城市軌道交通鋼-混結(jié)合梁橋噪聲特性試驗(yàn)研究

于坤宏，易慶輝，周德豪，劉孟奇，張磊磊

（1.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 機(jī)械動(dòng)力與環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308；2.中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司 計(jì)劃統(tǒng)計(jì)部，山西 太原 030013）

0 引言

城市軌道交通是大中城市公共交通的骨干，運(yùn)量大、速度快、運(yùn)行規(guī)律且準(zhǔn)時(shí)，已日益成為出行的重要交通工具。隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)提升的同時(shí)對(duì)生活環(huán)境的要求越來(lái)越高，列車運(yùn)行噪聲問(wèn)題已成為影響軌道交通高架線發(fā)展的重要因素之一。

高架線運(yùn)行噪聲主要來(lái)源于軌道交通運(yùn)營(yíng)期間橋梁段，輪軌之間相互作用產(chǎn)生車輪、軌道的輻射噪聲，此外，振動(dòng)還會(huì)向橋梁的各個(gè)構(gòu)件傳遞，激發(fā)橋梁構(gòu)件振動(dòng)，輻射產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲。根據(jù)相關(guān)研究，由于結(jié)構(gòu)噪聲影響，列車通過(guò)鋼橋產(chǎn)生的總聲壓級(jí)增大了5～15 dB[1]。于龍波等[2]通過(guò)對(duì)城市軌道交通高架橋噪聲特性的測(cè)試，提出未采取聲屏障措施情況下普通箱梁噪聲主要頻率集中在400～800 Hz。陸可人等[3]通過(guò)對(duì)高架橋結(jié)構(gòu)噪聲實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)噪聲以低頻為主，峰值出現(xiàn)在50～80 Hz范圍內(nèi)，并且地面反射對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)近地面噪聲影響較大。李茜等[4]根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在400 Hz以下頻段，鋼-混組合梁的噪聲遠(yuǎn)大于混凝土箱梁，在100 Hz時(shí)差值達(dá)15.3 dB(A)。張曉蕓等[5]建立板式無(wú)砟軌道-箱梁橋-聲屏障有限元模型，聲屏障可整體增加高架線路1～2 dB的結(jié)構(gòu)噪聲，地面反射的作用會(huì)加強(qiáng)聲場(chǎng)的指向性，最大增加5 dB的結(jié)構(gòu)噪聲。劉全民等[6]提出了鐵路鋼-混結(jié)合梁橋車致振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲的理論計(jì)算方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了理論模型。從結(jié)構(gòu)噪聲控制角度，張迅等[7]針對(duì)列車在鋼橋上運(yùn)行時(shí)的噪聲特點(diǎn)，提出降能、抑振、阻噪“三位一體”綜合減振降噪策略。從降能角度，除采用無(wú)縫線路、重型鋼軌和常規(guī)軌道減振措施外，運(yùn)營(yíng)管理對(duì)降低軌道振動(dòng)的效果也不容忽視，張伯林等[8]通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)鋼軌打磨后，可降低Z振級(jí)4 dB以上，有顯著減振效果。從抑振角度，可以通過(guò)增大橋梁結(jié)構(gòu)阻尼或改變鋼梁質(zhì)量降低鋼梁產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲，劉全民等[9]通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)得出，鋼梁腹板敷設(shè)約束阻尼層后，振動(dòng)降低了4.4～8.1 dB，噪聲值降低了4.2～4.3 dB(A)。

與混凝土橋相比，鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲引起的軌道交通列車運(yùn)行輻射噪聲顯著增加，易引起周邊居民投訴。本文以某城市軌道交通項(xiàng)目高架線鋼-混結(jié)合梁橋?yàn)槔?，分析其噪聲影響特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)展了城市軌道交通高架線鋼-混結(jié)合梁橋列車運(yùn)行期間輻射噪聲特性的研究，以便于后續(xù)采取針對(duì)性降噪措施。

