基于實(shí)測數(shù)據(jù)的典型高速鐵路橋梁區(qū)段噪聲對比

李 茜,張 迅,張金瑞,劉子琦,劉付妙真,汪 燚

(西南交通大學(xué)橋梁工程系,成都 610031)

高速鐵路是交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重大創(chuàng)新成果，并已成為中國現(xiàn)代化交通體系的主干。截止2020年底，我國高速鐵路營業(yè)總里程約3.9萬km，高居世界第一，實(shí)現(xiàn)了世界上最發(fā)達(dá)的高速鐵路網(wǎng)。

綜合考慮地形地質(zhì)條件、軌道平順性、建設(shè)工期、全壽命周期成本等因素，我國高速鐵路的橋梁比例非常高，遠(yuǎn)大于法國、德國等國家。高速鐵路發(fā)展帶來的環(huán)境噪聲問題隨著列車速度的不斷增大愈發(fā)嚴(yán)峻，且降噪難度大、成本高，是公認(rèn)的國際性難題。高速鐵路噪聲是多種聲源構(gòu)成的混合噪聲，主要包括輪軌噪聲、弓網(wǎng)噪聲、空氣動力噪聲、橋梁結(jié)構(gòu)噪聲等，因此，噪聲源分布及頻譜成分極為復(fù)雜[1-2]。

許多學(xué)者對我國高速鐵路橋梁區(qū)段的車外噪聲進(jìn)行了一系列的現(xiàn)場實(shí)測。LI和ZHANG等[3-4]通過對32 m混凝土簡支箱形梁進(jìn)行現(xiàn)場測試，驗(yàn)證了其提出的橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測方法的可靠性；何賓等[5]對有/無聲屏障區(qū)段的列車運(yùn)行噪聲進(jìn)行了測量，以驗(yàn)證聲屏障插入損失預(yù)測模型的可靠性。為開發(fā)預(yù)測模型計(jì)算車外難以測量的任意位置聲級，DENG等[6]對高速鐵路車外噪聲進(jìn)行了一系列的現(xiàn)場實(shí)測；HE和楊妍等[7-8]對高速列車分別通過路基和橋梁區(qū)段的環(huán)境噪聲進(jìn)行了實(shí)測和對比；劉華蘭等[9]通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲得了我國高速鐵路不同速度區(qū)間下的噪聲源強(qiáng)特性變化規(guī)律，并與普通鐵路進(jìn)行了對比；ZHANG等[10]對高速列車以200～350 km/h運(yùn)行時的列車運(yùn)行輻射噪聲進(jìn)行了測試，得到了等效連續(xù)A聲級隨速度變化的擬合曲線；劉全民等[11]對鋼-混結(jié)合板梁橋在敷設(shè)約束阻尼層前后分別進(jìn)行了現(xiàn)場測試，獲得了約束阻尼層的降噪效果。

盡管高速鐵路中橋梁的占比越來越高，但當(dāng)前有針對性的振動噪聲試驗(yàn)卻非常有限，且缺乏對不同橋型實(shí)測結(jié)果的綜合對比分析。為此，基于4座高速鐵路橋梁的噪聲實(shí)測數(shù)據(jù)，對路旁噪聲的頻譜特性和衰減規(guī)律進(jìn)行對比分析。4座橋梁分別為設(shè)計(jì)速度200 km/h的混凝土簡支箱形梁橋(簡稱“橋1”)、設(shè)計(jì)速度350 km/h的混凝土簡支箱形梁橋(簡稱“橋2”)、設(shè)計(jì)速度350 km/h的混凝土簡支槽形梁橋(簡稱“橋3”)、設(shè)計(jì)速度250 km/h的鋼-混組合連續(xù)板梁橋(簡稱“橋4”)。研究結(jié)果可為基于聲學(xué)性能的橋梁結(jié)構(gòu)選型和高速鐵路橋梁區(qū)段減振降噪設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時也可為今后進(jìn)一步的理論研究提供參考。

