雷曉燕,翁凌霄,2,余亮亮,王鵬生,羅 錕
(1.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,江西 南昌 330013; 2.南昌應(yīng)用技術(shù)師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院,江西 南昌 330108;3.深圳綜合交通設(shè)計(jì)研究院,廣東 深圳 518001)
隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展和高架橋梁在高速鐵路上的大規(guī)模應(yīng)用,高架鐵路混凝土橋梁引起的噪聲越來(lái)越被人們所關(guān)注,尤其是橋梁輻射的低頻噪聲(頻率在200 Hz 以內(nèi))對(duì)人體有諸多負(fù)面影響,如對(duì)注意力、反應(yīng)時(shí)間,以及語(yǔ)言的辨識(shí)能力等[1]。
Ngai 等[2]對(duì)一座香港混凝土箱型橋梁進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明列車以140 km/h 的速度通過(guò)橋梁時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲頻率集中在20~157 Hz 范圍內(nèi),峰值頻率為43 Hz 和54 Hz。Zhang 等[3],Li 等[4]分別現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了32 m 長(zhǎng)的高速鐵路雙線與單線混凝土橋梁振動(dòng)和噪聲,結(jié)果表明橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲主要為箱梁振動(dòng)產(chǎn)生中低頻段噪聲,主要由橋梁板件的局部剛度決定,峰值頻率為50 Hz 和63 Hz。采用實(shí)測(cè)法研究高架鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲能夠獲得真實(shí)準(zhǔn)確的結(jié)果,但需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力,還可能帶來(lái)對(duì)既有交通的影響,同時(shí)也無(wú)法滿足工程論證、設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段的要求。仿真分析方面,李小珍等[9]利用車-線-橋耦合理論,對(duì)橋梁的豎向振動(dòng)以及梁體面板的聲學(xué)貢獻(xiàn)率與貢獻(xiàn)量進(jìn)行了分析。
張迅等[5]利用有限元-統(tǒng)計(jì)能量法(FE-SEA)模型對(duì)鐵路混凝土橋梁的低頻結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證,得到了較好的結(jié)果。高飛等[6]對(duì)城市軌道交通高架橋梁及車輛參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲影響進(jìn)行了仿真分析規(guī)律。羅文俊等[7]利用FE-SEA 法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)噪聲特性進(jìn)行了仿真分析,但建模過(guò)程中未考慮上部鋼軌以及軌道板等結(jié)構(gòu)。李奇等[8]利用有限元法和模態(tài)疊加法分析列車-軌道-橋梁的瞬態(tài)響應(yīng),并重點(diǎn)研究了橋梁的局部高頻振動(dòng)。韓江龍等[9]利用模態(tài)疊加法對(duì)城市軌道交通U 型梁進(jìn)行了車-線-橋耦合動(dòng)力計(jì)算,同時(shí)利用SYSNOISE 軟件計(jì)算得到了模態(tài)聲傳遞向量,并結(jié)合梁的模態(tài)坐標(biāo)響應(yīng)計(jì)算得到了梁的結(jié)構(gòu)噪聲。
盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高架軌道結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲做了不少研究,但是針對(duì)高速鐵路橋梁尤其是列車車速在300 km/h 及以上的箱梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲實(shí)測(cè)及仿真分析較少。本文針對(duì)滬昆高鐵某高架鐵路橋梁,建立混合FE-SEA 模型,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上分析了板厚和各板的聲學(xué)貢獻(xiàn)量,研究結(jié)果能夠?yàn)楦呒荑F路橋梁結(jié)構(gòu)的減振降噪設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。
