高架線減振軌道減振降噪效果測試與分析

劉錦輝， 劉鵬輝， 楊宜謙, 董振升， 周昌盛， 梁曉東

(1. 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518000； 2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；3. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

我國城市軌道交通已邁入高速發(fā)展時(shí)期，在滿足人民便捷出行的同時(shí)，也給乘客、沿線居民、建筑物等帶來振動(dòng)噪聲的環(huán)境污染，導(dǎo)致眾多振動(dòng)噪聲投訴事件頻發(fā)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程的發(fā)展，高要求的減振降噪已成為城市軌道交通發(fā)展面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)[1-2]。當(dāng)列車通過高架線時(shí)，列車引起的振動(dòng)傳遞給橋梁結(jié)構(gòu)及其他橋梁附屬構(gòu)件和聲屏障，其引起振動(dòng)并向四周輻射噪聲，即結(jié)構(gòu)噪聲。橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲以低頻噪聲為主，其傳播距離比高頻噪聲更遠(yuǎn)，傳播范圍更廣且衰減更慢。人長期處于低頻噪聲的環(huán)境，容易產(chǎn)生神經(jīng)衰弱、失眠、高血壓等[3-5]。一直以來，對(duì)軌道交通噪聲的研究主要集中在輪軌和車輛等產(chǎn)生的中、高頻噪聲，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)低頻噪聲研究較少。李小珍等[6]對(duì)高速鐵路32 m混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了測試分析，提出了高架線橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的優(yōu)化原則；戰(zhàn)家旺等[7]對(duì)城市軌道交通高架橋梯形軌枕軌道的降噪性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，對(duì)高架線噪聲分布進(jìn)行分析和研究；賀建良等[8-11]對(duì)高架城市軌道交通的噪聲特性進(jìn)行了分析。本研究高架橋采用減振墊、橡膠彈簧、鋼彈簧3種預(yù)制板浮置板和雙層非線性減振扣件軌道減振措施和聲屏障的綜合措施。通過對(duì)地鐵高架橋上雙層非線性減振扣件、減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板的現(xiàn)場振動(dòng)噪聲測試，對(duì)高架線不同減振軌道結(jié)構(gòu)的實(shí)際減振效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲關(guān)系進(jìn)行分析，研究不同減振軌道對(duì)減小橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的效果，為今后的軌道減振設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

所測雙層非線性減振扣件整體道床、減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板4種軌道結(jié)構(gòu)均鋪設(shè)于高架箱梁上，不同軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌、扣件、行車速度等簡況對(duì)比如表1所示，軌道減振措施斷面圖如圖1所示。測試列車為地鐵A型車，6輛編組，固定軸距2.5 m，車輛定距15.7 m，在試運(yùn)營階段進(jìn)行，列車載客量均為空車。

表1 不同軌道類型的簡況對(duì)比

(a) 減振墊

同地下線類似，高架線軌道減振措施減振效果評(píng)價(jià)的測試內(nèi)容包括鋼軌鉛垂向加速度、道床鉛垂向加速度、橋面鉛垂向加速度以及列車通過速度。減振效果通過比較有/無減振措施時(shí)下部結(jié)構(gòu)(如隧道、路基或橋梁)、地面或地面建筑物的振動(dòng)來評(píng)價(jià)。為了減少軌道沿線復(fù)雜的環(huán)境因素對(duì)減振效果評(píng)價(jià)的影響，CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》[12]規(guī)定在橋面離軌道中心線(1.50±0.25) m處進(jìn)行振動(dòng)對(duì)比，且要求橋梁結(jié)構(gòu)和線路情況相似。減振軌道和普通軌道的鉛垂向振動(dòng)加速度級(jí)的差值就是軌道減振措施在該地段取得的效果。目前還未有標(biāo)準(zhǔn)涉及高架線減振軌道減小橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的效果評(píng)價(jià)。由于橋上聲屏障和橋梁結(jié)構(gòu)的翼緣板充當(dāng)了屏障的功能，很大程度上屏蔽了輪軌噪聲對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的干擾，在梁體底板布置鉛垂向振動(dòng)加速度測點(diǎn)和腹板布置法向振動(dòng)加速度測點(diǎn)，同時(shí)在距離梁底面20～30 cm和腹板處布置結(jié)構(gòu)噪聲測點(diǎn)，以分析橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)與橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲之間的關(guān)系以及軌道減振措施對(duì)減小橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的效果，這樣橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的測量數(shù)據(jù)更可靠，測點(diǎn)布置如圖2所示。

