阻尼板材在高架軌道箱梁結構噪聲控制中的應用研究

歐開寬，羅 錕，雷曉燕

(華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌 330013)

列車在高架橋梁結構上運行時，會誘發(fā)橋梁結構振動噪聲問題[1-2]，近年來，高架橋梁結構振動噪聲問題越來越突出。橋梁結構振動會對周圍結構造成一定危害，橋梁結構噪聲頻率低、衰減慢和影響范圍廣等，長期處于該環(huán)境中會對人體健康造成一定的危害[3-5]。因此，對橋梁結構開展減振降噪研究具有重要的現(xiàn)實意義。目前，國內外學者對橋梁結構噪聲做了大量的研究。文獻[6]在混凝土箱梁結構噪聲試驗的基礎上，研究了不同軌道結構對橋梁結構噪聲的影響。文獻[7]利用數(shù)值仿真的方法，研究了不同降噪措施下混凝土U梁的噪聲特性。文獻[8]通過有限元、邊界元方法及聲學試驗，研究了混凝土箱梁原型與模型結構噪聲之間的相似關系。文獻[9]通過模態(tài)聲傳遞向量法，分析了箱梁與槽型梁結構噪聲的特點。文獻[10]研究了槽形梁結構噪聲特性，并對結構低頻噪聲進行了合理優(yōu)化。文獻[11]利用有限元法，研究了時速60 km的列車過橋時橋梁結構噪聲輻射特性。文獻[12]研究了TD09型阻尼板材在鐵路箱型橋梁中的減振性能。文獻[13]通過現(xiàn)場測試，分析了扣件剛度與阻尼對鐵路箱梁結構噪聲的影響。文獻[14]研究了約束阻尼層對鐵路常用的鋼板組合橋結構噪聲控制的影響。文獻[15]研究了U梁在列車荷載作用下的結構噪聲的聲輻射規(guī)律。

目前，將阻尼材料用于箱梁結構噪聲試驗研究的相對較少。本文以京滬高速鐵路32 m無砟軌道箱梁結構為原型，設計制作1/10的模型試驗系統(tǒng)。通過模型試驗，研究了阻尼板材對高架軌道箱梁結構噪聲的降噪效果。

1 原型概況

原型結構為京滬高鐵常用的32 m無砟軌道箱梁結構，由梁體、底座板、CA砂漿層、軌道板等組成。其中，箱梁體為預應力混凝土結構，全長32 m，計算跨徑31.40 m，頂板寬12.00 m，梁高3 m，采用C50混凝土澆筑，底板寬5.5 m，上部結構為CRTS-II型雙線板式無砟軌道。

2 模型結構制作

完整的模型為無砟軌道箱梁系統(tǒng)，按照1/10的幾何尺寸制作的模型結構。文中的高架軌道箱梁模型結構為軌道-箱梁結構，即軌道板-CA砂漿層-底座板-箱梁結構，從下到上依次為梁體、底座板、CA砂漿層及軌道板，不含有鋼軌。為進行不同工況研究，先安裝一側軌道板結構，進行相應的試驗后，再安裝另一側。軌道-箱梁結構如圖1所示，幾何尺寸如圖2所示。

(1) 箱梁

箱梁原型結構為單孔雙線鋼筋混凝土簡支箱梁。模型結構按照幾何相似比1/10進行設計，采用自密實混凝土和鋼絲等材料現(xiàn)場制作，使用性能相似的4 mm鋼絲代替受力鋼筋，使用2 mm鋼絲代替箍筋，經(jīng)驗證，其強度能夠滿足本實驗要求。待養(yǎng)護28天后測得梁體密度為2 203 kg/m3、彈性模量為30 GPa。箱梁和橋墩之間通過彈性支座連接，支座剛度為2.8×108N/m。

(2) 底座板

根據(jù)模型設計，混凝土底座板寬度為295 mm，厚為30 mm，兩條底座板的中心相距500 mm。底座板在養(yǎng)護后的箱梁體上澆筑。為保證底座板的強度、完整性及與原型能夠相似，在底座板內布置一定數(shù)量的鋼筋網(wǎng)結構。鋼筋網(wǎng)結構中主筋為2 mm細鋼筋，鋼筋網(wǎng)用扎絲扎勞。經(jīng)驗證，其強度能夠滿足試驗要求。養(yǎng)護后測得底座板密度為2 149 kg/m3、彈性模量為32.7 GPa。

(3) 橡膠板層

在原型結構中，底座板與軌道板之間為CA砂漿層。在模型設計中，用橡膠板進行代替，數(shù)值仿真模擬時，使用彈簧單元進行模擬。橡膠板厚度為10 mm，使用阻尼膏將橡膠板固定在底座板與軌道板之間。經(jīng)測定，橡膠板密度為1 550 kg/m3，剛度為3.5x107N/m，彈性模量為3.6 GPa。