本文選取滬昆高鐵南昌段某一高架鐵路橋梁進(jìn)行測(cè)試研究。被測(cè)橋梁段由32 m 多跨混凝土簡(jiǎn)支箱梁構(gòu)成,箱梁由C50 預(yù)制混凝土和Q235(HRB335)鋼筋組成,橋梁承載兩條軌道,軌道中心線間距為4.4 m。橋面上鋪設(shè)CRTS-Ⅱ鋼軌板和60 kg/m 標(biāo)準(zhǔn)鋼軌。在試驗(yàn)中運(yùn)行的高速列車分別為CRH380 系列和CRH2 系列,設(shè)計(jì)速度為350 km/h。
如圖1 所示,在箱梁跨中斷面處安裝6 個(gè)加速度傳感器,其中A1 與A6 為跨中底板和頂板振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn),A2 與A4 為跨中左右腹板振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn),A3 與A5 為跨中左右翼板的振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn);同時(shí)在橋梁跨中斷面處安裝4 個(gè)聲學(xué)傳感器,其中N1 距離底板0.3 m,N2 距離右腹板0.3 m,N3 距離右翼板0.3 m,N4 距離底板2.7 m。測(cè)試采用393B04加速度傳感器、GRAS 聲傳感器以及德國(guó)海德公司的DATaRec 4 DIC24 數(shù)據(jù)采集儀。
圖1 跨中截面測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring points at the midspan section
由于高架鐵路橋梁結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的,因此,只需要測(cè)量列車通過(guò)近軌側(cè) (下行方向,A2、A3 測(cè)點(diǎn)側(cè))時(shí)的振動(dòng)和噪聲。橋梁振動(dòng)加速度級(jí)VLZ計(jì)算公式為
式中:a 為振動(dòng)加速度;a0為基準(zhǔn)加速度,一般取a0=10-6m/s2。
圖2 給出了8 節(jié)編組列車通過(guò)時(shí)箱梁頂板、翼板、腹板測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)域圖,列車從接近到遠(yuǎn)離橋梁時(shí)間t 共計(jì)8 s,可以看出橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值大?。喉敯澹镜装澹靖拱澹緝梢?。圖3 為箱梁頂板、底板加速度頻譜,可以看出橋梁振動(dòng)頻率主要范圍集中在200 Hz 內(nèi)。
圖2 箱梁A1~A6 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)域圖Fig.2 Time domain diagram of vibration acceleration of box girder A1~A6
圖3 箱梁A1、A6 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)域圖Fig.3 Time domain diagram of vibration acceleration of Box girder A1、A6
選取20 趟8 節(jié)編組列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)加速度值并取平均值,結(jié)果如圖4 所示。各測(cè)點(diǎn)加速度振級(jí)(VLZ)隨頻率(f)的變化規(guī)律非常相似,在20~200 Hz范圍內(nèi)橋梁頂板振動(dòng)最大,加速度振級(jí)峰值頻率位于40 Hz,頻率高于250 Hz 時(shí)加速度振級(jí)急劇下降。在0~50 Hz 頻率范圍,加速度振動(dòng)級(jí)一般呈頂板>兩翼>底板>腹板的規(guī)律;在50~200 Hz 范圍,加速度振動(dòng)級(jí)一般呈頂板>底板>兩翼>腹板的規(guī)律,且車輛運(yùn)行側(cè)的橋梁振動(dòng)要大于另一側(cè)。加速度振級(jí)在16 Hz 處存在一個(gè)由列車激發(fā)橋梁的反共振引起的明顯波谷。部分頻率處,箱梁遠(yuǎn)軌翼板振動(dòng)較近軌翼板大,這是因?yàn)榱熊嚫咚偻ㄟ^(guò)時(shí),在振動(dòng)傳遞過(guò)程中,由于翼板的鞭梢效應(yīng),振動(dòng)情況相對(duì)復(fù)雜。
圖4 箱梁A1~A6 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度頻域圖Fig.4 Vibration acceleration frequency domain diagram of box girder A1~A6
圖5、圖6 為箱梁結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試結(jié)果,其中圖5為箱梁噪聲測(cè)試時(shí)域圖,從時(shí)域數(shù)據(jù)來(lái)看,各噪聲測(cè)點(diǎn)的聲壓(SP)時(shí)域信號(hào)相差不大均為0.4~0.5 Pa,同時(shí)列車經(jīng)過(guò)的時(shí)間信號(hào)基本同步,經(jīng)過(guò)的時(shí)間歷程約為4.5 s。由圖6 可知。
