城市轨道交通高架线U型梁降噪理论与测试

王奕然

(北京城建设计研究总院有限责任公司 北京100037)

城市轨道交通的高架线路与地下线路相比较，具有建设与运营成本低、安全风险小等优点。但是，高架线路的列车运行噪声对沿线居住环境、土地的经济价值存在一定的负面影响，限制了高架线路在实际工程中的应用［1-2］。城市轨道交通高架线U型梁技术研究旨在通过梁型结构的变化以及多种降噪措施的应用，降低列车运行噪声对周围环境的影响，使之成为环保、经济、美观的高架线路形式，以替代传统的箱型梁结构形式。

笔者将通过对比传统箱型梁与U型梁的特点，分析传统箱型梁噪声治理存在的问题，提出U型梁降噪的基本原理及具体措施。同时，采用不同的方法对U型梁的降噪效果进行理论计算分析与模拟预测，并通过工程噪声测试进行验证。

1 传统箱型梁的噪声治理

1.1 传统箱型梁的特点及噪声治理措施

传统箱型梁是在以往的城市轨道交通高架线中普遍采用的一种梁体结构形式。传统双线桥箱型梁的特点有:上下行线路均在同一梁体上;上下行线路间距较近，之间的空间小;梁体上部是一个平台，对列车没有任何包围效果;箱型梁内部有较大空腔。

在国内外的实际工程中，采用传统箱型梁时，设置声屏障是应用最为广泛的噪声治理措施。声屏障(noise barrier)是设立于噪声源和受声点之间的声学障板，它利用声波的绕射衰减原理，通过控制噪声传播途径来减小受声点的噪声值。

根据结构外形的不同，城市轨道交通工程声屏障可分为直立式、半封闭式及全封闭式三大类［3］。全封闭声屏障与直立和半封闭声屏障的降噪机理不同，其降噪效果主要与声屏障板的隔声量有关，从降噪角度讲，明显优于后两种。但高架线全封闭后，随之带来的声屏障内部通风及消防问题较难解决，因此仅在局部特殊地段采用。

1.2 噪声治理存在的问题

1.2.1 设计方案有局限性

工程中采用的直立和半封闭声屏障的降噪效果都会随敏感建筑高度及保护距离的增加而衰减;另外，传统箱型梁声屏障的设置位置受限界、桥梁形式的制约，声屏障与主要声源点(列车轮轨)的距离较大，降噪效率较低，特别是在双线桥上，声屏障对较近一侧线路(近轨)的降噪效果好，但对较远一侧线路(远轨)的降噪效果会大打折扣;再有，列车在传统箱型梁上运行振动产生的梁体结构二次噪声是无法利用桥上的声屏障消除的。

1.2.2 声屏障对城市景观影响较大

根据声屏障的降噪原理，声屏障是列车与周围环境之间的一道隔墙，这道隔墙很长、很薄又没有任何变化，其景观设计是一件非常困难的事情;另外，墙体与高架桥连接为一体，使得高架桥的体量增加了很多，对整个城市景观也影响较大。目前，声屏障的工程设计与施工大多和桥梁独立分开进行，缺乏有效的沟通协调，整体性不强，使得声屏障景观几乎千篇一律，缺乏美感。

1.2.3 缺乏良好的声屏障材料

除了材料声学性能外，由于其常年处于室外，处于雨雪风沙等恶劣气候条件，声屏障材料的防腐、抗老化性能也值得关注。目前，金属声屏障的防腐性能、玻璃钢与塑料材质声屏障的抗老化性能较为薄弱，透明材料声屏障的清洗问题也难以解决。由于城市轨道交通全年运营，声屏障的维护更换工作不能影响行车，而且声屏障通常与桥面上供电、通信、信号等多专业的电缆托架共用立柱，维护条件非常苛刻。因此，使用寿命要求较一般的公路声屏障更为严格，宜优先采用免维护产品。

1.2.4 造价巨大

城市轨道交通声屏障对使用寿命、耐候性、重量等方面要求较高，导致造价居高不下。普通的金属声屏障造价都在1 000元/m1以上，随着金属材料价格的上涨，声屏障的工程造价也不断攀升。由于工程中大量使用声屏障，使得高架线路建设成本低的优势变得不再明显。

