高架桥轨道减振措施的降噪效果量化分析

尹华拓



高架桥轨道减振措施的降噪效果量化分析

尹华拓

（广州地铁设计研究院有限公司，广州 510010）

总结地铁高架敷设方式及噪声控制技术发展历程，对桥梁噪声进行合理的简化分析与拆解，调研部分轨道减振措施对桥梁二次结构噪声的抑制效果，在此基础上量化分析轨道减振对综合降噪效果的规律，与以往工程中的定性做法相比，实用且有一定的创新和突破，可为今后其他实际工程高架桥综合噪声控制提供借鉴。

地铁；高架；轨道；振动；噪声

1 高架敷设方式及噪声控制技术发展概要

城市轨道交通高架敷设方式起步于2002—2003年前后开通的北京地铁13号线及上海地铁3号线，其后几年高架敷设方式逐渐增多，噪声敏感段主要采取了声屏障措施，但很多高架线路开通运营后即使安装了声屏障的地段也会出现噪声投诉现象，噪声成为高架敷设方式的主要制约因素[1]。

较早的高架桥地段并未考虑桥梁二次结构噪声的影响，2008年发布的《环境影响评价技术导则城市轨道交通》（HJ 453—2008）将高架线噪声简化为单一声源，忽略了不同噪声源的发生部位、量值大小、频谱特性及修正因子[2]，未考虑桥梁二次结构噪声的影响。

北京地铁13号线运营后在个别高架桥段增设了落地式隔声屏（见图1），以降低桥梁二次结构噪声的影响，加装落地式隔声屏后，敏感点的列车通过时段噪声降低了14.5 dB，说明桥梁二次结构噪声影响显著[3]。

随后，上海率先针对高架噪声开展了相关研究，并在2007年贯通运营的上海4号线高架钢桥首先采用了钢弹簧浮置板作为桥梁二次结构噪声的控制措施，取得良好效果。在后续建设中，上海地铁在高架噪声敏感地段均采用了钢弹簧浮置板或预制纵梁式轨枕等轨道减振措施来配合声屏障作为噪声控制手段。

图1 北京13号线运营后追加的落地式隔声屏

近年来，随着城市轨道交通的不断建设，采用高架敷设方式的线路也越来越多，为降低噪声影响，广州、郑州、宁波等城市也开展了高架桥噪声综合控制方面的探索和研究[4]，但高架桥二次结构噪声量值及其对总噪声级的贡献与线路、轮轨、桥梁结构等诸多因素有关，精准测试或理论计算预测均较难实现。故目前各地通行的做法是定性采取轨道减振措施配合声屏障降噪。

定性措施可能过度、也可能不足，存在一定的盲目性。在目前的技术及应用状况下，可将复杂问题简单化处理，基本的技术路线如下：

1）通过大量测试及分析，取得高架桥噪声主要组成和比例，进一步分析得到二次结构噪声的量值及对总噪声级占比规律。

2）以同样的方法获得不同轨道减振措施的降噪效果实测统计数据。

3）通过公式或仿真软件进行轨道减振措施降噪效果的量化分析。

2 高架桥二次结构噪声分析与拆解

轨道交通高架桥噪声源包括轮轨噪声、车辆动力噪声、集电系统噪声、空气动力噪声以及桥梁二次结构噪声等，对速度≤120 km/h的城市轨道交通而言，车辆动力噪声、集电系统噪声及空气动力噪声对高架桥总噪声级的贡献很小，高架桥主要噪声由轮轨噪声和二次结构噪声组成，其中二次结构噪声包括轨道和桥梁，以桥梁为主（见图2）。轮轨噪声产生于梁面以上轮轨接触部位，主要频率范围为400～1 000 Hz；桥梁二次结构噪声在桥梁面板、腹板、底板及护栏等部位均会产生，主要频率范围为40～200 Hz[5]。

通过以下两种方式将桥梁二次结构噪声从总噪声中拆解出来：

1）分别测试线路平面及纵断面、轨道结构及状态、列车运行工况及背景噪声等相同的地面线及高架桥的列车通过时段噪声值，高架桥总噪声“减去”地面线总噪声的“剩余噪声”则可基本认为是桥梁二次结构噪声。