(4) 軌道板

軌道板單獨預制，安裝時只需將預制好的軌道板粘結固定在橡膠板層上。由于制作工藝的限制，軌道板上側設計為長方體凸臺。根據(jù)模型設計，軌道板模型長為645 mm，寬為255 mm，厚為30 mm，兩條軌道板的中心相距500 mm。軌道板內布置縱向直徑為2 mm、橫向直徑為2 mm的鋼筋片網(wǎng)結構，為確保凸臺與軌道板完整性，在凸臺部分設計了一部分彎起鋼筋。經(jīng)過驗算，鋼筋網(wǎng)的強度滿足試驗要求。養(yǎng)護后測得軌道板密度為2 253 kg/m3、彈性模量為28.8 GPa。

圖1 軌道-箱梁模型結構Fig.1 Track-box girder model structure

圖2 軌道-箱梁結構幾何尺寸(mm)Fig.2 Geometric size of track-box girder (mm)

3 相似關系

根據(jù)相似理論，原型與模型結構涉及的物理量有：荷載F、幾何尺寸L、截面慣性矩I、質量m、重力加速度g、阻尼c、時間T、頻率f、箱梁彈性模量E1、箱梁泊松比σ1、箱梁密度ρ1、箱梁位移δ1、支座剛度k1、箱梁速度v1、箱梁加速度a1、底座板彈性模量E2、底座板密度ρ2、底座板泊松比σ2、底座板位移δ2、底座板速度v2、底座板加速度a2、橡膠板剛度k2、軌道板彈性模量E3、軌道板密度ρ3、軌道板泊松比σ3、軌道板位移δ3、軌道板速度v3、軌道板加速度a3。以幾何尺寸L、箱梁密度ρ1、箱梁彈性模量E1作為控制參數(shù)，通過量綱分析法[16-18]可推導出原型與模型結構各參數(shù)間的相似關系，并根據(jù)實測，即可得各參數(shù)的相似比，結果如表1所示。其中，箱梁幾何尺寸L相似比為10，箱梁彈性模量E1相似比為1.206 7，箱梁密度ρ1相似比為1.134 5。

表1 相似關系

4 試驗測試

本文將使用阻尼材料進行橋梁結構噪聲控制模型試驗研究。

4.1 測試概況

試驗儀器有激振器、德國HEAD振動噪聲采集分析系統(tǒng)和GRAS傳聲器，試驗儀器如圖3所示。測試前，各個儀器、傳感器等均經(jīng)過標定。由于現(xiàn)場列車車輛過橋的荷載比較復雜，模型橋僅采用激振器施加激勵進行模擬。激振器荷載類型為隨機猝發(fā)信號，采集頻率為1～1 024 Hz。整個測試過程都在半消聲室內進行，試驗前使用吸聲棉包裹激振器做一定的隔聲處理，盡最大可能避免影響測試結果。

(a) GRAS傳聲器(b) HEAD采集系統(tǒng)圖3 試驗儀器Fig.3 Test Instruments

4.2 阻尼板材

TD09型高性能阻尼板材是一種在汽車、航天及船舶中應用較多的減振降噪材料。它是以阻尼膠、阻尼填料、交聯(lián)劑、阻燃劑等為原材料的黑色平整塊狀結構，厚度約為1 cm，其敷設施工簡單、使用時間長、不易老化，可以很好的抑制箱梁結構的振動噪聲，適合在箱梁平整的表面上敷設，因此，本文選擇TD09型阻尼板材進行試驗研究。

4.3 工況及測點設置

為了從試驗的角度分析阻尼板材敷設位置對箱梁結構噪聲的影響，試驗中分別在箱梁不同面板敷設阻尼板材。根據(jù)阻尼板材的敷設位置，建立了四種工況，如表2所示，阻尼板材敷設位置如圖4所示。為避免試驗本身造成的影響，各工況下僅阻尼板材的敷設位置有差異，阻尼板材的材質、敷設工藝等相同，試驗的激勵及激勵位置相同，其他試驗條件相同。各測試工況下阻尼板材敷設位置都靠近含有軌道板結構的一側。

在橋梁結構跨中截面布置5個GRAS傳聲器。五個測點1～5的位置為：軌道板上方0.05 m，翼緣板上方0.05 m和翼緣板下方位置0.05 m，腹板左側0.05 m及底板下方0.05 m各1個，激勵作用點及傳聲器的位置如圖4所示。

表2 工況設置

5 試驗結果分析

為研究阻尼板材的降噪效果，將未敷設阻尼板材的試驗測試結果與敷設阻尼板材的試驗測試結果進行對比分析。

5.1 翼緣板敷設阻尼板材的降噪效果分析

將未敷設阻尼板材的測試結果與翼緣板下側敷設阻尼板材的測試結果進行對比，即將工況1與工況2對比，兩種工況的測試如圖5所示。橋梁結構噪聲以低頻為主，為與規(guī)范進行對比，分析時采用A計權聲壓級，兩種工況下各測點的A計權聲壓級有效值如表3所示，兩種工況下各測點的實測頻域聲壓級對比如圖6所示。