1 噪聲測量點(diǎn)及評價量

結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)，將高速鐵路橋梁區(qū)段的噪聲測點(diǎn)布置歸納為5類，如圖1所示。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3095—2013[12]，測量列車運(yùn)行輻射噪聲的標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)通常布置在水平向距軌道中心線7.5 m、垂向距軌面1.2 m的M1處；當(dāng)速度≥200 km/h時，將標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)布置在水平向距軌道中心線25 m、垂向距軌面3.5 m的M3處；當(dāng)上部結(jié)構(gòu)有重要聲源時，應(yīng)在水平向距軌道中心線7.5 m、垂向距軌面3.5 m的M2處增設(shè)測點(diǎn)。

目前，我國鐵路環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB 12525—1990《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》[13]及其修改方案[14]。根據(jù)規(guī)定，鐵路邊界噪聲是指機(jī)車車輛運(yùn)行時，在距鐵路外側(cè)軌道中心30 m、高于地面1.2 m處的噪聲，即圖1中的P1。

聲屏障是我國高速鐵路降噪的主要措施，其中，傳統(tǒng)直立式聲屏障最為常見，高度一般為2.15～3.15 m[15]。考慮到聲屏障的高度，聲屏障降噪效果評價測點(diǎn)通常布置在軌面以上1.5 m、距軌道中心線30 m處[16]，見圖1中的D1。

圖1中B類測點(diǎn)布置在橋梁各板件附近，通常距離板件0.3 m，用于測量梁體各板件的聲振特性[3-4，11]。例如，圖1中B1、B2處的傳聲器可分別測量箱形梁腹板和底板附近的噪聲。

為研究噪聲的空間分布規(guī)律，可在鐵路兩側(cè)根據(jù)需要布置一系列測點(diǎn)。例如，圖1中的F1～F4可用于測量噪聲隨高度的變化規(guī)律。本研究目的是獲得不同橋型的路旁噪聲差異性，故主要以F類測點(diǎn)為依據(jù)。

圖1 高速鐵路橋梁區(qū)段噪聲測點(diǎn)布置示意(單位：m)

2 混凝土簡支箱形梁橋

2.1 橋1

圖2為某設(shè)計(jì)速度200 km/h的32 m雙線混凝土簡支箱形梁橋。梁體全長32.6 m，梁高2.354 m，梁寬11.4 m。頂板厚0.3～0.4 m，腹板為圓弧形，板厚0.28～0.7 m，底板厚0.28～0.7 m。梁體采用C55混凝土，二期恒載為153.6 kN/m，設(shè)計(jì)活載為ZC，線間距為4.4 m。

圖2 橋1測試現(xiàn)場

橋上采用CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道，扣件為WJ-8型。橋上設(shè)高1.65 m的預(yù)制混凝土遮板，無聲屏障。橋梁跨中底面至地面高3.7 m，軌面至地面高6.8 m，軌面至遮板頂面高0.9 m。

噪聲試驗(yàn)中，在軌面以上2.2 m和地面以上1.5 m，距離外軌中心線7.5，16.25，25，50 m處分別布置測點(diǎn)。列車車型為CRH1，均為過路車。3種速度工況(120、140、160 km/h)的聲壓級頻譜曲線見圖3、圖4。

圖3 軌面以上2.2 m測點(diǎn)的實(shí)測噪聲

圖4 地面以上1.5 m測點(diǎn)的實(shí)測噪聲

以實(shí)測聲壓級峰值10 dB(A)動態(tài)范圍定義為噪聲的顯著頻率區(qū)段。綜合3種工況，得到在軌面以上2.2 m和地面以上1.5 m高度處的噪聲顯著頻段分別為315～3 150 Hz、200～3 150 Hz。顯然，地面以上1.5 m處的噪聲顯著頻段更寬，主要原因是橋梁側(cè)下方區(qū)域由混凝土箱形梁產(chǎn)生的低頻結(jié)構(gòu)噪聲成分更多。