图2 城市轨道交通高架桥主要噪声源及产生部位

图3 地铁高架噪声典型频谱曲线（北京13号线）

2）在高架桥梁体四周及同一断面与线路一定距离（如7.5 m、15 m、30 m）及高度（如1.5 m、10 m、20 m）的位置同步测试列车通过时段的噪声，然后借助噪声分析软件反推，即可求得桥梁二次结构噪声。

借助上述方法，对北京、上海、广州、西安、宁波等城市轨道交通工程中常规的混凝土梁桥进行了大量噪声测试，经过统计分析可知，列车通过时段高架桥平均总噪声级为82～87 dB，实际上主要由两部分组成：其中从桥梁面以上向外辐射的噪声包括轮轨噪声及部分桥梁二次结构噪声，噪声分量平均为80～86 dB；从桥梁面以下向外辐射的噪声主要为桥梁二次结构噪声，噪声分量平均为70～80 dB，计算公式为

其中，L总为总噪声源强，dB；L为不同部位的噪声源强，dB；为噪声传递修正项，dB，不同噪声源的修正项各不相同。

通过这种方法拆分得到的梁面以上噪声（轮轨噪声及部分桥梁二次结构噪声）及梁面以下噪声（桥梁二次结构噪声）来进行具体敏感点的噪声影响分析预测，有望比现有环评导则中单一线声源的方法取得更准确的结果。将地铁高架桥噪声划分为梁面以上及以下两部分，主要是考虑到两部分噪声的控制措施不同：梁面以上噪声主要通过隔声及吸声措施来控制，梁面以下噪声主要通过轨道减振及梁型优化来控制。桥梁类型、线路条件及轮轨状态的差异会使这两个噪声分量的量值及频谱有所不同，比如像钢桥的二次结构噪声可能超过轮轨噪声；此外，一些高架桥减振降噪措施实测未达到设计期望，设置的声屏障或轨道减振措施并未使敏感点接收到的综合噪声有效降低，原因之一就在于针对梁面以上或梁面以下噪声的控制措施并不匹配，单纯偏重于降低其中1个噪声源强而忽视了另一个噪声源强的控制，对二者叠加总噪声值的贡献较小。

3 高架桥轨道减振措施应用及降噪效果

轨道减振一般分为中等减振、高等减振及特殊减振等3级，中等减振主要包括各类减振扣件（见图4），高等减振包括减振垫浮置板、预制纵梁式轨枕（见图5）及中档钢弹簧浮置板（见图6）等，特殊减振主要是高档钢弹簧浮置板（见图7）。这些减振措施各有一定的技术特点和适用性，在各城市轨道交通高架桥上均有应用，也积累了一些降噪效果实测数据（见表1）。

图4 各类减振扣件

图5 预制纵梁式轨枕

图6 减振垫浮置板

图7 钢弹簧浮置板

表1 高架桥不同等级减振措施及主要技术指标

Tab.1 Different grade vibration damping measures and their main technical indexes for viaducts

定性分析，由于桥梁二次结构噪声的主要频率范围为40～2 000 Hz，故固有频率越低的轨道减振系统，对桥梁二次结构噪声的抑制效果越好，但降噪效果越好的减振措施，其要求的最小轨道结构高度及轨道自重也越大。减振扣件及预制纵梁式轨枕轨道结构高度及自重可与普通轨道一致，但浮置板类的轨道结构高度及自重均需在普通轨道基础上增加较多，在应用上会受到一定的制约。

3.1 减振扣件

减振扣件降低了钢轨支承刚度，从而减缓轮轨冲击振动并使轮轨作用力更为分散和均匀，从而减少桥梁梁体的振动并降低桥梁二次结构噪声。因减振扣件轮轨系统的固有频率相对较高，故其理论上降低桥梁二次结构噪声的效果较为有限。

减振扣件在北京、上海、南京等多地城市轨道交通高架桥建设中均有应用，但系统性的降噪效果对比测试研究不多。

2013年上海地铁张江实训线曾对一种新型分体嵌套式减振扣件进行了在线实测，该扣件静刚度约15 kN/mm，测得梁面Z振级减振效果6～7 dB，梁底降噪效果2.8 dB，有效降噪频段为60～600 Hz（见图8），梁底噪声主要为桥梁二次结构噪声[6]，这一测试结果对减振扣件较有代表性。