(a) 工況1(b) 工況2(c) 工況3(d) 工況4

表3 測點聲壓級有效值

由表3及圖6可以發(fā)現(xiàn)：① 在翼緣板下側敷設阻尼板材對箱梁結構噪聲具有一定的降噪效果，各位置處的降噪效果有所不同，翼緣板的上側與下側、腹板及底板位置噪聲分別降低了1 dB(A)、1.6 dB(A)、1.1 dB(A)、1.2 dB(A)，敷設阻尼板材處的降噪效果最好，而軌道板靠近激勵源，降噪效果不明顯；② 各測點噪聲的峰值頻段均為200～1 000 Hz，且阻尼板材在峰值頻段內均具有一定的降噪效果，其中翼緣板的上側與下側、腹板及底板處測點在峰值頻率500 Hz處噪聲降噪分別約為1.3 dB(A)、1.1 dB(A)、1.1 dB(A)及3.4 dB(A)。

(a) 工況1

(b) 工況2圖5 結構噪聲測試過程Fig.5 Structural noise testing process

(a) 測點1比較(b) 測點2比較(c) 測點3比較

(d) 測點4比較(e) 測點5比較圖6 各測點聲壓級1/3倍頻程頻譜Fig.6 Sound pressure level 1/3 octave spectrum of each measuring point

5.2 腹板敷設阻尼板材的降噪效果分析

將未敷設阻尼板材的測試結果與腹板敷設阻尼板材的測試結果進行對比，即將工況1與工況3對比，結構噪聲測試如圖7所示，各測點的A計權聲壓級有效值如表4所示，各測點的實測頻域聲壓級對比如圖8所示。

表4 測點聲壓級有效值

由表4及圖8可以發(fā)現(xiàn)：① 在腹板敷設阻尼板材對箱梁結構噪聲具有一定的降噪效果，各位置處的降噪效果有所不同，翼緣板的上側與下側、腹板及底板處噪聲分別降低了1.3 dB(A)、0.1 dB(A)、1.5 dB(A)、3.8 dB(A)，底板處的降噪效果最好，腹板次之，而翼緣板下側處降噪效果不明顯。② 各測點噪聲的峰值頻段

(a) 工況1

(b) 工況3圖7 結構噪聲測試過程Fig.7 Structural noise testing process

(a) 測點1比較(b) 測點2比較(c) 測點3比較

(d) 測點4比較(e) 測點5比較圖8 各測點聲壓級1/3倍頻程頻譜Fig.8 Sound pressure level 1/3 octave spectrum of each measuring point

均為200～1 000 Hz，阻尼板材在峰值頻段內均具有一定的降噪效果，其中翼緣板的上側與下側、腹板及底板處測點在峰值頻率500 Hz處噪聲降噪分別約為0.5 dB(A)、0.9 dB(A)、1 dB(A)及4.4 dB(A)。

5.3 腹板與翼緣板同時敷設阻尼板材的降噪效果分析

在箱梁腹板與翼緣板下側位置同時敷設阻尼板，即將工況1與工況4對比，結構噪聲測試如圖9所示，各測點的A計權聲壓級有效值如表5所示，各測點的實測頻域聲壓級對比如圖10所示。

表5 測點聲壓級有效值

由表5及圖10可以發(fā)現(xiàn)：① 在腹板及翼緣板下側同時敷設阻尼板材對箱梁結構噪聲具有一定的降噪效果，各位置處的降噪效果有所不同，翼緣板的上側與下側、腹板及底板位置噪聲分別降低了0.8 dB(A)、0.8 dB(A)、1.4 dB(A)、3 dB(A)，底板處的降噪效果最好，腹板次之，翼緣板上側與下側處降噪效果較小。② 各測點噪聲的峰值頻段均為200～1 000 Hz，阻尼板材在峰值頻段內均具有一定的降噪效果，其中翼緣板的上側與下側、腹板及底板位置測點在峰值頻率500 Hz處噪聲降噪分別約為1.5 dB(A)、1.1 dB(A)、0.8 dB(A)及5.3 dB(A)。

(a) 工況1

(b) 工況4圖9 結構噪聲測試過程Fig.9 Structural noise testing process

(a) 測點1比較(b) 測點2比較(c) 測點3比較

(d) 測點4比較(e) 測點5比較圖10 各測點聲壓級1/3倍頻程頻譜Fig.10 Sound pressure level 1/3 octave spectrum of each measuring point

6 結 論

本文以京滬高速鐵路32 m無砟軌道箱梁結構為原型，設計制作1/10的模型試驗系統(tǒng)。通過模型試驗，研究了阻尼板材對高架軌道箱梁結構噪聲的降噪效果，主要結論如下：

(1) 高架軌道箱梁結構噪聲峰值頻段為200～1 000 Hz，敷設TD09型阻尼板材在峰值頻段內具有一定的降噪效果。

(2) 在峰值頻率500 Hz處，翼緣板敷設阻尼板材時，翼緣板下側降噪效果最好，降噪約為1.6 dB(A)，翼緣板上側靠近軌道板降噪效果最差；腹板敷設阻尼板時，底板處降噪效果最好，降噪可達3.8 dB(A)；腹板及翼緣板同時敷設阻尼板材時，底板處降噪效果最好，降噪可達3 dB(A)。

(3) 阻尼板材對橋梁結構降噪效果與阻尼板材敷設位置有關，阻尼板材在橋梁結構噪聲控制中有一定的應用價值。