從圖3可知，同一測點(diǎn)在不同車速下的聲壓級頻譜曲線呈現(xiàn)出相同的變化趨勢；顯著頻段315～3 150 Hz的噪聲主要由輪軌噪聲引起，在50～63 Hz附近存在一個由箱形梁結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生的峰值；同一速度下，聲壓級隨著水平距離增加而逐漸下降，且高頻噪聲衰減更明顯；當(dāng)水平距離由25 m增加至50 m時，聲壓級衰減不明顯，即噪聲隨水平距離的衰減呈“先快后慢”趨勢。

從圖4可知，相比軌面以上2.2 m處，地面以上1.5 m處的噪聲衰減規(guī)律復(fù)雜。這是因?yàn)橛苫炷料湫瘟寒a(chǎn)生的低頻結(jié)構(gòu)噪聲隨距離的衰減較弱，且橋上遮板大大減少了輪軌噪聲向橋梁側(cè)下方區(qū)域的傳播，導(dǎo)致不同測點(diǎn)位置在不同頻段形成了有差異的“聲影區(qū)”。

各測點(diǎn)在不同速度下的實(shí)測總聲級見表1。

表1 橋1的實(shí)測總聲級 dB(A)

同一速度下，軌面以上2.2 m各測點(diǎn)總聲級隨著水平距離的增大逐漸減小，水平距離由7.5 m增加到50 m時，總聲級降低10.2～11.2 dB(A)。在7.5～16.25 m范圍(近場區(qū))，軌面以上2.2 m測得的總聲級比地面以上1.5 m處高8.3～11.4 dB(A)。在水平距離25 m處，地面以上1.5 m測得的總聲級比軌面以上2.2 m處略大。在25～50 m范圍(遠(yuǎn)場區(qū))，由于遮板和箱形梁自身輪廓對輪軌噪聲傳播的影響有限，此時兩種高度下測得的總聲級差值較小。

2.2 橋2

圖5為某設(shè)計(jì)速度350 km/h的32 m雙線混凝土簡支箱形梁橋。梁體全長32.6 m，梁高3.09 m，梁寬12 m。頂板厚0.34～0.65 m，腹板斜度為1∶4，板厚0.45～1.05 m，底板厚0.28～0.7 m。梁體采用C50混凝土，二期恒載為140 kN/m，設(shè)計(jì)活載為ZK，線間距為5.0 m。

圖5 橋2測試現(xiàn)場

橋上采用CRTS-Ⅱ型板式無砟軌道，扣件為WJ-8C型。橋上無聲屏障，橋梁兩側(cè)設(shè)有人行道欄桿。橋梁跨中底面至地面高3.3 m，軌面至地面高7.1 m。

對CRH380B和CRH380A兩種型號的高速列車以不同速度通過該區(qū)段時的噪聲進(jìn)行測量，時間為聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間。在地面以上1.5 m，距外軌中心線7.5，25，50 m處分別布置測點(diǎn)。在不同測點(diǎn)和不同速度下，兩種車型測得的聲壓級頻譜圖見圖6、圖7，實(shí)測總聲級見表2。

圖6 開行CRH380B時地面以上1.5 m測點(diǎn)的實(shí)測噪聲

圖7 開行CRH380A時地面以上1.5 m測點(diǎn)的實(shí)測噪聲

表2 橋2的實(shí)測總聲級 dB(A)

CRH380B和CRH380A以不同速度通過時，實(shí)測噪聲的顯著頻段分別為315～5 000，125～6 300 Hz；同時，隨著列車速度的增大，顯著頻段有變寬的趨勢。同一測點(diǎn)在不同車速下的聲壓級均符合隨速度增加而增大的規(guī)律。

當(dāng)車速為200～300 km/h時(圖6)，噪聲在2 000 Hz左右的高頻區(qū)存在顯著峰值。當(dāng)車速為300 km/h時，在25 m處峰值聲壓級達(dá)到83.7 dB(A)。

當(dāng)車速從320 km/h逐漸增大時(圖7)，2 000 Hz頻段附近的局部峰值減弱，同時在1 000 Hz頻段附近出現(xiàn)新的峰值，這一方面是車型的影響，但另一方面是車速大于300 km/h時氣動噪聲的增加速度大于輪軌噪聲的增加速度[17]，而氣動噪聲的峰值頻率一般低于輪軌噪聲的峰值頻率[18]。

