋼橋的噪聲與噪聲控制

毛學(xué)鋒 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031

鐵路鋼橋的噪聲與噪聲控制

毛學(xué)鋒 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031

鋼橋噪聲是一個(gè)很復(fù)雜的問題，它與軌道構(gòu)造，橋梁結(jié)構(gòu)，周邊環(huán)境等有密切的關(guān)系。本文論述了國內(nèi)外鐵路鋼橋的噪聲控制措施，為鐵路鋼橋的噪聲控制提供參考。

鐵路鋼橋；噪聲；噪聲控制

引言

20世紀(jì)50年代起，噪聲已成為一種主要的環(huán)境污染源，它不僅影響人們正常的工作、學(xué)習(xí)和休息，而且危害到人們的身體健康。

我國噪聲控制研究始于1985年，至今已成為環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。歐洲共同體委員會于1996年1月4日發(fā)表了題為“未來噪聲政策”的綠皮書，指出未來環(huán)境噪聲控制的對策是進(jìn)一步開展噪聲暴露評價(jià)的研究，降低道路交通、鐵路、飛機(jī)和戶外機(jī)械噪聲，重視土地使用規(guī)劃和噪聲教育，提高全民意識。[1]

對振動(dòng)與噪聲干擾的治理和防護(hù), 一直是高速鐵路工程的重要組成部分。日本、德國、法國等發(fā)達(dá)國家高速鐵路工程中, 用于降噪、減震的投資在工程總投資中占有相當(dāng)大的比重。列車通過橋梁時(shí)，輪軌作用除了使車輪和軌道直接向外輻射噪聲外，還要向橋梁的各個(gè)構(gòu)件傳遞振動(dòng)能量，激發(fā)橋梁的各個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生振動(dòng)，并形成噪聲的二次輻射。大量實(shí)測表明，一般情況下鐵路橋梁噪聲要比普通線路上增加約0～20dB(A)。[2]

1.鐵路橋梁的噪聲

高速列車在軌道上運(yùn)行時(shí)發(fā)生的各種噪聲主要由鋼軌和車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)聲（輪軌噪聲）；車體的空氣阻力噪聲（空氣聲）；建筑物噪聲；電裝置的受電系統(tǒng)聲（集電噪聲）組成。這些噪聲產(chǎn)生后，還會通過車體傳到車內(nèi)，形成車室噪聲。建筑物噪聲主要是由于車輪與鋼軌間的振動(dòng)，經(jīng)由軌道向建筑物而產(chǎn)生的第二次振動(dòng)聲，主要來自橋梁的二次振動(dòng)。從振動(dòng)聲音的大小看，無道砟的明橋面鋼橋更突出一些。當(dāng)列車通過橋梁時(shí)，由于引起橋梁上的各種構(gòu)件的振動(dòng)而向外輻射噪聲，此聲源稱為橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，其發(fā)生機(jī)理如圖1。[3]

高架軌道分為三類：第一類，輕型高架鋼結(jié)構(gòu)，鋼板梁、鋼軌直接固定在鋼板道床上；第二類，混凝土梁支撐的混凝土高架結(jié)構(gòu)，采用彈性扣件直接將鋼軌固定在混凝土道床上；第三類，碎石枕木道床高架結(jié)構(gòu)。

由于共振作用鋼結(jié)構(gòu)橋?qū)β放缘妮椛湓肼曌畲螅瑐鞑シ秶鷱V，主要成分是結(jié)構(gòu)噪聲。混凝土橋的橋梁構(gòu)件自重大，當(dāng)列車通過時(shí)受到的振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)比鋼結(jié)構(gòu)要小得多，因此輻射噪聲比較小。主要噪聲成分是輪軌噪聲。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

2.鐵路橋梁的噪聲控制措施

由于鐵路橋梁的振動(dòng)和輻射噪聲聲場分布復(fù)雜，要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)不同采用不同的控制措施。主要從噪聲源研究降低源強(qiáng)的方法，使其向外輻射的振波和聲波能量盡可能低。

