軌道交通橋梁減振降噪2019年度研究進展

李小珍，鄭凈，宋立忠，梁林，朱艷，張迅

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 成都 610031；2.華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心, 南昌 330013)

筆者總結(jié)了軌道交通橋梁減振降噪研究進展，簡述其研究動態(tài)及發(fā)展趨勢。圍繞混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測與控制、鋼橋與鋼混組合橋結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測與控制、橋上聲屏障降噪特性，分3個方面簡要梳理和總結(jié)了2019年以來主要研究進展，具有連貫性的研究將文獻范圍拓展至2014年以后。

1 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測與控制

軌道交通混凝土橋以簡支梁為主，包括箱梁、U型梁等不同的截面形式?；炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)噪聲主要集中于低頻段(20～200 Hz)，盡管幅值較小，但卻容易使人感到煩擾和不適，并且隨距離的衰減較慢。A聲級常被用作噪聲評價的指標，但其對1 000 Hz以下的低頻成分有較大程度的衰減，因此，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲一般采用線性聲壓級進行評價?；炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)噪聲研究主要以簡支箱梁和U型梁的結(jié)構(gòu)噪聲研究為主。近年來，隨著連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)等梁型在軌道交通中應(yīng)用的增多，這些梁型的結(jié)構(gòu)噪聲問題也逐漸引起相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。

1.1 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測理論與模型研究

盡管采用聲學(xué)邊界元法進行混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測的計算精度尚可，但計算效率卻會隨著預(yù)測頻率的提高和模型規(guī)模的增大而急劇降低。為此，宋立忠[5]和Song等[6]基于波導(dǎo)有限元法和二維邊界元法，創(chuàng)新性提出軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的快速預(yù)測方法：首先，采用移動軌道不平順模型求解輪軌力，然后，基于波導(dǎo)有限元模型(圖1(a))求解輪軌力作用下的橋梁動力響應(yīng)，結(jié)合二維邊界元模型(圖1(b))開展橋梁結(jié)構(gòu)噪聲快速預(yù)測，以廣州地鐵混凝土簡支梁[5]和連續(xù)剛構(gòu)[6]的現(xiàn)場測試結(jié)果驗證了該預(yù)測方法。雖然該預(yù)測方法的計算效率大大提高，但相較于三維聲學(xué)邊界元法，其計算精度卻有所降低。

圖1 城市軌道交通箱梁波導(dǎo)有限元二維邊界元模型示意圖[6]Fig.1 Schematic diagram of WFE-2D BE model of urban rail transit box-girder[6]

1.2 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲特性及機理研究

在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲特性研究方面，主要以現(xiàn)場測試和數(shù)值仿真為主。李克冰[1]實測了高速鐵路32 m簡支槽型梁的結(jié)構(gòu)噪聲，測試結(jié)果表明：列車以300、350 km/h的速度通過時，槽型梁結(jié)構(gòu)噪聲的優(yōu)勢頻段均在25～80 Hz之間，聲壓級峰值出現(xiàn)在40 Hz，與梁體振動加速度峰值相對應(yīng)。宋立忠[5]實測了城市軌道交通30 m混凝土簡支箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲，結(jié)果表明：列車以70 km/h的速度通過時，箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的優(yōu)勢頻段在63～100 Hz，聲壓級峰值出現(xiàn)在80或100 Hz。羅文俊等[7]通過數(shù)值仿真分析了高速鐵路32 m簡支箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲特性，結(jié)果表明：列車以140 km/h的速度通過時，箱梁振動和結(jié)構(gòu)噪聲峰值均出現(xiàn)在50 Hz。學(xué)者針對中小跨度橋梁(如簡支箱梁、簡支U型梁等)的結(jié)構(gòu)噪聲特性開展了很多研究，但對于大跨度橋梁(如連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等)的結(jié)構(gòu)噪聲特性還有待于進一步研究。