由表2可知，受混凝土箱梁自身輪廓對輪軌噪聲等上部噪聲的遮擋作用，在7.5 m處測得的噪聲與25 m處的噪聲比較接近甚至更小。例如，當(dāng)列車運(yùn)行速度為350 km/h時，總聲級差值達(dá)到最大值2.6 dB(A)。此外，車型也會對噪聲產(chǎn)生一定的影響。以25 m處測點(diǎn)為例，CRH380B以300 km/h的速度運(yùn)行與CRH380A以320 km/h運(yùn)行測得的噪聲分別為88.1，85.7 dB(A)，即車速增大而實(shí)測總聲級下降。盡管如此，從表2可以看出，同一車型下車速是影響噪聲的主要因素。

3 混凝土簡支槽形梁橋

文獻(xiàn)[19]對設(shè)計(jì)速度350 km/h的32 m雙線混凝土簡支槽形梁橋進(jìn)行了噪聲實(shí)測。槽形梁跨中橫截面見圖8。

圖8 橋3的梁體橫截面[19](單位：cm)

梁體全長32.6 m，梁高3.4 m，頂寬13.8 m，底寬11.1 m，腹板厚0.6 m，底板厚0.35 m。為增加梁體剛度，底板設(shè)有縱梁和橫梁，腹板設(shè)有豎肋。梁體采用C55混凝土，二期恒載為140 kN/m，設(shè)計(jì)活載為ZK，線間距為5 m?？缰械装宓降孛娓?.3 m。

當(dāng)車速為300 km/h時，在地面以上1.2 m，距外軌中心線12.5，25，50 m處分別布置測點(diǎn)，測得聲壓級頻譜曲線見圖9。

圖9 地面以上1.2 m測點(diǎn)的實(shí)測噪聲(車速300 km/h)

槽形梁在地面以上1.2 m處的噪聲顯著頻段為63～5 000 Hz。在100 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)，3個測點(diǎn)處的聲壓級十分接近，這是因?yàn)榈皖l噪聲主要由槽形梁的結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生，而低頻噪聲傳播遠(yuǎn)且隨距離衰減慢。

由于槽形梁兩側(cè)腹板對輪軌噪聲等上部聲源有良好的降噪效果，因此，在整個頻段內(nèi)12.5 m和25 m處測點(diǎn)的聲壓級差別較小。但正是由于槽形梁的腹板高度有限，其對50 m處的降噪效果有限。例如，在400～3 150 Hz，50 m處比25 m處的聲壓級更大，在2 000 Hz附近二者的差值達(dá)到最大值3.7 dB(A)。

就總聲級而言，由于槽形梁腹板對上部噪聲的降噪作用，12.5 m和25 m處的總聲級均為75.2 dB(A)；由于槽形梁的腹板對50 m處降噪效果減弱，故總聲級達(dá)到77.0 dB(A)。

除此之外，文獻(xiàn)[19]對同一線路上與槽形梁相距約500 m處的箱形梁橋進(jìn)行了測試，車型和車速相同，測點(diǎn)布置一致。箱形梁截面尺寸與橋2完全相同，跨中底面至地面高4 m。兩種橋型下測得的聲壓級差值頻譜曲線見圖10，其中，差值為正代表槽形梁在該頻率的聲壓級大于箱形梁。

圖10 槽形梁與箱形梁的噪聲差值(車速300 km/h)

從圖10可以看出，在80 Hz以下頻段，槽形梁各測點(diǎn)處的聲壓級均明顯大于箱形梁，即槽形梁的結(jié)構(gòu)噪聲比箱形梁更大，例如，在12.5 m處差值最大可達(dá)7.4 dB(A)。對于1 000 Hz以上頻段，箱形梁測得的噪聲明顯大于槽形梁，這是由于槽形梁對輪軌噪聲等高頻噪聲有明顯的降噪效果。