2014年，广州地铁4号线对黄阁汽车城—黄阁区间设有直立式声屏障的情况下，换铺浮轨式扣件后距离线路15 m、高1.5 m处降噪效果达到4.3 dB[7]，浮轨扣件比一般的减振扣件刚度更低，减振效果及相应降低桥梁二次结构噪声的效果相对更好。

图8 某减振扣件降噪效果频谱曲线

值得注意的是，近年来各类减振扣件铺设地段出现了较多的钢轨波磨及啸叫噪声病害，故应用范围不断缩小，新线高架桥基本不再采用。

3.2 预制纵梁式轨枕

预制纵梁式轨枕的主体结构是由一对预制预应力混凝土纵梁及数根横向钢梁组成的框架结构，纵梁底部均匀设置减振垫，侧面设缓冲垫，这种减振轨道有三重减振原理：一是高精度预制框架可保证铺设后的轨道高平顺性，从而降低轮轨振动及噪声源强；二是预应力混凝土纵梁可沿线路方向将轮轨作用力的分布范围扩大一倍，从而将基底动应力幅值降低50%，可有效降低振动水平；三是纵梁与减振垫组成质量弹簧系统，有载固有频率约20 Hz，可有效抑制峰值频率在60 Hz左右的地铁运行引起的振动。

如图9所示为某线路预制纵梁式轨枕与普通轨道在钢轨垂向振动加速度及桥旁噪声频谱曲线的典型对比，可以看出：该减振轨道钢轨在各个频段的振动幅值都低于普通轨道，这是高精度轨道平顺性的体现；该减振轨道的降噪效果体现在80 Hz及630 Hz左右2个频段，分别对应桥梁二次结构噪声及轮轨噪声。

图9 某预制纵梁式轨枕与普通轨道振动及噪声对比频谱曲线

根据预制纵梁式轨枕在多个地铁高架桥铺设段的实测统计，其针对桥梁二次结构噪声的降噪效果为8～10 dB。

3.3 减振垫浮置板

减振垫浮置板主要由钢筋混凝土道床及下部减振垫与侧面缓冲垫组成，高架桥铺设通常还需设限位结构。减振垫浮置板主要通过质量弹簧系统吸收轮轨振动能量，受减振垫材料性能限制，其固有频率最低只可做到10～15 Hz，对抑制桥梁振动及二次结构噪声具有较好的效果。

根据杭州某高架线开通前轨道牵引车40 km/h条件下的测试（见图10），减振垫浮置板相对于普通轨道的（梁底）二次结构噪声降低值为8～10 dB[8]。

图10 某梁底减振垫浮置板及普通轨道噪声频谱曲线

3.4 钢弹簧浮置板

钢弹簧浮置板可利用钢弹簧材料强度高、抗变形能力强的优势，将钢弹簧隔振器的刚度及浮置板的固有频率设计得相对较低，固有频率约6～10 Hz。

如图11所示，为上海某高架线钢桥铺设的钢弹簧浮置板与铺设了普通轨道的钢桥下的噪声实测对比，可知钢弹簧浮置板在≥40 Hz频段均有良好的降噪效果，对钢桥总噪声级控制效果可达到将近18 dB[9]。

图11 钢梁下钢弹簧浮置板与普通轨道噪声频谱曲线

无论是减振垫浮置板还是钢弹簧浮置板，因其支承刚度较低，在列车荷载作用下，浮置板弯矩较大，故配筋量较大，浮置板只能采用短轨枕（见图12），这加大了浮置板轨道几何状态的施工控制难度，尤其是曲线地段，故浮置板应用在桥上时，需采取综合措施确保铺轨精度及质量。部分地铁工程也开始研究试铺预制浮置板来解决这一问题，但也相应地带来了运输吊装困难、造价进一步增加等问题。

图12 钢弹簧浮置板钢筋笼

4 轨道减振措施的降噪效果量化分析

作为高架桥针对梁面以上噪声所采取的主要控制措施，声屏障的降噪效果已有定论，基本上直立声屏障及半封闭声屏障的降噪效果分别约为8 dB及14 dB，则根据上文分析的噪声分源源强分析方法、分源噪声传递计算公式以及搜集的轨道减振措施对桥梁二次结构噪声的降噪效果，即可针对具体工点的噪声敏感点开展相对环评导则而言更为精准的量化计算分析。