一些學(xué)者通過聲模態(tài)貢獻量、聲輻射貢獻量、導(dǎo)波特性分析，從不同角度研究了混凝土橋梁結(jié)構(gòu)振動聲輻射機理。劉林芽等[12]基于聲模態(tài)貢獻量分析，研究了引起高速鐵路32 m混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲峰值的振動模態(tài)，結(jié)果表明，箱梁的第16階模態(tài)(翼緣板局部振動)和第62階模態(tài)(頂板局部振動)分別是引起31.5、80 Hz箱梁結(jié)構(gòu)噪聲峰值的原因。張小安[2]通過數(shù)值仿真分析了軌道交通箱梁不同板件的聲輻射貢獻量，結(jié)果表明，頂板輻射噪聲是箱梁聲輻射的主要聲源，故應(yīng)將頂板作為減振降噪設(shè)計的主要對象。宋立忠[5]從導(dǎo)波傳播特性的角度，研究了城市軌道交通簡支箱梁振動聲輻射峰值的產(chǎn)生機理，結(jié)果表明，導(dǎo)波E(圖2(a))和導(dǎo)波G(圖2(b))的傳播引起了箱梁頂板和底板較大的彎曲振動，進而導(dǎo)致了聲輻射峰值的產(chǎn)生。雖然有關(guān)學(xué)者從不同角度、采用不同方法開展了一些研究，但仍未就橋梁結(jié)構(gòu)振動聲輻射機理達成共識，還有待于進一步研究。

圖2 城市軌道交通箱梁典型導(dǎo)波模態(tài)[5]Fig.2 Typical wave modes of urban rail transit box-girder[5]

1.3 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制研究

在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制方面，目前最常用的方法是采用減振軌道。宋曉東等[8]通過數(shù)值仿真分析研究了高彈性扣件和梯形軌枕對軌道交通25 m簡支U型梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響，結(jié)果表明，高彈性扣件能有效降低橋梁結(jié)構(gòu)振動和噪聲；梯形軌枕能顯著降低橋梁結(jié)構(gòu)振動和噪聲，但軌枕自身振動較大，可能取代橋梁成為另一噪聲源。宋瑞等[13]通過數(shù)值仿真分析對比了鋪設(shè)常規(guī)型和減振型CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道的高速鐵路32 m混凝土簡支箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲，結(jié)果表明，鋪設(shè)減振型軌道的箱梁結(jié)構(gòu)噪聲在近場點和遠場點分別降低了8.15、8.36 dB。Li等[14]系統(tǒng)分析了鋼彈簧浮置板對城市軌道交通30 m簡支箱梁振動和噪聲的影響，結(jié)果表明，地鐵列車以70 km/h通過時，與鋪設(shè)普通板式軌道的箱梁相比，鋪設(shè)鋼彈簧浮置板的箱梁底板振動加速度級減小34.7 dB，底板附近噪聲降低25 dB，如圖3所示。

圖3 鋪設(shè)普通板式軌道和鋼彈簧浮置板的箱梁振動噪聲對比[14]Fig.3 Comparisons of vibration and noise of bridges with OST and SSFST[14]

除了采用減振軌道，通過優(yōu)化箱梁結(jié)構(gòu)、截面形式、邊界條件以及安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)等方法也可以起到降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的作用。劉林芽等[12]針對引起高速鐵路32 m混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲峰值的振動模態(tài)，開展了結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計，在相應(yīng)位置設(shè)置了加勁肋，結(jié)果表明，加勁肋的設(shè)置使得梁下和梁側(cè)結(jié)構(gòu)噪聲顯著降低。韓江龍等[15]基于模態(tài)疊加法和模態(tài)聲傳遞向量(MATVs)，對比了三跨簡支和連續(xù)槽型梁的結(jié)構(gòu)噪聲特性，結(jié)果表明，與總長和跨徑相同的簡支梁相比，相同截面形式的連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)噪聲無明顯改善。劉興龍等[16]通過現(xiàn)場測試對比了廣州地鐵4號線30 m混凝土簡支箱梁在安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器前后梁下1.5 m處的噪聲值，10次過車試驗的平均降噪效果為2.1 dB(A)。

目前，采用常見的減振軌道或通過優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)等措施對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的降噪效果已很難得到進一步提升，因此，一些學(xué)者開始嘗試基于聲學(xué)超材料、聲子晶體理論開展橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制研究。

2 鋼橋與鋼混組合橋結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測及控制

圖4 鋼橋及鋼混組合橋梁Fig.4 Steel bridge and steel-concrete composite bridge

2.1 鋼橋及鋼混組合橋噪聲預(yù)測理論與模型研究

圖5 鋼桁梁斜拉橋振動噪聲預(yù)測的混合FEM-SEA模型[25]Fig.5 Hybrid FEM-SEA model for predicting vibration and noise of steel truss cable-stayed bridge

