槽形梁上不同軌道結(jié)構(gòu)的降噪效果研究

楊 力，石廣田，杜 淼，李培軒，宋 杲

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州730070）

截至2019年底，我國城市軌道交通高架線路已達(dá)到1 449.4公里，占運(yùn)營總里程的21.5%。軌道交通車輛通過橋梁時，輪軌間相互作用力使得橋梁自身發(fā)生劇烈振動，并向外輻射噪聲。李小珍等[1]現(xiàn)場實(shí)測了混凝土簡支箱梁橋的結(jié)構(gòu)噪聲，Zhang等[2]通過間接邊界元方法預(yù)測了箱梁橋的結(jié)構(gòu)噪聲，李克冰等[3]采用間接邊界元法對槽型梁結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了分析，宋曉東等[4]采用2.5D 聲學(xué)無限元方法預(yù)測了槽形梁噪聲頻譜特性和空間分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，混凝土槽型梁結(jié)構(gòu)噪聲穿透性強(qiáng)、衰減慢，對沿線聲環(huán)境造成極為不利的影響。

為降低高架線路橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，國內(nèi)外學(xué)者研究了腹板開孔[5]、設(shè)置橫肋[6]等改變橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的方案以及鋪設(shè)梯形軌枕、設(shè)置浮置板道床和采用高彈性扣件等改變橋上軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪手段。石蕊等[7]探究了高架線路上鋼彈簧浮置板減振軌道在外激勵作用下的中低頻振動特性，戰(zhàn)家旺等[8]采用實(shí)驗(yàn)分析研究了梯形軌枕軌道降噪性能，馮登宇等[9]現(xiàn)場實(shí)測了鋪設(shè)整體道床高架線路噪聲，詹彩娟[10]對地鐵中等減振扣件系統(tǒng)進(jìn)行了減振性能測試，宋曉東等[11]分析了聲屏障的降噪效果。但大多數(shù)研究只針對某一項(xiàng)降噪措施進(jìn)行分析，較少綜合研究減振降噪措施與高架線路橋梁的匹配問題。

本文以城市軌道交通槽型梁為研究對象，采用有限元-邊界元方法，計算了列車移動載荷作用下的槽型梁聲振特性，深入研究了槽型梁聲輻射規(guī)律。在此基礎(chǔ)上分析了普通整體道床、采用高彈性扣件的減振軌道和鋪設(shè)橡膠浮置板減振軌道三種降噪措施的降噪效果。分析結(jié)果對于橋上減振降噪措施選取具有一定的指導(dǎo)意義。

1 槽型梁聲學(xué)預(yù)測模型

基于車輛-軌道-橋梁相互作用理論建立整體道床和橡膠浮置板減振軌道兩種軌道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型。車輛動力學(xué)模型采用目前已經(jīng)普遍使用的35自由度動力學(xué)模型，具體參數(shù)參考某地鐵A型車[12]。橋梁結(jié)構(gòu)選擇某工程實(shí)際中使用的30 m 混凝土槽形梁[13]。

利用有限元方法分別建立橡膠浮置板-槽形梁有限元模型和普通整體道床-槽形梁有限元模型。如圖1所示。橡膠浮置板-槽形梁有限元模型包括鋼軌、扣件系統(tǒng)、浮置板道床、橡膠墊層、底座以及槽形梁。而普通整體道床-槽形梁有限元模型相對簡單，圖2所示。

圖1 橡膠浮置板-槽形梁有限元模型

圖2 普通整體道床-槽形梁有限元模型

其由鋼軌、扣件系統(tǒng)、整體道床和槽形梁組成。其中，鋼軌采用Beam188 單元模擬60 kg/m 鋼軌，扣件系統(tǒng)和橡膠墊層采用Combin14 單元模擬，浮置板、道床板和底座采用Solid45 單元，橋梁選用Shell63單元，橋梁采用簡支約束。具體有限元建模參數(shù)如表1所示。