圖5 N1~N4 測(cè)點(diǎn)A 計(jì)權(quán)聲壓時(shí)域圖Fig.5 Weighted sound pressure time domain diagram of N1~N4 measuring point A
圖6 N1~N4 測(cè)點(diǎn)A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻域圖Fig.6 Weighted sound frequency domain diagram of N1~N4 measuring point A
1)由于橋梁本身是一個(gè)巨大的遮蔽物,對(duì)上部輪軌噪聲、空氣動(dòng)力噪聲、受電弓噪聲等高頻噪聲具有較好的隔絕效應(yīng),所以當(dāng)頻率高于1 000 Hz時(shí),噪聲急劇下降,但中頻噪聲由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)、衰減較少,能夠部分繞過(guò)遮蔽到達(dá)箱梁周圍。
2)N1~N4 測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)(SPL)和分布規(guī)律基本一致,主要集中在中低頻階段,除N4 外峰值頻率為63~160 Hz 表明箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲主要表現(xiàn)為低頻特性。聲壓級(jí)優(yōu)勢(shì)頻率為50~1 000 Hz。
3)N1、N4 處聲壓級(jí)衰減在80 Hz 時(shí)非常大,主要是由于地面反射[10]引起的等聲干擾抵消。由于地面反射作用,底板中心(N1)可視為聲源S,與地面對(duì)稱處為虛聲源S′。由聲源S 和虛聲源S′產(chǎn)生的聲波是相干波。底板離地高為2.7 m,因此N1 處S 與S′之間路徑差為4.8 m,而N4 測(cè)點(diǎn)路徑差為2.4 m。頻率為50,63,80 Hz 的聲波波長(zhǎng)分別為6.9,5.5,4.3 m。N1 測(cè)點(diǎn)聲波路徑差大約是80 Hz 波長(zhǎng)的整數(shù)倍,N1 處于相長(zhǎng)干涉區(qū)域。雖然底板的振動(dòng)在80 Hz 時(shí)不是特別大,但此時(shí)N1 處噪聲非常大。N4 在80 Hz時(shí)的聲波路徑差約為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍,N4 處于干涉相消區(qū)域,N4 噪聲在80 Hz 時(shí)較小。
高架鐵路結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲分析包括鋼軌、軌道板、箱梁結(jié)構(gòu)3 個(gè)子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲頻率范圍也有所不同。有限元法(FE)在處理結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)方面具有優(yōu)勢(shì),但不適用于中、高頻振動(dòng)分析。軌道和軌道板的振動(dòng)頻率很高,高達(dá)數(shù)百至上千赫茲,此時(shí),統(tǒng)計(jì)能量法(SEA)是一個(gè)更好的選擇。但是,如果采用SEA 對(duì)混凝土箱梁進(jìn)行分析,其彎曲模數(shù)可能不夠,導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度大大降低。此外,如果對(duì)不同的頻率范圍使用不同的模型,這可能會(huì)導(dǎo)致它們之間在分頻處出現(xiàn)不連續(xù)。而混合FE-SEA 法能夠避免上述情況[11]。
利用混合FE-SEA 模型在全頻范圍內(nèi)解決各子系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲,從而避免了多個(gè)模型的頻率劃分,可以顯著提高了計(jì)算效率,并且保證計(jì)算模型的一致性。
包含多個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可以用拉格朗日方程來(lái)表示
式中:M,C 和K 分別為質(zhì)量矩陣,阻尼矩陣及剛度矩陣;F 為廣義力向量;q,分別為系統(tǒng)的位移,速度和加速度。經(jīng)傅里葉變換后有
式中:Dd為動(dòng)態(tài)剛度矩陣;ω 為圓頻率;q 和f 為復(fù)頻率相關(guān)量,分別表示節(jié)點(diǎn)位移和外力的振幅向量。
Langley 等[12-13]對(duì)混合FE-SEA 理論形成做了大量的工作和貢獻(xiàn)。混合模型中,在FE 和SEA 子系統(tǒng)的耦合邊界處,彈性波將產(chǎn)生反射效應(yīng),從而對(duì)FE 子系統(tǒng)產(chǎn)生額外的混響力。有限元子系統(tǒng)的整體動(dòng)力學(xué)方程可以表示為
式中:q 為FE 子系統(tǒng)的自由度;N 為SEA 子系統(tǒng)總數(shù);fext為直接施加于有限元子系統(tǒng)的外力;為第k 個(gè)SEA 子系統(tǒng)中的“混響場(chǎng)”在連接處所產(chǎn)生的混響力;Dtot是有限元子系統(tǒng)總動(dòng)態(tài)剛度矩陣(由質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣決定)。Dtot由兩部分組成