2.2 鋼橋及鋼混組合橋聲振特性研究

Liang等[25]首次開展了針對既有軌道交通大跨鋼桁梁斜拉橋現(xiàn)場振動及噪聲測試發(fā)現(xiàn)：在軌道交通車輛作用下，鋼橋振動呈現(xiàn)寬頻特性，結(jié)構(gòu)板件在中頻段及高頻段均有振動極值出現(xiàn)，輸入功率主要分布在橋面板、縱梁腹板和橫梁腹板上(如圖6)，各板件振動峰值均出現(xiàn)在63～125 Hz；不同板件在分析頻段內(nèi)的振動特性相似，橫梁腹板振動水平最高，橋面板振動次之，翼緣振動最?。挥捎诎寮暮穸?、尺寸和約束條件差異，使得各板件局部振動特性不同。橋面板中心在630 Hz仍有較高振動水平；橫梁翼緣與腹板振動優(yōu)勢頻段在40～160 Hz；縱梁腹板面外振動優(yōu)勢頻段為40～250 Hz，且在3 150～4 000 Hz之間也有明顯峰值；鋼橋車致振動結(jié)構(gòu)噪聲非常顯著，橫梁翼緣附近實測結(jié)構(gòu)噪聲接近100 dB。

圖6 振動能量分布圖[32]Fig.6 Vibration energy distribution diagram[32]

2.3 鋼橋及鋼混組合橋噪聲控制理論與措施研究

實際上，對車致鋼橋噪聲的控制是一個與綜合控制措施[26]相匹配的研究過程，對于時速較低的城市軌道交通橋梁，從控制對象來看主要分輪軌噪聲及鋼梁結(jié)構(gòu)噪聲兩大體系，針對輪軌噪聲控制，目前常用方法包括：鋼軌打磨[27-28]及車輪鏇輪、采用阻尼鋼軌[29-30]、安裝吸振器、在聲源附近鋪設(shè)吸隔音板[31]以及在傳播路徑上增設(shè)聲屏障等。針對鋼梁結(jié)構(gòu)噪聲控制主要包括：橋梁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化、增大橋梁阻尼、鋪設(shè)減振軌道系統(tǒng)以及在鋼梁表面敷設(shè)阻尼材料[32]等。

圖7 CLD示意圖及其減振降噪效果[23]Fig.7 Schematic diagram of CLD and its vibration and noise reduction effects[23]

3 橋上聲屏障振動噪聲特性

3.1 聲屏障選型及降噪特性研究

對聲屏障的研究主要集中在聲屏障的聲學(xué)性能方面。傳統(tǒng)鐵路橋梁2～3 m高度的直立聲屏障主要作用可以降低列車通過時的輪軌噪聲。輪軌噪聲是以輪、軌的動力響應(yīng)為輸入條件結(jié)合聲振耦合進行研究，其頻譜特性以中高頻分布為主，其峰值頻率集中在630～1 250 Hz、2 000～3 150 Hz[35-37]。陸維姍[38]通過現(xiàn)場實測測得鐵路橋上2.15 m高直立聲屏障降噪量為6～14 dB，列車車速在250 km/h時，降噪量可達10 dB，隨列車車速提高降噪量呈遞減趨勢。周紅梅[39]采用聲學(xué)邊界元法分析了城市軌道交通近軌矮墻式聲屏障對軌道交通噪聲的降噪性能。張?zhí)扃萚40]分析了地面隔聲墻式屏障對車速為60 km/h的列車通過城市軌道交通高架橋梁產(chǎn)生的低頻結(jié)構(gòu)噪聲的隔聲效果。以上研究表明：傳統(tǒng)直立式聲屏障的降噪效果有限。近年來，新結(jié)構(gòu)形式聲屏障逐漸應(yīng)用于軌道兩側(cè)，伍向陽[41]實測了高鐵列車以132 km/h的速度通過橋梁時，全封閉聲屏障實際降噪效果達到了16～18 dB，并且不同于直立聲屏障僅在聲影區(qū)降噪較好，全封閉聲屏障可大幅降低鐵路噪聲且不存在聲亮區(qū)。Li等[42]通過縮尺模型聲學(xué)測試和2.5維邊界元法研究了頂部開口的近似全封閉聲屏障的降噪效果，表明其近場降噪達15 dB，遠場降噪達10 dB。李小珍等[43-44]、楊得旺[45]先后分別對高鐵橋梁半封閉、圓弧形全封閉聲屏障開展現(xiàn)場測試及聲學(xué)足尺測試，如圖8所示，其中，現(xiàn)場測試了高鐵時速300 km/h以下時半封閉聲屏障內(nèi)外表面噪聲、敞開側(cè)和封閉側(cè)噪聲。模型測試將實測線路噪聲作為聲源，分別對全封閉金屬吸聲板、混凝土全封閉聲屏障進行聲學(xué)測試，并建立了全封閉聲屏障降噪統(tǒng)計能量分析預(yù)測模型，研究發(fā)現(xiàn)，半封閉聲屏障降噪效果約15 dB(A)，全封閉聲屏障降噪效果超過20 dB(A)。