表1 橋梁及橋上軌道結(jié)構(gòu)有限元模型參數(shù)

本文采用時程瞬態(tài)分析方法計算了地鐵車輛以80 km/h 的速度通過槽形梁橋時橋梁結(jié)構(gòu)自身振動響應(yīng)。以此振動響應(yīng)作為邊界條件，使用邊界元方法計算槽形梁聲輻射特性。

槽形梁橋主要由底板及左右腹板組成，為充分研究槽形梁底板及腹板聲輻射規(guī)律，將研究聲場分為垂直聲場和水平方向聲場。如圖3（a）所示，在槽形梁跨中位置，底板上下10 m、垂直中心線左右25 m作為槽型梁垂向研究聲場。以距槽型梁底板1 m，與垂向研究聲場面垂直平面作為其水平方向研究聲場，此聲場與橋梁跨度等長，寬度為橋梁垂直中心線左右25 m，如圖3（b）所示。垂向研究聲場中，在槽形梁垂直中心線上每間隔2 m 設(shè)置8 個采樣點(diǎn)作為槽型梁垂向聲場考察點(diǎn)，稱為垂直中心線測點(diǎn)。在槽形梁下方10 m，垂直中心線右側(cè)每間隔5 m設(shè)置5個采樣點(diǎn)作為槽形梁地面位置考察點(diǎn)，稱為地面位置測點(diǎn)。在水平聲場與垂直聲場重合線上橋梁附近每間隔2 m 設(shè)置5 個采樣點(diǎn)作為槽形梁近聲場考察點(diǎn)，稱為近聲場測點(diǎn)。

圖3 研究聲場設(shè)置

2 槽型梁的聲振特性

槽形梁上鋪設(shè)普通整體道床，采用普通扣件，剛度取60 MN/m。軌道交通車輛以80 km/h 的速度通過槽型梁橋時，輪軌間相互作用使得橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈振動。槽形梁各板件加速度如圖4所示。

圖4 槽形梁各板件加速度時域曲線

底板振動加速度最大，其最大值超過1.5 m/s2；左右腹板振動加速度相對較小，其最大值僅0.17 m/s2。故槽形梁橋底板為主要聲學(xué)貢獻(xiàn)部件，兩側(cè)腹板為次要聲學(xué)貢獻(xiàn)部件。在后續(xù)的分析過程中將主要針對底板進(jìn)行分析，聲場分析也主要集中于垂向聲場，水平方向聲場作為補(bǔ)充研究聲場。

槽形梁振動加速度規(guī)律云圖如圖5所示。槽形橋底板振動形式主要為垂直方向上的彎曲振動，兩側(cè)腹板的振動形式主要為水平方向上的彎曲振動；在較低頻率下，槽形梁底板與腹板振動劇烈程度接近，在較高頻率時，槽形梁底板振動明顯強(qiáng)于腹板振動。

圖5 槽形梁振動加速度規(guī)律云圖

槽型梁橋主要承載部件為底板，兩側(cè)腹板使得底板上部強(qiáng)度得到加強(qiáng)，故槽形梁底板不易發(fā)生向上彎曲振動。垂向聲場中槽形梁聲輻射規(guī)律云圖如圖6所示。

圖6 槽形梁聲輻射規(guī)律云圖（垂向聲場）

自由聲場中，槽形梁聲輻射主要向橋梁下方傳播，如10 Hz 時槽形梁聲輻射規(guī)律呈現(xiàn)較為規(guī)則的均勻傳播。隨著兩側(cè)腹板振動加劇，垂向聲場受到腹板影響出現(xiàn)不同變形，如18 Hz附近，腹板振動強(qiáng)于底板振動，垂向聲場呈現(xiàn)由橋梁向兩側(cè)傳播的特點(diǎn)；如40 Hz 和74 Hz 附近時，腹板振動與底板振動烈度接近，垂向聲場呈現(xiàn)由橋梁向其下部及兩側(cè)傳播的特點(diǎn)。更高頻率時，底板振動烈度遠(yuǎn)大于腹板振動，腹板的影響逐漸消失，但橋梁局部振動加劇，其影響接近橋梁主振形式影響，橋梁聲輻射規(guī)律呈現(xiàn)復(fù)雜的無序性狀態(tài)。