式中:Dd為邊界處FE 子系統(tǒng)自身動(dòng)剛度;為第k 個(gè)SEA 子系統(tǒng)對(duì)FE 子系統(tǒng)的直接動(dòng)剛度。根據(jù)式(4),F(xiàn)E 子系統(tǒng)的自由度q 可以表示為
根據(jù)Langley[14]研究結(jié)論,耦合邊界上的混響力可以用下列方程確定
按照能量守恒定律,F(xiàn)E-SEA 系統(tǒng)功率平衡方程可表示為
式中:ηj和ηd,j分別為第j 個(gè)SEA 子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子和附加損耗因子,ηj,k是SEA 子系統(tǒng)j 與子系統(tǒng)k 間的耦合損耗因子;Pj為第j 個(gè)SEA 子系統(tǒng)的外部輸入功率;Pext,j為FE 子系統(tǒng)對(duì)第j 個(gè)SEA 子系統(tǒng)的外部激勵(lì)所產(chǎn)生的輸入功率,j=1,2,…,N。
結(jié)合式(6)和式(7),可推導(dǎo)出FE 子系統(tǒng)自由度q 的互譜矩陣為
式中:Sqq為作用于FE 子系統(tǒng)的力互譜矩陣;“*”和“T”分別為共軛運(yùn)算和轉(zhuǎn)置運(yùn)算。
利用式(8)可以得出SEA 子系統(tǒng)的平均振動(dòng)能,利用式(9)可以得出FE 子系統(tǒng)的自由度。結(jié)合噪聲輻射理論即可得出FE 子系統(tǒng)的振動(dòng)速度和加速度,以及空間中任意一點(diǎn)的聲壓。
圖7 為南昌某高速鐵路32 m 雙線箱型混凝土簡(jiǎn)支梁橋典型截面圖。梁體全長(zhǎng)32.6 m,梁高3.05 m,寬13.4 m,橫坡為2%,頂板厚度為0.3 m 到0.409 m,腹板厚度為0.45 m,底板厚度從0.28 m 到0.427 m。Ⅰ-Ⅰ段為中部,Ⅱ-Ⅱ段位于箱梁兩端。
圖7 箱梁截面示意圖(單位:mm)Fig.7 Schematic diagram of box girder section(Unit:mm)
如圖8 所示,利用VAONE 軟件建立混合FESEA 模型,根據(jù)各子系統(tǒng)的振動(dòng)特性,無(wú)砟軌道和鋼軌采用SEA 模型,高架軌道橋梁的箱梁部分采用FE 模型。根據(jù)箱梁特性又可以分成頂板、底板、左右腹板和左右翼板等6 個(gè)子系統(tǒng)。無(wú)砟軌道與箱梁采用混合手動(dòng)線連接,鋼軌與無(wú)砟軌道采用手動(dòng)點(diǎn)連接來(lái)模擬彈簧扣件。
圖8 混合FE-SEA 模型Fig.8 Hybrid FE-SEA model
有限元模型的網(wǎng)格劃分精度十分重要,一般有限元模型的網(wǎng)格尺寸應(yīng)不超過(guò)振動(dòng)分析波長(zhǎng)的1/6。本文主要研究箱梁中低頻振動(dòng)噪聲問(wèn)題,研究頻率范圍為20~200 Hz。有限元模型單元網(wǎng)格取為0.2 m,劃分單元總數(shù)為10 404 個(gè),保證了計(jì)算的精度。箱梁的彈性模量為36.2 GPa,容重為2 500 kg/m3,泊松比為0.2,內(nèi)損耗因子為0.04。
橋上無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要由軌道板、混凝土底座板和CA 砂漿層構(gòu)成,箱梁和軌板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50(中文混凝土代碼),彈性模量為39 GPa,軌道板尺寸為6 450 mm×2 550 mm×200 mm,容重為2 500 kg/m3,泊松比為0.176,內(nèi)損耗因子為0.04。鋼軌為CHN60 型,鋼軌的截面面積為77.45 cm2,豎向截面慣性矩為321.7 cm4,容重為78.3 kN/m3,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,損耗因子為0.01??奂g距為0.625 m,扣件剛度大小為60 MN/m。
圖9 給出了列車以300 km/h 速度經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)的輪軌作用力頻譜曲線,由圖可知,輪軌力F 的峰值頻率為50 Hz,并且在200 Hz 頻率范圍內(nèi)的輪軌力基本呈“上凸”的趨勢(shì),與文獻(xiàn)[1]的結(jié)論一致。
圖9 輪軌力幅值譜Fig.9 Wheel-rail force amplitude spectrum
由于試驗(yàn)車均為過(guò)路車,具體載荷情況未知,因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況,以300 km/h 作為仿真分析車速,比較N1 點(diǎn)的聲壓級(jí),圖10 為理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。
圖10 N1 測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比Fig.10 N1 point sound pressure level simulation and test comparison