圖8 全封閉式聲屏降噪效果足尺模型測試及降噪效果[42]Fig.8 Full-scale model tests and noise reduction effects of fully enclosed sound barriers[42]

除了采用新型結(jié)構(gòu)聲屏障，陳磊磊等[46]、何賓[47]、吳小萍等[48]等均對鐵路橋梁聲屏障結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了研究。雷一彬等[49]通過隔聲板內(nèi)填充聚氨酯、外覆TUP防塵膜，提高了聲屏障隔聲板的吸聲系數(shù)，進而提高了聲屏障的降噪性能。Lee等[50]在混響室內(nèi)測試了不同材質(zhì)隔聲板的吸聲特性以及樣本尺寸對聲屏障聲學(xué)特性的影響。這些研究均是針對聲屏障中某隔聲板材或某個構(gòu)件進行的聲學(xué)性能測試，與聲屏障整體結(jié)構(gòu)的降噪性能存在一定差異。

近年來，聲學(xué)超材料、聲子晶體、主動噪聲控制技術(shù)均因可實現(xiàn)對預(yù)設(shè)的頻帶范圍內(nèi)的噪聲實現(xiàn)有效控制而被運用于聲屏障的研究中。林遠鵬等[51]提出一種超材料通風(fēng)隔聲屏障設(shè)計，利用類Fano共振耦合實現(xiàn)了隔離特定頻帶內(nèi)的聲波。易強等[52]分別研究了直立式與全封閉周期型聲屏障對輪軌噪聲的控制效果。Lee等[53]總結(jié)了主動噪聲控制(ANC)聲屏障的研究現(xiàn)狀和運用的局限性。目前，主動噪聲控制作為被動噪聲控制的補充手段，在復(fù)雜的環(huán)境條件下(如風(fēng)速、溫度變化)，其降噪性還需進一步研究。

3.2 聲屏障車致振動與風(fēng)致振動研究

除了聲屏障的降噪特性，一些研究還關(guān)注了列車運營時聲屏障的動力特性，如聲屏障的車致振動、風(fēng)致振動等。

一些學(xué)者針對聲屏障車致振動特性開展了現(xiàn)場測試或數(shù)值模擬。謝偉平等[54]通過振動試驗研究了地鐵列車低速通過時城市軌道高架橋上半封閉式聲屏障的振動響應(yīng)及傳播規(guī)律，測試結(jié)果表明，地鐵列車低速過橋時具有“移動軸重激勵”的荷載特性；聲屏障的振動相對于橋面軌道板有顯著的放大，聲屏障立柱頂端振動較大，且縱向振動稍大，聲屏障隔聲板的橫向振動明顯大于立柱的振動。羅云柯等[55]實測了高速列車通過時軌道結(jié)構(gòu)、箱梁和梁上半封閉聲屏障的振動，如圖9所示，研究表明高鐵橋上半封閉聲屏障振動峰值出現(xiàn)在40、125 Hz，頂部橫梁振動較大，通過提高剛度或在箱梁翼板底部增設(shè)斜撐均可減小聲屏障的振動。