振動(dòng)和噪聲測試采用了24位精度的INV306智能信號(hào)采集處理分析儀，根據(jù)預(yù)設(shè)程序自動(dòng)觸發(fā)、采集、存儲(chǔ)，橋梁振動(dòng)和噪聲同步采集、測量與分析。振動(dòng)采用內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器，噪聲用AWA14411型傳聲器，具有低阻抗輸出、抗干擾、噪聲小等特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。軌道、橋梁振動(dòng)和橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲采樣頻率為2 560 Hz，距離線路外7.5 m軌面以上1.2 m處噪聲采樣頻率為51.2 kHz。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖

表2 傳感器技術(shù)指標(biāo)

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理方法

插入損失是主要用于評(píng)價(jià)減振效果的物理量，定義為

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行變換，引入基準(zhǔn)加速度a0=1×10-6m/s2得

(2)

式中，a1為無隔振裝置時(shí)測點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值；a2為有隔振裝置時(shí)對(duì)應(yīng)測點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值。當(dāng)L1≥0時(shí)，隔振系統(tǒng)起作用；當(dāng)L1≤0時(shí)，隔振系統(tǒng)無衰減作用。由于不同頻率的響應(yīng)之比是不同的，因此插入損失是一個(gè)隨頻率改變的物理量。在國內(nèi)有時(shí)為方便描述，通過對(duì)豎向振動(dòng)響應(yīng)的插入損失進(jìn)行計(jì)權(quán)處理，可以得到Z振級(jí)插入損失。分析列車通過時(shí)段下列物理量。

(1) Z振級(jí)VLz

在城市軌道交通環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)，減振效果評(píng)價(jià)采用減振軌道與普通整體道床，按GB/T 13441—1992《人體全身振動(dòng)環(huán)境的測量規(guī)范》鉛垂向計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的VLzmax的差值ΔVLzmax。

(2) 分頻振級(jí)均方根插入損失

CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》中減振效果評(píng)價(jià)指標(biāo)為分頻振級(jí)均方根，頻率范圍為1～200 Hz，計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)為GB/T 13441.1—2007《振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第一部分：一般要求》鉛垂向計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，評(píng)價(jià)量為減振軌道與普通整體道床對(duì)比時(shí)的分頻振級(jí)均方根的差值ΔVLza。

(3)

式中：VLq(i)為普通整體道床橋面鉛垂向振動(dòng)加速度在1/3倍頻程第i個(gè)中心頻率的分頻振級(jí)，dB；VLh(i)為減振軌道橋面鉛垂向振動(dòng)加速度在1/3倍頻程第i個(gè)中心頻率的分頻振級(jí)，dB。

(3) 分頻最大振級(jí)

依據(jù)JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]，按照GB/T 13441.1—2007《振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第一部分：一般要求》鉛垂向計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)得到的4～200 Hz內(nèi)的1/3倍頻程各中心頻率的最大振級(jí)，即列車通過時(shí)的VLzmax(i)。

需要說明的是，插入損失是一種理想狀態(tài)下的評(píng)價(jià)量，它需要同時(shí)分析減振前、后的振動(dòng)響應(yīng)。在進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，獲得插入損失相對(duì)容易；然而實(shí)際工程中，當(dāng)一段減振軌道鋪設(shè)完成后，只能得到一種響應(yīng)：即采用減振軌道以后的振動(dòng)響應(yīng)。為了獲得插入損失，工程上補(bǔ)充測試相似地段采用普通軌道的振動(dòng)響應(yīng)，但需要指出的是，這種方法僅是一種工程近似，稱為對(duì)比插入損失，它的近似度受選取線路和車輛狀態(tài)，地質(zhì)條件、線路平面曲線半徑、鋼軌類型、車輛類型、車輛軸重、簧下質(zhì)量、列車速度等一系列因素控制。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 減振效果分析

不同軌道結(jié)構(gòu)在列車通過時(shí)的鋼軌、橋面(Z計(jì)權(quán)與未計(jì)權(quán))1/3倍頻程譜及其對(duì)比圖，分別如圖3、圖4所示。不同軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度級(jí)，如表3所示?？梢钥闯觯?/p>

(1) 地鐵振動(dòng)源頻譜特性呈現(xiàn)寬頻帶特性，以f=80～1 000 Hz的頻率為主，各種軌道結(jié)構(gòu)鋼軌振動(dòng)加速度頻譜均以630 Hz為主，道床和橋面在63～80 Hz有明顯峰值，這主要是由于輪軌相互耦合作用產(chǎn)生的。