由圖10 可知,在50 Hz 及以上頻率,理論與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好,基本趨勢(shì)保持一致。低于50 Hz時(shí),理論與實(shí)際的偏差值主要來(lái)自實(shí)際車輛的軌道和車輪不平順的不確定性。
如圖11、圖12 所示,為研究橋梁結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射特性,利用VAONE 軟件計(jì)算分析了距離軌道中心線25 m 處場(chǎng)點(diǎn)的聲貢獻(xiàn)量(1/3 倍頻程),箱梁各板輻射到場(chǎng)點(diǎn)的聲貢獻(xiàn)量大小關(guān)系為:頂板>近軌翼板>遠(yuǎn)軌翼板>底板>近軌腹板>遠(yuǎn)軌腹板,箱梁頂板和翼板對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)的聲貢獻(xiàn)量高達(dá)84.26%,由此可知,無(wú)論近場(chǎng)還是遠(yuǎn)場(chǎng),箱梁的頂板與翼板的振動(dòng)噪聲應(yīng)為關(guān)注的重點(diǎn)。
圖11 箱梁各板聲貢獻(xiàn)量(1/3 倍頻程)Fig.11 Each plate sound contribution of box girder
圖12 各板聲貢獻(xiàn)量百分比Fig.12 Percentage of sound contribution of plate
假設(shè)混凝土頂板、底板和腹板的厚度分別為K1、K2、K3。圖13 計(jì)算分析了頂板、底板和腹板板厚變化時(shí)場(chǎng)點(diǎn)N1 的聲壓級(jí)曲線。由于板厚變化,各板質(zhì)量和剛度均增大,結(jié)構(gòu)振動(dòng)隨之減小,場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)也隨板厚的增加而減小,其中頂板的厚度影響最為明顯,腹板的厚度的影響最弱。這是因?yàn)樵诹熊嚧瓜蚝奢d作用下,頂板的振動(dòng)較大而腹板法向振動(dòng)較小。因此在橋梁減振降噪的過(guò)程中,應(yīng)著重對(duì)頂板進(jìn)行處理。
圖13 箱梁各板不同厚度下N1 點(diǎn)結(jié)構(gòu)噪聲Fig.13 Structural noise at point N1 under different thicknesses of each plate of box girder
1)混合FE-SEA 法預(yù)測(cè)混凝土鐵路橋梁輻射噪聲是可行和準(zhǔn)確的。與目前廣泛使用的有限元法和邊界元法相比,該方法具有較好的計(jì)算效率。
2)橋梁振動(dòng)的主要來(lái)源是輪軌接觸面表面粗糙度引起的輪軌力的變化,其中垂直振動(dòng)在橋梁的能量傳遞中起著主要作用。不同的車速和輪軌粗糙度會(huì)影響輪軌力的頻譜特性。頂板、底板、腹板的峰值振動(dòng)加速度頻率為40 Hz 左右,這與輪軌力的峰值不同,而是由于箱梁的固有頻率相關(guān),說(shuō)明振動(dòng)的峰值頻率不僅與輪軌力有關(guān),而且還可能受到箱梁本身的很大影響。
3)箱梁的頂板、底板以及腹板的振動(dòng)加速度的峰值頻率為31.5~60 Hz,并非輪軌力的峰值處,說(shuō)明橋梁振動(dòng)的峰頻率不單與輪軌力有關(guān),還與輪軌不平順和橋梁自身特性有較大關(guān)系。
4)箱梁結(jié)構(gòu)噪聲主要頻率范圍為50~160 Hz,橋梁的噪聲不僅與橋梁的振動(dòng)有關(guān),而且與各板的輻射效率和傳輸路徑有關(guān),而地面反射也是一個(gè)重要因素。各板厚度對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)噪聲有一定影響,隨著各板厚的增加,結(jié)構(gòu)噪聲呈減小的趨勢(shì),其中頂板對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲影響最大,腹板影響最小。
5)箱梁各板輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)的聲貢獻(xiàn)量大小關(guān)系為:頂板>翼板>底板>腹板,因此橋梁減振降噪應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)頂板和翼板。
6)高速列車行駛下箱梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲大小規(guī)律類似,均以頂板與翼板為主要控制對(duì)象,但左右翼板的振動(dòng)峰值頻率有所不同。采用混合FE-SEA方法,進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化箱梁的結(jié)構(gòu)和截面形式、安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、敷設(shè)阻尼層等減振降噪舉措,對(duì)于減振降噪具有重要價(jià)值。