2 U型梁降噪机理

2.1 U型梁特点

U型梁是一种新型的城市轨道交通高架线梁体结构形式。与传统的双线桥箱型梁比较，U型梁的特点有:上下行线路在两个不同的梁体上;上下行线路间距较远，之间的空间大;梁体上部自身呈U型，对列车有一定的包围效果;U型梁内部没有空腔。

2.2 U型梁降噪机理

2.2.1 天然的屏障结构

箱型梁上部两侧为开放的结构，无遮挡噪声的作用;而U型梁腹板对列车车体有一定的包围效果，可以起到天然的屏障作用。因箱型梁两线之间的距离较小，没有空间设置声屏障，声屏障通常只能设置在高架桥的两侧;而U型梁上下行线路均有独立的U型结构，相当于在两线之间设置了天然屏障。另外，U型梁腹板上部向列车方向可以伸出挑檐，又增加了遮挡噪声的等效高度，从而形成更高的天然屏障。图1为U型梁与设置1.5 m高(与U型梁腹板高度相同)声屏障的箱型梁的声影区对比。

从图中可以看出:对于近轨列车，U型梁所能形成的声影区比设置声屏障的箱型梁范围略大;而对于远轨列车，U型梁声影区的范围远大于设置声屏障的箱型梁。

2.2.2 设置吸声调整块及腹板吸声

图1 U型梁与设置1.5 m高声屏障的箱型梁的声影区对比

根据声屏障降噪理论，起天然屏障作用的U型梁腹板距离主要声源点(列车轮轨)越近，其降噪效果越好。由于混凝土结构的施工误差较大，考虑安全因素，腹板不可能离列车很近。为进一步增强腹板对列车轮轨的包围效果，可以在腹板上部列车一侧的挑檐前端安装一种新型的柔性隔声调整块(专利号:ZL200820301542.2)。隔声调整块由吸声材料、隔声材料及阻尼材料组成。隔声调整块最大限度地接近列车，可以大大提高腹板的等效降噪高度，而且其前端为柔性材料，能够避免刮伤列车。

为减少轮轨噪声在U型梁腹板与车体之间的反射而产生的噪声叠加现象，可以在U型梁腹板内侧贴覆一层吸声材料。在工程中，吸声材料可选择膨化珍珠岩板、聚合水泥木丝板或超微孔板等多种材料，如图2所示。

图2 加设隔声调整块及腹板吸声材料的U型梁断面

除了上述措施外，U型梁没有箱型梁那样的内部空腔，对于降低梁体本身振动产生的固体二次噪声也有一定的效果。

3 U型梁降噪效果计算分析

为了量化U型梁的降噪效果，以南京地铁2号线东延线某噪声敏感点为例进行计算分析。根据环评要求，若采用箱型梁需设置3 m高声屏障。参照HJ 453—2008《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》附录B的计算方法，分别对设置3 m高声屏障的箱型梁和未设置声屏障的U型梁(亦未设置隔声调整块)进行运行噪声预测［4］。

计算输入数据:桥梁高度10 m;线路与敏感点的距离36 m;敏感点高度24 m(8层);背景噪声昼间58.7 dB(A)，夜间52.7 dB(A);昼间高峰小时行车20对，夜间10对;车辆为A型车，6辆编组。表1为针对该敏感点最不利房间(顶层)进行的箱型梁与U型梁的噪声预测结果。

表1 箱型梁与U型梁噪声预测结果 dB(A)

从表1可以看出:对于本敏感点，箱型梁设置3 m高声屏障的降噪效果与U型梁(未设置隔声调整块)的降噪效果相当，其昼间及夜间运营高峰小时连续等效噪声值均降低了约6 dB(A)。

除手工计算外，还采用Soundplan声学模拟软件对箱型梁及U型梁设置降噪措施的几种情形进行了模拟预测(见图3～图5)。

从模拟结果可以看出，采用U型梁的线路周边声环境质量优于箱型梁;当U型梁安装隔声调整块后，降噪效果更加显著，因此该方法应当成为U型梁综合降噪技术值得进一步发展的方向。