圖7 為水平方向聲場中槽形梁聲輻射規(guī)律云圖，影響水平方向聲場的主要為槽形梁腹板振動。槽型梁橋腹板在水平方向的彎曲振動隨著頻率的增加，彎曲階數(shù)逐漸增加，使得水平方向聲場聲輻射規(guī)律出現(xiàn)一個或多個對稱聲輻射集中點(diǎn)向橋梁兩側(cè)散射。隨著頻率升高，槽形梁底板振動加劇，使其成為聲輻射主要貢獻(xiàn)板件，腹板的聲輻射貢獻(xiàn)被底板聲輻射掩蓋，使得水平聲場出現(xiàn)中心有條狀集中的特點(diǎn)。

圖7 槽形梁聲輻射規(guī)律云圖（水平方向聲場）

槽形梁輻射聲功率如圖8所示。在50 Hz～100 Hz 和150 Hz～200 Hz 時存在3 個極大值，最大值超過80 dB。在垂向聲場中選取垂直中心線測點(diǎn)和地面測點(diǎn)上的3 個采樣點(diǎn)，提取線性聲壓級如圖9 所示。SF1采樣點(diǎn)最接近槽形梁，SF2采樣點(diǎn)次之，SF3采樣點(diǎn)最遠(yuǎn)。采樣點(diǎn)獲得的線性聲壓級依次減小。SF1采樣點(diǎn)處線性聲壓級最大值接近70 dB。

圖8 輻射聲功率頻域曲線

圖9 線性聲壓級頻域曲線

SF1～SF3 3 個采樣點(diǎn)處的總聲壓級分別為92.96 dB、86.90 dB、70.08 dB。根據(jù)ISO3095－2013標(biāo)準(zhǔn)，距離線路中心線7.5 m，高1.2 m處測點(diǎn)總聲壓級也達(dá)到了73.03 dB。根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096-1993）規(guī)定，Ⅳ類區(qū)域的道路兩側(cè)白天不超過70 dB，夜間不超過55 dB。所以有必要考慮針對槽形梁采取降噪措施，降低其聲輻射。

3 槽形梁上不同軌道結(jié)構(gòu)的降噪效果

城市軌道交通中使用了大量的減振軌道來減輕運(yùn)行帶來的振動噪聲問題，本文以常用的普通整體道床、高彈性扣件、橡膠浮置板減振軌道為例，對比3種軌道結(jié)構(gòu)對槽形橋聲振特性的影響。設(shè)置工況情況如表2所示。

表2 仿真工況設(shè)置

城市軌道交通車輛以80 km/h 的速度通過四種工況的高架橋梁線路時，垂向聲場垂直中心線測點(diǎn)獲得的總聲壓級如圖10所示。采用高彈性扣件，減小了橋梁系統(tǒng)剛度，降低了向橋梁傳遞的振動能量，使得各測點(diǎn)獲得的總聲壓級隨扣件剛度的減小而降低。扣減剛度從60 MN/m降低到10 MN/m，各測點(diǎn)總聲壓級降低在2 dB 之內(nèi)。采用橡膠浮置板減振軌道與普通整體道床相比，橋梁正下方10 m處的總聲壓級從86.90 dB降至82.34 dB。

圖10 垂直中心線測點(diǎn)總聲壓級對比

圖11 為垂向聲場地面測點(diǎn)獲得的總聲壓級。從整體趨勢來看，高架線路設(shè)計時，考慮一定的避讓距離，能夠很好地降低橋梁聲輻射影響，15 m～25 m范圍內(nèi)的避讓距離可以使總聲壓級降低至65 dB以下。對比不同軌道結(jié)構(gòu)的影響，可以看出，采用高彈性扣件對于降低橋梁聲輻射具有一定的作用，但采用橡膠浮置板減振軌道結(jié)構(gòu)比僅采用高彈性扣件的降噪效果更佳。