(2) 相對(duì)于減振扣件整體道床橋面，減振墊浮置板、橡膠彈簧、鋼彈簧浮置板在1～80 Hz內(nèi)VLzmax的減振效果分別為10.2 dB，10.6 dB，11.8 dB；在1～200 Hz內(nèi)VLza的減振效果分別為10.3 dB，12.7 dB，12.6 dB。受對(duì)比條件的限制，本測試是與雙層非線性減振扣件對(duì)比，以上減振效果會(huì)比實(shí)際低估3～5 dB。

(a) 雙層非線性減振扣件

(c) 橡膠彈簧浮置板

(a) 未計(jì)權(quán)

表3 不同軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度

(3) 由于軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自振特性不同，鋼軌、道床、橋面等振動(dòng)加速度在不同的頻率處有明顯的峰值。比如在鋼彈簧浮置板和橡膠彈簧浮置板的自振頻率為10 Hz，減振墊浮置板的自振頻率為18 Hz，在此頻率處附近均出現(xiàn)峰值；橋面均在中心頻率4.0～6.3 Hz出現(xiàn)峰值，這主要于梁體一階豎向自振頻率有關(guān)。

(4) 根據(jù)JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，橋面4～200 Hz頻率范圍分頻振級(jí)見圖4(b)。減振扣件最大分頻振級(jí)VLmax為86.6 dB；減振墊浮置板VLmax為73.1 dB；橡膠彈簧浮置板VLmax為69.4 dB；鋼彈簧浮置板VLmax為68.9 dB。

(5) 與減振扣件相比，減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板在高于25 Hz的橋面振動(dòng)有明顯的減振效果；高架線上減振軌道對(duì)于控制列車運(yùn)行產(chǎn)生的橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲影響更有效；但是會(huì)增大鋼軌的加速度，尤其是對(duì)于630 Hz的振動(dòng)，從一定程度上，減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板增大了輪軌噪聲。

3.2 噪聲與振動(dòng)

(1) 地鐵無聲屏障地段A型車時(shí)速為70 km/h的噪聲(距離線路7.5 m、軌面以上1.2 m處)時(shí)域波形和1/3倍頻程頻譜，如圖5所示。從圖5可知，當(dāng)列車通過時(shí)，聲級(jí)變化很大，比背景噪聲高30 dB(A)，聲級(jí)上升的最大陡度約為5.5 dB(A)/s，突如其來的強(qiáng)大的噪聲很容易使地鐵沿線的人們煩惱、焦慮。噪聲頻譜是寬頻的，在中心頻率80 Hz和630 Hz處噪聲出現(xiàn)明顯峰值，80 Hz對(duì)應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲，630 Hz主要對(duì)應(yīng)輪軌噪聲，與前面鋼軌加速度的峰值一致。

(a)時(shí)域波形

(b) 頻譜圖

(2)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)和橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲

列車通過時(shí)橋梁底板和腹板的振動(dòng)速度頻譜圖，如圖6所示。從圖6可知，橋梁底板和腹板的振動(dòng)加速度頻率主要集中在250 Hz以內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲是由于橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)而輻射引起的噪聲，為低頻噪聲，所以橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲主要考慮10～250 Hz內(nèi)的噪聲。橋梁底板振動(dòng)遠(yuǎn)大于橋梁腹板，所以橋梁底板的振動(dòng)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的貢獻(xiàn)最大，在一定程度上可通過優(yōu)化高架橋梁的截面形狀，達(dá)到了降低橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的目的，如圖7所示。

圖6 橋梁底板和腹板振動(dòng)速度頻譜圖

圖7 地鐵列車通過時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲

如圖7所示，振動(dòng)激勵(lì)的構(gòu)件表面振動(dòng)輻射聲功率為

(4)

(5)

式中：LV為橋梁結(jié)構(gòu)的平均振動(dòng)速度級(jí)，dB，振動(dòng)速度基準(zhǔn)值ref=5×10-8m/s；ρ為媒介密度，kg/m3;c為聲速，m/s ;ρ0c0為空氣特性阻抗(在20 ℃時(shí)為420Ns/m3)。通常情況下，最后一項(xiàng)小于1 dB。所以式(5)可表示為

Lp=LV+10lgσ

(6)