图3 箱型梁的声场分布

4 U型梁降噪效果测试

南京地铁2号线东延线局部路段采用U型梁(未设置隔声调整块)，该工程已于2010年5月开通运营。为了对比U型梁与箱型梁在实际运行中的噪声情况，同时也对前面的理论分析进行验证，分别选取一段南京地铁2号线东延线的U型梁和国内某城市运行地铁线路中未采取降噪措施的箱型梁进行噪声对比测试。对于南京地铁的箱型梁，由于均设置了高约1.7 m的吸声型护栏板(等同于声屏障)，不适合作为对比测试对象［5］。

图4 U型梁(未安装隔声调整块)的声场分布

图5 U型梁(安装隔声调整块)的声场分布

对比测试条件为:桥梁高度约10 m;均为平、直、无道岔线路;无降噪及减振措施;列车速度约为60 km/h;背景噪声为44～56 dB(A);U型梁为A型车，箱型梁为B型车，均为6辆编组;天气情况良好。

对于两种梁型，分别在距离近轨线路中心线30 m、60 m及90 m处设置3个测试点，受测试条件的限制，测试点距离地面为1.2 m。测试记录为近轨列车和远轨列车经过时的瞬时噪声值，如图6～图7所示。

可以看出，列车经过时，U型梁瞬时噪声值低于箱型梁7～12 dB(A)，即U型梁腹板的插入损失为7～12 dB(A)。由于测试点距地面很近，U型梁腹板形成的声程差比位于高处的预测点更大，因此测试结果高于表1中的插入损失预测值。

图6 U型梁与箱型梁近轨瞬时噪声的测试结果对比

图7 U型梁与箱型梁远轨瞬时噪声的测试结果对比

同样由于测试点距地面很近，对于箱型梁，梁体对远轨列车噪声亦能具有一定的屏蔽作用;对于U型梁，近轨梁体会对远轨列车噪声以及远轨梁体的振动二次噪声产生一定的屏蔽作用。因此，同一测点的远轨噪声值均低于近轨噪声值。这一趋势与表1中位于高处的预测点有所不同。

在上述测试数据的基础上，可折算出不同测点处昼间及夜间运营高峰小时的连续等效噪声，如图8～图9所示。

图8 U型梁与箱型梁昼间高峰小时的连续等效噪声对比

图9 U型梁与箱型梁夜间高峰小时的连续等效噪声对比

可以看出，对于地面测试点，U型梁昼间和夜间的运营高峰小时连续等效噪声值均低于箱型梁，其差值为9～11 dB(A)，U型梁的降噪效果十分显著。而且，A型车轴重较大，其车辆噪声源强一般高于B型车，但测试的A型车U梁噪声值低于B型车箱梁噪声值，更凸显出U型梁的降噪优势。

5 结论

综上所述，与传统箱型梁相比较，U型梁结构是无空腔底板、U型腹板、腹板挑檐以及隔声调整块的组合体，可有效控制车辆轮轨噪声，形成对车辆轮轨噪声的天然屏障。理论分析、Soundplan软件计算机模拟和现场测试的研究表明，该U型梁结构对车辆轮轨的近、远轨噪声均具有良好的屏蔽作用，无空腔混响引起的二次结构噪声，综合降噪效果显著。采用该U型梁结构，能够大幅度减少声屏障的使用量，可以避免传统声屏障噪声治理措施带来的问题，从而优化桥梁景观、降低建设投资和运营维护成本，带来巨大的社会效益和经济效益。

［1］北京城建设计研究总院有限责任公司.城市轨道交通高架线U型梁综合技术研究科研报告［R］.北京，2012.

［2］王奕然，杨兴山.城市轨道交通设备系统可持续发展的技术对策［J］.都市快轨交通，2009，22(5):6-9.

［3］王奕然，孙京健.北京地铁5号线声屏障工程的设计与研究［J］.铁道标准设计，2007(10):26-28.

［4］HJ453-2008环境影响评价技术导则:城市轨道交通［S］.北京:环境保护部，2008.

［5］孔飞，杨志峰，许巍.南京地铁二号线新型降噪措施［J］.低温建筑技术，2010(12):113-115.