還有一些學(xué)者針對聲屏障風(fēng)致振動開展研究。劉功玉等[56]、楊夢琦等[57]分別研究了鐵路直立式、折臂式聲屏障在自然風(fēng)、列車脈動風(fēng)聯(lián)合激勵下的振動特性。韓旭等[58]通過風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬研究了橫風(fēng)作用下全封閉聲屏障的氣動特性。羅云柯等[59]根據(jù)高速列車脈動風(fēng)的頻譜特性，將半封閉聲屏障振動測試信號通過低頻濾波得到了脈動風(fēng)壓作用下聲屏障的振動響應(yīng)，通過參數(shù)分析研究了半封閉聲屏障頂部隔聲板覆蓋寬度對脈動風(fēng)壓和振動分布規(guī)律的影響，如圖10所示。由圖10可知，除3 Hz以下移動列車軸載的準靜態(tài)作用及數(shù)值模型中未包含所有中間車，聲屏障列車脈動風(fēng)致振動數(shù)值分析與實測規(guī)律一致。

圖10 半封閉聲屏障列車脈動風(fēng)致振動研究[56]Fig.10 Research on vibration of semi-enclosed sound barriers induced by train draft pressure[56]

3.3 聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲研究

近年來，一些學(xué)者以聲屏障振動為基礎(chǔ)，結(jié)合振動聲輻射原理，開展了聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲研究。張小安等[60]結(jié)合車致振動響應(yīng)，以聲學(xué)邊界元方法研究了直立式聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲輻射特性，發(fā)現(xiàn)聲屏障的二次結(jié)構(gòu)噪聲主要集中在120 Hz以下的低頻段。張迅等[58]采用統(tǒng)計能量分析研究了高鐵橋上半封閉聲屏障的結(jié)構(gòu)輻射噪聲，并評估了聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲對其降噪效果的影響。楊得旺[45]研究了不同材料全封閉聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲，如圖11所示，分析結(jié)果表明，考慮結(jié)構(gòu)噪聲會使全封閉金屬吸聲板聲屏障、全封閉混凝土聲屏障降噪量分別降低7～9 dB、3～5 dB?？梢姡诼暺琳辖翟胄阅苎芯繒r，已綜合考慮結(jié)構(gòu)輻射噪聲的影響。

圖11 全封閉聲屏障二次結(jié)構(gòu)噪聲研究[42]Fig.11 Research on structure-borne noise of fully-enclosed sound barriers[42]

4 結(jié)論與展望

通過梳理2019年軌道交通橋梁及橋上聲屏障振動噪聲的研究進展，總結(jié)了當前研究的熱點和下一階段研究的重點：

1)橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測的高效算法。隨著橋梁建造技術(shù)的進步，軌道交通橋梁跨度越來越大，混凝土連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)以及大跨度鋼橋在軌道交通高架中的應(yīng)用也越來越多，這為橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測提出了新的挑戰(zhàn)。在保證預(yù)測精度的情況下提高預(yù)測效率，是當前軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲研究中的一個熱點問題。

2)基于聲學(xué)超材料、聲子晶體理論的橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制研究。隨著人們環(huán)保意識的逐漸提高，軌道交通沿線居民對噪聲問題的投訴日益增多。如何有效地降低軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲對沿線居民生活的影響仍將是軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲研究的一個熱點問題。以軌道減振和橋梁結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化研究為主，基于聲學(xué)超材料、聲子晶體理論開展軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制是未來的發(fā)展方向。

3)約束阻尼材料用于鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲控制研究。阻尼材料用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的減振降噪操作簡單、便捷且效果顯著，隨著聲子晶體及聲學(xué)超材料的發(fā)展，周期性阻尼材料不僅能起到抑振抑噪的效果，還能在特定頻帶(阻帶)內(nèi)阻振阻噪。因此，周期性阻尼材料將成為鋼橋減振降噪領(lǐng)域研究的熱點。

4)新型減載式聲屏障的研發(fā)與運用。傳統(tǒng)直立式聲屏障、封閉式聲屏障在中高頻降噪性能良好，但隨著列車速度提高，聲屏障自身振動與二次噪聲問題越來越嚴重。有必要基于聲學(xué)超材料、噪聲主動控制等技術(shù)，改善聲屏障的低頻降噪性能，研發(fā)新型減載式聲屏障，并應(yīng)用于高速鐵路或軌道交通橋梁。