圖11 地面測點(diǎn)總聲壓級對比

垂向聲場中近聲場測點(diǎn)獲得的總聲壓級如圖12所示，橫軸為場點(diǎn)距橋梁垂直中心線距離，以聲場右方向?yàn)檎较?。由于左右腹板結(jié)構(gòu)不同，有疏散平臺腹板側(cè)的總聲壓級略低于無疏散平臺腹板側(cè)。在腹板遮蔽作用的影響下，橋梁內(nèi)部距垂直中心線左右2 m 處的總聲壓級較小。在對比降噪效果上，相較于高彈性扣件，橡膠浮置板減振軌道的降噪效果更加突出。

圖12 近聲場測點(diǎn)總聲壓級對比

對比工況Ⅰ與工況Ⅳ下槽形梁輻射聲功率頻域曲線如圖13 所示。鋪設(shè)普通整體道床與橡膠浮置板減振軌道的槽形橋輻射聲功率曲線走勢一致，橡膠浮置板減振軌道對應(yīng)的輻射聲功率幅值略低。由此可知，相較于普通整體道床，橡膠浮置板減振軌道降低了振動能量向槽形梁的傳遞，進(jìn)而使得槽形梁聲輻射能力得到了降低，達(dá)到降噪的效果。

圖13 輻射聲功率對比

根據(jù)ISO3095－2013 標(biāo)準(zhǔn)，距離線路中心線7.5 m，高1.2 m 處測點(diǎn)各工況下總聲壓級如圖14 所示。橋上鋪設(shè)普通整體道床，用高彈性扣件進(jìn)行減振降噪在該測點(diǎn)得到的總聲壓級可降至70 dB以上的水平。但是鋪設(shè)橡膠浮置板減振軌道的工況下，該測點(diǎn)所得到的總聲壓級已降至69.8 dB，符合《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096－1993）規(guī)定要求。

圖14 ISO3095－2013標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)總聲壓級

綜上所述，通過工況Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的對比可知，高彈性扣件的使用能夠在一定程度上降低槽型梁橋聲輻射，但從降噪效果上來看，作用有限。通過工況Ⅰ和工況Ⅳ的對比可知，橡膠浮置板減振軌道相對于普通整體道床具有明顯的減振降噪效果，橋梁正下方10 m處總聲壓級降低了4.5 dB。

4 結(jié)語

本文采用列車-軌道-橋梁相互作用理論和有限元-邊界元方法，對比分析了鋪設(shè)普通整體道床、高彈性扣件軌道以及橡膠浮置板減振軌道槽形梁的聲輻射特性，分析了3 種軌道結(jié)構(gòu)的降噪效果。主要結(jié)論如下所示：

（1）槽形梁橋以其底板為主要聲學(xué)貢獻(xiàn)部件，其在垂向聲場中主要傳播方向?yàn)闃蛳路较?。槽形梁橋腹板振動產(chǎn)生的聲輻射在較低頻率時對垂向聲場有一定影響，在較高頻率時不明顯。通過控制槽形梁橋底板聲學(xué)貢獻(xiàn)，可降低槽型梁橋聲輻射。

（2）槽形橋上鋪設(shè)普通整體道床，采用高彈性扣件對減弱槽形梁聲輻射有一定作用，扣件剛度從60 MN/m 降到10 MN/m，各測點(diǎn)總聲壓級降低約2 dB。

（3）橡膠浮置板減振軌道對槽形梁結(jié)構(gòu)噪聲的控制效果更加明顯，與普通整體道床和高彈性扣件軌道相比，噪聲分別降低了約4.5 dB和0.5 dB。