大量测试结果统计表明，一般的钢筋混凝土梁桥地段，梁面以上噪声声级比梁面以下噪声大6～10 dB，钢桥的梁面以下噪声则可能与梁面以上噪声持平，由于2个噪声的叠加是按对数进行叠加计算的，所以梁面以上噪声与梁面以下噪声的大小差值不同，会影响轨道减振措施对综合降噪的必要性及实际贡献[10]。

表2为某典型计算案例，该工点经过分析拆解的梁面以上、梁面以下噪声源分别为84.5 dB、75.5 dB，前者比后者大9 dB，从该表可看出很多有价值的规律：

表2 梁面以上隔声措施与轨道减振叠加降噪效果

1）量化证明了轨道减振措施配合声屏障进行综合降噪的必要性。假若仅采取声屏障措施，而不采取轨道减振措施，则直立声屏障及半封闭声屏障的实际降噪效果分别仅达到6 dB、8.3 dB；若轨道系统配合采取预制纵梁式轨枕等减振措施，则直立声屏障及半封闭声屏障的实际降噪效果分别可以达到8 dB、12.7 dB；若轨道采取钢弹簧浮置板减振措施，则叠加降噪效果还有进一步提升的空间。

2）轨道减振措施配合降噪的实际效果有赖于梁面以下噪声与梁面以上噪声的差值。当梁面以下噪声值越接近梁面以上噪声，采取轨道减振措施的综合降噪效果越好；当梁面以下噪声值低于梁面以上噪声较多时，采取轨道减振措施对综合降噪效果的贡献越小。

3）单纯的轨道减振措施的综合降噪效果较为有限。当梁面以下噪声值低于梁面以上噪声值较多时，如果不采取声屏障等隔声措施降低梁面以上噪声，而是仅采取轨道减振措施降低梁面以下噪声，则对综合噪声的控制几乎没有效果。

4）轨道减振措施的等级与隔声措施的等级需合理匹配。当梁面以上采取半封闭声屏障时，轨道减振采取钢弹簧浮置板的综合降噪效果最好，这说明当梁面以上采取的隔声措施越强，则采取的轨道减振措施等级也需要相应提高，具体的匹配需跟进梁面以上噪声及梁面以下噪声的差值经过计算加以确定。

5）并非所有噪声敏感地段都需要采取轨道减振措施来配合降噪。当梁面以下噪声值低于梁面以上噪声值较多、且敏感点噪声超标量相对较小时，采取直立声屏障措施虽然效果有一定的折减（见表2），但也足以满足噪声控制的需求，这种情况下就无需采取轨道减振措施。

5 结语

随着各大城市中心城区地铁线网的逐步建成，未来郊区线路采用快速、高架敷设方式的线路会更多，高架桥综合降噪的需求及必要性也会随之增大。本文将地铁高架桥噪声简化拆分为梁面以上噪声及梁面以下噪声两个声源，同时调研分析了轨道减振措施对桥梁二次结构噪声的降噪效果，在此基础上开展了轨道减振配合声屏障进行综合降噪的效果及规律量化分析，与现有环评导则噪声影响预测仅将地铁高架桥噪声源单一化处理且未明确规定采取轨道减振措施配合降噪的做法相比，有一定的创新和突破。与目前我国高铁领域正在探索的噪声源精确识别方法相比，本文提出的这套方法的分析精度略有不足，但分析效率较高，方便工程应用，随着不同工况条件下的实测数据与经验积累越来越多，针对分析模型的参数不断优化和细化，分析精度也将越来越高。这一整套分析方法已在广州地铁14号线的设计中得到初步应用。

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（编辑：曹雪明）

Quantitative Analysis of Noise Reduction Effect of Elevated Vibration Damping Track

YIN Huatuo

(Guangzhou Metro Design Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010)

This paper summarizes the subway viaduct and its noise controlling technology development history; dismantles and simplifies the secondary structural noise of viaducts reasonably; and surveys noise reduction effects of elevated vibration damping tracks. On this basis, a quantitative analysis of the contribution of a vibration damping track on the comprehensive effect of noise reduction is conducted. Compared to the existing qualitative practice, the new method is practical, includes certain innovations and breakthroughs, and can provide guidance for comprehensive noise control for viaducts in the future.

urban rail transit; viaduct; track; vibration; noise

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.010

U239

A

1672-6073(2018)04-0045-06

2018-01-02

2018-02-11

尹华拓，男，工学硕士，工程师，从事轨道结构设计和研究工作，yinhuatuo@dtsjy.com