2.1 橋上線路方面[2]

(1) 線路平順，鋼軌接縫要小，采用重型焊接長鋼軌（一般長度為1-2 km），較普通短軌（25m）可降噪8-10dB(A);(2) 修整、研磨軌面波形磨耗，保持鋼軌表面處于良好的工作狀態(tài)，可降噪2-9 dB(A)；經(jīng)常維修軌縫，使之符合標(biāo)準(zhǔn)，可降噪2-5 dB(A)；(3)采用有碴道床，隔振吸聲性能好；(4) 鋼軌與輪枕間、鋼軌與鋼軌間采用彈性緊固件，可以減弱振動(dòng)，降噪3-5 dB(A)；(5) 在鋼軌和輪軌下增加彈性防振墊；(6) 國外試用防振鋼軌，在鋼軌軌腰兩側(cè)用橡膠包覆，并用螺栓、支撐件壓緊。防振橡膠除阻尼振動(dòng)、降噪外，還與鋼軌一起承受縱、橫方向方向荷載。用在高架鐵路上，可降噪3-4 d B(A)；(7) 在橋梁兩側(cè)建聲屏障?？山翟?-10dB(A)。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)方面

橋梁結(jié)構(gòu)要有較高的強(qiáng)度和較大的抗撓抗扭剛度，一般不采用柔性結(jié)構(gòu)，梁部選用混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土等感熱遲鈍的材料。因鋼支座產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)，因此橋梁宜采用橡膠支座。對于鋼桁橋，可用混凝土層（約150mm厚）包覆或用阻尼涂料覆蓋，或?qū)⑾鹉z—瀝青系列材料用環(huán)氧樹脂粘貼與外表面。這些措施降噪效果約在10d B(A)以內(nèi)[2]。

3.鋼橋的防噪聲措施

鋼橋由于其重量較混凝土輕，可以使下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)，尤其對軟弱地基及地震區(qū)更為有利。另外，鋼橋桿件可在工廠預(yù)制，運(yùn)到工地后，可在短時(shí)間內(nèi)架設(shè)，且加工、維修、更換起來也容易，所以它是鐵路橋的常用形式。但鐵路鋼橋因噪聲過大，是其讓位于混凝土橋的主要原因之一。

3.1 我國減少橋梁增噪的措施[4]

我國采用道砟橋面的結(jié)合梁來克服明橋面噪音大的缺點(diǎn)，即由鋼筋混凝土道砟槽板和鋼板梁組合成一個(gè)整體來工作，利用道砟的吸振和吸音作用使行車噪聲減弱。

3.2 日本減少橋梁增噪的措施[3]

日本的低噪音鋼橋，就是鋼橋的道床為鋪設(shè)有長鋼軌的有碴道床，并在有碴道床下埋置道砟底板，而在橋跨兩側(cè)走道上設(shè)置隔音墻。道砟底板（厚25m m的橡膠底板）的埋設(shè)施工簡單，成本也低，減小噪音效果卻很好，而且它還有防止道床下翻碴的作用。

日本低噪音鋼橋的防噪音結(jié)構(gòu)措施，主要是在道床上，其常用的道床有：上承板梁道床；下承板梁道床；結(jié)合梁道床；下承桁梁道床；其他板式道床。

（1）上承板梁

主梁為型或箱型截面的上承板梁，為減小其腹板和下翼緣的振動(dòng)在腹板上安設(shè)瀝青橡膠材料的減振件，而在下翼緣上則采用灌注混凝土的方式減振。

（2）下承板梁

對于下承板梁鋼橋面板，是在主梁和橫肋上安裝減振件。若對噪音要求較嚴(yán)，且橋下凈空有限制時(shí)，如日本八戶線柏崎橋（跨度35.6m）,可在箱形截面的主梁外側(cè)的腹板上安設(shè)減振件，并在下翼緣上灌注混凝土減振。另外，為減小橫肋和縱肋等因振動(dòng)而產(chǎn)生的噪音，在橫肋下面的翼緣上設(shè)置消音鋼板。