1 噪聲測(cè)試概況

1.1 測(cè)試項(xiàng)目簡(jiǎn)介

測(cè)試項(xiàng)目于2012年10月開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)，K6+757.42至K6+898.4段為該軌道交通項(xiàng)目高架整體道床，梁體為鋼-混結(jié)合梁，橋梁共計(jì)2聯(lián)，按3跨連續(xù)梁布設(shè)，共計(jì)6跨，單跨長(zhǎng)度均為23.5 m，總長(zhǎng)度共計(jì)141 m。橋梁整體總高度1.6 m，橋面混凝土厚度0.32 m，橋面上部寬度9.3 m，下底寬度4.5 m，橋梁與地面高差約9.6 m。鋼-混結(jié)合梁橫斷面如圖1所示，測(cè)試項(xiàng)目周邊環(huán)境概況如圖2所示。

圖1 鋼-混結(jié)合梁橫斷面(單位：cm)

圖2 測(cè)試項(xiàng)目位置

現(xiàn)場(chǎng)橋上設(shè)有聲屏障，其中上行(臨近公路一側(cè))聲屏障高度4 m(見(jiàn)圖3)、下行聲屏障高度3 m(見(jiàn)圖4)，聲屏障長(zhǎng)度均已覆蓋臨近敏感目標(biāo)。根據(jù)運(yùn)營(yíng)單位現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，聲屏障設(shè)備狀態(tài)良好、功能正常，運(yùn)營(yíng)單位對(duì)鋼軌進(jìn)行了打磨，鋼軌狀態(tài)良好。

圖3 上行4 m高聲屏障

圖4 下行3 m高聲屏障

1.2 測(cè)試設(shè)備與測(cè)點(diǎn)位置

（1）測(cè)試設(shè)備。本次測(cè)試采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和麥克風(fēng)傳感器對(duì)列車運(yùn)營(yíng)期間的輻射噪聲進(jìn)行測(cè)量，滿足低頻噪聲測(cè)量需求。

（2）測(cè)點(diǎn)位置。該線路沿城市主干路走行，測(cè)試斷面處軌面高度約9.6 m，測(cè)點(diǎn)選擇距離軌道交通線路最近的住宅樓外側(cè)，共布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距離軌道交通線路中心線水平距離40 m、距離住宅樓外側(cè)4 m。測(cè)試設(shè)備及對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置如表1所示，測(cè)點(diǎn)位置示意如圖5所示。為盡可能避免現(xiàn)狀公路噪聲對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的干擾，測(cè)試時(shí)間選擇20:00—24:00。

表1 測(cè)量?jī)x器及測(cè)點(diǎn)匯總表

圖5 測(cè)點(diǎn)位置示意(單位：m)

2 噪聲特性分析

2.1 聲級(jí)水平分析

測(cè)試期間共取得52列車通過(guò)期間的測(cè)試數(shù)據(jù)，選取列車通過(guò)期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各測(cè)點(diǎn)列車通過(guò)期間的時(shí)程曲線如圖6所示。

由圖6可知，自列車運(yùn)行至鋼-混結(jié)合梁橋后，各測(cè)點(diǎn)處環(huán)境噪聲逐漸升高，在車頭運(yùn)行至敏感目標(biāo)處時(shí)環(huán)境噪聲達(dá)到最大，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3最高峰值分別為97.3 dB、99.2 dB和98.0 dB，待列車遠(yuǎn)離后，環(huán)境噪聲迅速降低至背景噪聲。根據(jù)《聲學(xué)軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲測(cè)量》(GB/T 5111—2011)[10]計(jì)算列車通過(guò)期間的等效聲級(jí)和相鄰時(shí)段的背景值。列車運(yùn)行期間的等效聲級(jí)約82.5～92.3 dB，背景噪聲約62.9～77.2 dB，列車運(yùn)行期間的噪聲超出背景噪聲約9.7～27.5 dB；考慮A計(jì)權(quán)后，列車運(yùn)行期間的等效聲級(jí)約65.0～73.4 dB(A)，背景噪聲約53.4～66.3 dB(A)。列車通過(guò)期間等效聲級(jí)和背景噪聲值如圖7所示。