4 鋼-混組合連續(xù)板梁橋

圖11為某設(shè)計(jì)速度250 km/h的雙線鋼-混組合連續(xù)板梁橋。橋跨布置為(32+40+32) m，橋面寬為12.4 m，設(shè)計(jì)活載為ZK，二期恒載為160 kN/m。兩片縱梁采用工字形截面，橫向間距6m，縱梁高2.5 m，翼緣寬1.2 m，腹板厚24 mm，翼緣厚50 mm。橋面板采用C50混凝土，橋中心處板厚0.487 m。

圖11 橋4測試現(xiàn)場

橋上采用有砟軌道、Ⅲ型鋼筋混凝土軌枕、Ⅱ型扣件。橋梁兩側(cè)設(shè)置人行道欄桿，無聲屏障。縱梁底板距地面高5.5 m。

在地面以上1.5 m，距外軌中心線7.5，15，30 m處分別布置測點(diǎn)。圖12為CRH5型列車以速度199 km/h、CRH380B型列車以速度207 km/h運(yùn)行時的聲壓級頻譜圖，相應(yīng)的實(shí)測總聲級見表3。

圖12 不同列車運(yùn)行時地面以上1.5 m測點(diǎn)的實(shí)測噪聲

表3 橋4的實(shí)測總聲級 dB(A)

地面以上1.5 m各測點(diǎn)的噪聲顯著頻段為80～5 000 Hz。兩種工況在100 Hz都出現(xiàn)一個局部峰值，這與輪軌力的峰值頻段有關(guān)，對應(yīng)于橋梁結(jié)構(gòu)噪聲[20]。在20～63 Hz的低頻區(qū)，不同測點(diǎn)處的噪聲相差較??；在63～1 000 Hz的中高頻區(qū)，噪聲隨距離衰減比較明顯；在1 250 Hz以上頻段， 30 m處的聲壓級最大，這主要是受到輪軌噪聲等聲源的影響。由于兩種工況下列車的運(yùn)行速度相似，因此，各測點(diǎn)的總聲級比較接近。

5 討論

5.1 噪聲頻譜特性

對比各線路的噪聲頻譜曲線可以發(fā)現(xiàn)：高速列車運(yùn)行時，車外噪聲呈現(xiàn)出寬頻特性；不同橋型、車型和速度下測得的顯著頻率有所差異，且測點(diǎn)位置對顯著頻段也有一定影響。

各測試區(qū)段的顯著頻段匯總于表4。文中4座橋梁測得的共同顯著頻率為200～3 150 Hz，且鋼-混組合梁的噪聲顯著頻段最寬。A計(jì)權(quán)聲壓級曲線均呈現(xiàn)出“中間高、兩邊低”的譜型，其中，低頻噪聲主要由橋梁結(jié)構(gòu)噪聲主導(dǎo)，且在該頻段產(chǎn)生一個局部峰值；高頻噪聲主要由輪軌噪聲等列車上部聲源產(chǎn)生，在量值上遠(yuǎn)大于混凝土梁的低頻噪聲，但鋼-混組合梁的低頻噪聲較大。

低頻噪聲隨水平距離的增加衰減較小，高頻噪聲隨水平距離的增加衰減明顯。梁體自身輪廓或橋面遮板等結(jié)構(gòu)物對輪軌噪聲有較強(qiáng)的遮擋作用，從而大大削弱了高頻噪聲向橋梁側(cè)下方區(qū)域的傳播，尤其是在近場區(qū)域。

表4 各測試區(qū)段的噪聲顯著頻段

5.2 橋梁結(jié)構(gòu)噪聲

以地面以上1.5 m、距外軌中心線25 m處為考察位置，分別將橋3與橋4的測試結(jié)果與相同車型和車速下混凝土箱形梁(橋2)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以確保測試數(shù)據(jù)的可對比性。

不同橋型與混凝土箱形梁(橋2)的聲壓級差值見圖13。圖中，“鋼-混組合梁”取車型CRH380B、車速207 km/h、距外軌中心線30 m處的數(shù)據(jù)近似替代，對比數(shù)據(jù)為橋2中車型CRH380B、車速200 km/h、距外軌中心線25 m處取得；“混凝土槽形梁”的數(shù)據(jù)取自圖10。