在H型鋼梁形式中，在縱橋向以60cm間距設(shè)置H型鋼，并配置鋼筋灌筑混凝土。H型鋼與混凝土結(jié)合構(gòu)成組合截面的橋面系。這種結(jié)構(gòu)形式多用于復(fù)線鐵路橋。

對于用混凝土外包橋面系做成的下承板梁混凝土橋面板形式，是除橫梁的下翼緣外，縱梁和橫梁全外包混凝土，以達(dá)到減震的目的。這種結(jié)構(gòu)形式的防噪音效果比僅在腹板上安裝減振件的鋼橋面板形式要好。

（3）下承桁梁

對于鋼橋面板形式在梁下安裝隔音板。對于混凝土橋面板形式，處理方法同鋼橋面板形式。

（4）其他板式軌道

(1)-(3)所介紹的方法，均為有碴道床，在有碴道床中埋置碴床底板的結(jié)構(gòu)形式，其梁正下方的噪音響度比明橋面結(jié)構(gòu)低20-30方，因而是一種降低噪音的基本方法。但當(dāng)梁下凈空受到限制，而必須采用板式道床或鋼梁直接聯(lián)結(jié)軌道時(shí)，由于這時(shí)的振動(dòng)都是直接傳遞，防噪音工作比有碴道床困難。

對于下承鋼板梁，采用混凝土外包橋面系，在其結(jié)構(gòu)下還可加設(shè)隔音板。

對于采用板式軌道的結(jié)合梁，當(dāng)其梁下凈空較寬余時(shí)，在梁下安設(shè)隔音板的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)其梁下凈空有限制時(shí)，可在主梁下翼緣的上面灌筑混凝土，而在梁側(cè)加設(shè)隔音板。

對于混凝土橋面板的桁梁，在梁側(cè)用隔音板作成反L形隔音墻，對其縱、橫梁，可采用外包混凝土方法減振。若橋位于對噪音有嚴(yán)格限制的地區(qū)，還應(yīng)在梁下加設(shè)隔音板。

3.3 荷蘭的低噪聲鋼橋

M.H.A.Janssens 和D.J.Thom pson[5]提出了低噪音鋼橋設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議：

1）扣件系統(tǒng)

扣件系統(tǒng)對于橋梁上的滾動(dòng)噪聲和橋梁本身的結(jié)構(gòu)噪聲都很重要。降低它的振動(dòng)剛度一方面可以增加軌道和橋梁的隔振效果，另一方面，還可以減少軌道中隔振效果隨距離的衰減。降低扣件系統(tǒng)的振動(dòng)剛度可以提高軌道的振動(dòng)水平，但同時(shí)增大了滾動(dòng)噪聲，從而部分地削減了更高隔振的效果。較好的做法是聯(lián)合使用柔性軌道支座和添加軌道阻尼裝置。

2）新型橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)在聲音傳播中的作用有二：吸收軌道的聲功率和將軌道的聲功率轉(zhuǎn)化為輻射聲。然而，從后者的角度來改進(jìn)設(shè)計(jì)的可能性有限。如圖2，該圖為一鋼板（0.5m*5m）的輻射功率和輸入功率的平均比值是板厚h的函數(shù)，該比值適用于板厚為15-30mm,大多數(shù)鋼橋的板厚為15-30mm。因而，盡量減少輸入功率顯得更重要，這可以通過設(shè)計(jì)盡可能高的高阻抗橋梁來實(shí)現(xiàn)。

圖2 板內(nèi)的振動(dòng)功率和輻射功率的比值(功率范圍：250-1000Hz)