圖6 各測(cè)點(diǎn)列車通過(guò)期間時(shí)程曲線

由圖7中可知，在背景值遠(yuǎn)低于列車通過(guò)期間噪聲貢獻(xiàn)值時(shí)，自樓層1至5層，所有測(cè)點(diǎn)噪聲值均較高，并且存在低樓層噪聲值高于高樓層現(xiàn)象。該區(qū)段設(shè)有4 m高直立式聲屏障，按照《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量規(guī)范》(HJ/T 90—2004)[11]中聲屏障降噪的聲學(xué)原理，采取聲屏障措施后，低樓層測(cè)點(diǎn)受列車輪軌噪聲影響的噪聲值應(yīng)低于高樓層，而本次測(cè)試結(jié)果顯示存在低樓層噪聲值高于高樓層現(xiàn)象。橋梁下部結(jié)構(gòu)噪聲影響更為突出，鋼-混結(jié)合梁橋列車運(yùn)行產(chǎn)生的輪軌噪聲不是影響敏感目標(biāo)的主要噪聲源，采取聲屏障措施后，受橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響，聲屏障措施無(wú)法達(dá)到理想的降噪效果。

圖7 列車通過(guò)期間等效聲級(jí)和背景噪聲

2.2 頻域特性分析

選擇列車通過(guò)期間等效聲級(jí)最高的序號(hào)4組數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，列車運(yùn)行期間的噪聲頻譜與背景噪聲頻譜如圖8所示。

由圖8可知，區(qū)域內(nèi)環(huán)境背景噪聲呈寬頻特性，能量主要集中在200～3 150 Hz頻道范圍內(nèi)，頻帶幅值最高45.5 dB，背景噪聲較低。列車通過(guò)期間，與背景噪聲相比，所有頻帶內(nèi)噪聲均有一定幅度增加，20～160 Hz頻帶范圍內(nèi)增量最大，達(dá)30.5～56.0 dB，其中50～100 Hz頻帶范圍內(nèi)聲壓級(jí)最高，達(dá)70.4～88.4 dB，能量占比96.9%，低頻噪聲為列車通過(guò)期間主要輻射噪聲，中高頻噪聲相對(duì)較小。

根據(jù)相關(guān)研究中針對(duì)城市軌道交通高架線噪聲特性的分析，未采取聲屏障措施情況下普通箱梁噪聲主要頻率集中在400～800 Hz，與圖8對(duì)照可知，該項(xiàng)目列車運(yùn)行期間低頻噪聲顯著增大，符合橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的頻譜特性，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間的背景噪聲及噪聲的頻譜特性，本次測(cè)試項(xiàng)目列車運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲主要為列車運(yùn)行引起的鋼-混結(jié)合梁振動(dòng)輻射的二次結(jié)構(gòu)噪聲。

圖8 列車運(yùn)行期間的噪聲頻譜與背景噪聲頻譜

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)某軌道交通項(xiàng)目高架線鋼-混結(jié)合梁橋的噪聲特性試驗(yàn)，在采取4 m高聲屏障措施的條件下，得出以下主要結(jié)論。

（1）本次測(cè)試鋼-混結(jié)合梁橋列車運(yùn)行期間的噪聲影響顯著，距離線路中心線水平距離40 m處列車運(yùn)行期間的等效聲級(jí)達(dá)82.5～92.3 dB，遠(yuǎn)高于背景環(huán)境噪聲。

（2）采取聲屏障措施后，鋼-混結(jié)合梁橋列車運(yùn)行產(chǎn)生的輪軌噪聲不是影響敏感目標(biāo)的主要噪聲源，受橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響，聲屏障措施無(wú)法達(dá)到理想的降噪效果。

（3）與背景噪聲相比，鋼-混結(jié)合梁橋列車運(yùn)行噪聲的低頻噪聲顯著增加，其中50～100 Hz頻帶范圍內(nèi)聲壓級(jí)最高，達(dá)70.4～88.4 dB，能量占比96.9%，低頻噪聲為列車通過(guò)期間主要輻射噪聲，中高頻噪聲相對(duì)較小。

（4）該項(xiàng)目列車運(yùn)行噪聲主要為列車運(yùn)行引起的鋼-混結(jié)合梁振動(dòng)輻射的結(jié)構(gòu)噪聲，下階段噪聲治理工作應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)降低鋼-混結(jié)合梁構(gòu)件的振動(dòng)方面開(kāi)展。