從圖13對比可以發(fā)現(xiàn)：在80 Hz以下頻段，槽形梁的低頻噪聲稍大于箱形梁，其中在20 Hz時差值最大約6 dB(A)；在400 Hz以下頻段，鋼-混組合梁的噪聲遠(yuǎn)大于混凝箱形梁，在100 Hz時差值達(dá)到15.3 dB(A)。因此，鋼-箱組合梁的結(jié)構(gòu)噪聲明顯大于混凝土箱形梁，且頻段范圍明顯寬于混凝土箱形梁，這也可通過對比圖12(b)與圖7(b)看出。在400 Hz以上頻段，鋼-混組合梁的噪聲小于混凝土箱形梁，這主要與軌道結(jié)構(gòu)形式、至軌道中心線的距離、軌道不平順等因素有關(guān)。

圖13 與混凝土箱形梁(橋2)的噪聲差值

5.3 車速的影響

橋1與橋2均為混凝土簡支箱形梁，但截面尺寸稍有差異，且橋1中設(shè)有遮板。綜合表1與表2，得到地面以上1.5 m、距外軌中心線25 m處總聲級隨速度的變化曲線，見圖14。圖14中，120～160 km/h對應(yīng)于車型CRH1，200～300 km/h對應(yīng)于車型CRH380B，320～385 km/h對應(yīng)于車型CRH380A。

由圖14可知，若忽略車型因素，實(shí)測總聲級總體上隨列車速度的增加而增大。其中，車速為120～200 km/h時，實(shí)測總聲級為74.7～81.9 dB(A)，均值為77.6 dB(A)；車速為200～300 km/h時，實(shí)測總聲級為81.9～88.1 dB(A)，均值為85.4 dB(A)；車速為320～385 km/h時，實(shí)測總聲級為85.7～91.5 dB(A)，均值為89.2 dB(A)。

圖14 地面以上1.5 m測點(diǎn)噪聲與速度的關(guān)系曲線

6 結(jié)論

基于4座高速鐵路橋梁的實(shí)測噪聲數(shù)據(jù)，對噪聲的頻譜特性和空間分布規(guī)律，以及與梁型、車型和車速的關(guān)系進(jìn)行了分析和討論，得到主要結(jié)論如下。

(1)高速鐵路橋梁區(qū)段的路旁噪聲呈現(xiàn)寬頻特性，4條測試線路、3種橋型的共同顯著頻段為200～3 150 Hz，鋼-混組合梁的噪聲顯著頻段最寬。實(shí)測A計(jì)權(quán)聲壓級頻譜曲線均呈現(xiàn)“中間高、兩邊低”的譜型，中高頻區(qū)噪聲對總聲級起決定作用，且混凝土梁的低頻噪聲可忽略不計(jì)。

(2)對于混凝土簡支箱形梁，在地面以上1.5 m、距外軌中心線25 m處，列車速度為120～200，200～300，320～385 km/h時，平均總聲級分別為77.6，85.4，89.2 dB(A)。

(3)混凝土槽形梁的低頻噪聲(<80 Hz)大于混凝土箱形梁，但前者對輪軌噪聲有較好的降噪效果，尤其是在橋側(cè)25 m范圍內(nèi)。

(4)在400 Hz以下頻段，鋼-混組合梁的結(jié)構(gòu)噪聲遠(yuǎn)大于混凝土箱形梁，差值最大可達(dá)15.3 dB(A)。

從研究結(jié)果來看，鋼-混組合梁的噪聲頻譜寬、幅值大，尤其是在由橋梁結(jié)構(gòu)噪聲主導(dǎo)的中低頻區(qū)范圍，其噪聲遠(yuǎn)大于其余兩種橋型(混凝土箱形梁和槽形梁)，故建議在減振降噪設(shè)計(jì)中予以重點(diǎn)關(guān)注。