從圖8可以看出，總體而言，底板振動(dòng)速度級(jí)(ref=1×10-9m/s)以及梁體正下方聲壓級(jí)主要集中在100 Hz以下，且在40 Hz，50 Hz，63 Hz 3個(gè)中心頻率附近最大；由式(5)和梁底結(jié)構(gòu)噪聲聲壓級(jí)與底板振動(dòng)速度級(jí)頻譜曲線對(duì)比來看，橋梁結(jié)構(gòu)噪聲與橋梁底板結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度頻譜圖相似，各1/3倍頻程中心頻率點(diǎn)處二者差值約23～30 dB，這與不同頻率下輻射效率有關(guān)，高頻振動(dòng)以剪力波為主導(dǎo)，輻射效率σ≈1；低頻部分含有大量的彎曲波，輻射效率σ比1小很多。

圖8 列車通過時(shí)橋梁振動(dòng)、噪聲1/3倍頻程譜圖

我國橋梁振動(dòng)和軌道振動(dòng)多以振動(dòng)加速度表征和測試，振動(dòng)加速度與振動(dòng)速度級(jí)的關(guān)系為

(7)

橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲通過橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度預(yù)測見式(8)。圖9為地鐵通過時(shí)引起橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的對(duì)比，從圖9可以看出兩者吻合度很高。

(8)

式中：Lp(f)為橋梁1/3倍頻程聲壓級(jí)，dB；La(f)為橋梁1/3倍頻程倍頻帶加速度級(jí)，dB；f為1/3倍頻程中心頻率，Hz。

圖9 通過橋梁振動(dòng)預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲對(duì)比圖

列車通過時(shí)段的橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲等效連續(xù)A聲級(jí)LAeq(12.5～250.0 Hz)按式(9)計(jì)算。

(9)

式中：LAeq為橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲等效連續(xù)A聲級(jí)(12.5～250.0 Hz)，dB(A)；Lp,i為橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲1/3倍頻程聲壓級(jí)(12.5～250.0 Hz)，dB(A)；Cf,i為第i個(gè)頻帶的A計(jì)權(quán)修正值，dB；i為第i個(gè)1/3倍頻程，i=1～14；n為1/3倍頻程帶數(shù)。

(3) 橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲以低頻噪聲為主，其傳播距離比高頻噪聲更遠(yuǎn)，傳播范圍更廣且衰減更慢。為此，高架線采用減振軌道以減小橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的影響。不同減振軌道對(duì)減小橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的效果(由于受地面交通的影響，通過橋面豎向加速度計(jì)算得到，不同減振軌道的橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲1/3倍頻程譜見圖10)，如表4所示。相對(duì)于減振扣件整體道床橋面12.5～250 Hz的LAeq，減振墊浮置板、橡膠彈簧、鋼彈簧浮置板的降噪效果(無考慮背景噪聲)分別為7.6dB(A)，20.9 dB(A)，17.1 dB(A)。

圖10 不同減振軌道的橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲1/3倍頻程譜

表4 不同減振軌道對(duì)減小橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的效果

4 結(jié) 論

通過對(duì)地鐵高架橋上預(yù)制板軌道雙層非線性減振扣件、減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板的現(xiàn)場振動(dòng)測試分析，結(jié)果表明：

(1) 相對(duì)于減振扣件道床橋面，減振墊浮置板、橡膠彈簧、鋼彈簧浮置板在1～80 Hz內(nèi)VLzmax的減振效果分別為10.2 dB，10.6 dB，11.8 dB；在1～200 Hz內(nèi)VLza的減振效果分別為10.3 dB，12.7 dB，12.6 dB。

(2) 橋上聲屏障和橋梁結(jié)構(gòu)的翼緣板屏蔽了輪軌噪聲等干擾，在距離梁底面20～30 cm布置噪聲測點(diǎn)以分析橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲，評(píng)價(jià)物理量為列車通過時(shí)段的等效連續(xù)A聲級(jí)LAeq(12.5～250.0 Hz)。

(3) 橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲以12.5～250.0 Hz低頻噪聲為主，橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲可通過橋梁振動(dòng)速度級(jí)或振動(dòng)加速度級(jí)來計(jì)算。

(4) 高架線采用減振軌道以減小橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的影響，相對(duì)于減振扣件整體道床橋面，減振墊浮置板、橡膠彈簧、鋼彈簧浮置板減小12.5～250.0 Hz內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲LAeq的效果分別為7.6 dB(A)，20.9 dB(A)，17.1 dB(A)。

(5) 減振軌道在減小橋面振動(dòng)的同時(shí)，放大了鋼軌的振動(dòng)，在實(shí)際的運(yùn)營中應(yīng)重視由于鋼軌振動(dòng)尤其是500～800 Hz內(nèi)的鋼軌振動(dòng)引起的振動(dòng)和噪聲問題。