3）其他措施

在不改變橋梁結(jié)構(gòu)的情況下的其他措施也可以降低橋梁的噪聲，并已應(yīng)用于已建橋梁，包括添加橋梁的阻尼夾層，建立聲屏障等。

荷蘭低噪音鋼橋研究組測試了200多種不同的厚度組合對橋梁增噪的影響，使用荷蘭國有鐵路和旅客列車，以140km/h的速度運(yùn)行通過。測試發(fā)現(xiàn)，增加板的厚度可顯著降低橋梁噪聲。

采用夾層阻尼也可有效地減少橋梁發(fā)出的噪聲。其原理是基于夾入結(jié)構(gòu)構(gòu)件與附加薄鋼板間的黏彈性層對能量的吸收。

采取通過增加阻尼或通過密封鋼軌來降低鋼軌的振動(dòng)程度來減少滾動(dòng)噪聲，從而減少鐵路橋梁的總噪聲?？赏ㄟ^埋置鋼軌的方式來實(shí)現(xiàn)，如圖3。

荷蘭低噪聲橋研究組開發(fā)的低噪聲橋，采用聲學(xué)上的最佳板厚組合。鋼軌被埋置在槽內(nèi)并使用軟木橡膠乳劑固定，這種固定法可能為鋼軌提供最佳垂直和水平剛度，同時(shí)也可有效地封閉鋼軌，并能使建設(shè)公差最小化。

圖3 埋入軌道結(jié)構(gòu)

4.結(jié)論

由于鐵路橋梁的振動(dòng)和輻射噪聲聲場分布復(fù)雜，要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)不同采用不同的控制措施。主要從噪聲源研究降低源強(qiáng)的方法，使其向外輻射的振波和聲波能量盡可能低。橋梁結(jié)構(gòu)要有較高的強(qiáng)度和較大的抗扭剛度，一般不采用柔性結(jié)構(gòu)，梁部選用混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土等感熱遲鈍的材料。因鋼支座產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)，因此橋梁宜采用橡膠支座。對于鋼桁梁橋，可用混凝土層（約150mm厚）包覆或用阻尼涂料覆蓋，或?qū)⑾鹉z—瀝青系列材料用環(huán)氧樹脂粘貼于外表面。這些措施降噪效果約在10dB(A)以內(nèi)。

我國采用道砟橋面的結(jié)合梁來克服明橋面噪音大的缺點(diǎn)，即由鋼筋混凝土道砟槽板和鋼板梁組合成一個(gè)整體來工作，利用道砟的吸振和吸音作用使行車噪聲減弱。日本的低噪音鋼橋，就是鋼橋的道床鋪設(shè)有長鋼軌的有碴道床，并在有碴道床下埋置道砟底板，而在橋跨兩側(cè)走道上設(shè)置隔音墻。荷蘭低噪聲橋研究組開發(fā)的低噪聲橋，采用聲學(xué)上的最佳板厚組合，鋼軌被埋置在槽內(nèi)并使用軟木橡膠乳劑固定。

[1] European Commission.Green Paper—Future Noise Policy[J].NNI,1997,July,vol.4,No.2:73-85

[2]卜建清，等.減小鐵路振動(dòng)與噪聲影響的方法[J].鐵道工程學(xué)報(bào).2001年9月第3期，42-47

[3]周勝利，等.高速鐵路鋼桁梁橋橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及減小噪音的結(jié)構(gòu)措施[J].國外橋梁.1996年第3期 ：p22-32

[4]白寶鴻，等.高速鐵路噪聲產(chǎn)生原因及防治措施研究[J].噪聲與振動(dòng)控制.1998年8月第4期：p35-37

[5] M.H.A.Janssens and D.J.Thompson , Journal of Sound and Vibration(1996) 193(1),p302-303

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.004

毛學(xué)鋒：男，1979年1月出生；籍貫：四川仁壽；中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司；職稱：工程師；學(xué)歷：大學(xué)本科；研究方向:橋梁結(jié)構(gòu)受力行為的理論研究。