铁路钢桥结构噪声的研究进展

张 迅, 刘 蕊, 阮灵辉, 王曦阳, 李林辉, 陈恩培

(西南交通大学 桥梁工程系, 四川 成都 610031)

铁路噪声问题由来已久。当前，世界各国发展铁路事业的步伐越来越快，使得铁路噪声问题成为国家社会和行业关注的焦点。

列车通过桥梁时的噪声通常高于地面线路，一般会增加3 dB(A)以上，严重时噪声增量可达20 dB(A)[1]。主要原因有两方面：(1) 列车振动能量通过轨道结构传递至桥梁，激发桥梁构件振动，由于构件表面积大，所辐射的噪声也大，这部分噪声源称为“桥梁结构噪声”；(2) 轨道结构的差异可能使桥上的轮轨噪声比地面线路大，且轮轨噪声在桥上的传播特点与在地面线路上存在差异。铁路桥梁是基础设施的重要组成部分，且具有使用期限长、更换难和再次施工难的特点。因此，在设计、建造之初，应特别重视桥梁结构噪声问题。

现代桥梁的建造材料主要为混凝土和钢。在我国公路桥梁中，钢桥所占的比例不足1%，远低于发达国家(如法国、日本和美国钢桥的比例分别为85%、41%和35%)[2]。近十年来，我国铁路实现了跨越式发展，新建线路大多采用“以桥代路”模式，其中绝大多数为混凝土桥。随着桥梁技术的不断变革和缓解钢材产能过剩的需求不断被提出，钢桥将成为我国桥梁工程的重要发展方向。相比钢桥，混凝土桥更经济且噪声更低，这是人们早已固有的共识。因此，若要在噪声敏感区建造钢桥，必须先解决的一个问题就是噪声污染。

本文首先给出钢桥结构噪声的基本特性，包括板的声辐射、噪声评价和频谱特性等；然后，讨论钢桥结构噪声的计算方法，并对比各方法的优劣性。在此基础上，系统归纳和总结钢桥结构噪声的控制措施，提出降能、抑振、阻噪“三位一体”综合减振降噪策略。最后，指出了目前铁路钢桥结构噪声研究中有待进一步完善的问题，并就如何进一步开展研究作了初步探讨。

1 基本特性

人耳的可听频率在20 Hz以上，该频率范围主要对应于桥梁板件的局部振动，而不是全桥整体振动。因此，钢桥结构噪声来源于幅面尺寸较大的板面外振动(如桥面板、纵横梁腹板等)。准确理解板的声辐射是研究钢桥结构噪声的基础。

1.1 板的声辐射

板的声辐射示意见图1。空间中任意观察点X的声压为[3]

( 1 )

式中：j为单位虚数；ρ0、c0分别为空气密度、声速；k为波数，k=ω/c0，ω为圆频率；S为板的表面积；R为板面上微元dS到观察点X的距离；vn为微元dS的法向振动速度。该式为著名的瑞利积分公式，针对具有无限大障板情况下的理论模型，相关应用见2.2.1节。

由式( 1 )可见，噪声用声压表示时，与受声点的具体位置有关。为了定量描述声源本身的大小，引入声功率这一物理量，其与受声点的位置无关。板辐射的声功率为[3]

( 2 )

影响辐射效率的主要因素包括幅面尺寸、板厚、边界约束条件、阻尼损耗因子等。总体上，在临界频率附近(此时板的弯曲波波长与声波波长相等)，辐射效率最高；频率更高时，辐射效率趋近于1；在中频范围，“声短路”现象使得辐射效率降低。临界频率fc为[3]

( 3 )

式中：m′为板的面密度；D为板的弯曲刚度。

文献[3-5]给出了辐射效率的近似公式。根据文献[5]，本文计算得到4种简支矩形钢板的辐射效率曲线，见图2。其幅面尺寸分别为4 m×2.4 m、4 m×1.2 m，厚度有24 、50 mm 2种。

由图2可见：厚板的临界频率更低，其辐射效率曲线向低频移动；在临界频率以下，声短路的程度随板件尺寸增大而略微增加，随板厚变薄而显著增加，即薄板更有利于降低辐射效率。

1.2 钢桥的声辐射

文献[6-9]对大量的实测结果进行分析后得出：列车通过钢桥时的噪声一般要比混凝土桥大，但并非绝对；相比有碴轨道桥梁，无碴轨道桥梁的噪声往往比较大，且采用直接扣件式的桥梁或使用明桥面的钢桥噪声更大。

相比轮轨噪声，一般认为桥梁结构噪声以低频为主，但钢桥结构噪声的频率范围要比混凝土桥更宽。然而，桥梁结构噪声的主频范围却没有严格的定论。主要原因有三方面：(1) 影响因素众多，包括桥型、材质、尺寸，以及轨道、粗糙度、列车等；(2) 声压级计权方式将影响所得出的结论；(3) 现场测试的综合噪声为轮轨噪声、桥梁结构噪声的混合，难以从中分离出不同噪声源的独立贡献。

1.2.1 噪声评价

当前，国内外的铁路噪声评价指标多采用等效A声级，且在评价中并非针对单一噪声源，即包括轮轨噪声、桥梁结构噪声等形成的混合噪声。

A计权方式将极大地抑制低频桥梁结构噪声的贡献，且计权方式严重影响对桥梁结构噪声主频范围的判断。例如：对混凝土桥，不计权时的结构噪声主频为40～100 Hz[10-13]；若采用A计权，则该频率范围的噪声将由于折减量极大而被忽略(对应的权重为-34.6～-19.1 dB)。对于该主频的噪声，相关研究将其归因于轮轨系统的固有频率和板的临界频率相接近，前者使输入到桥梁的振动能量出现局部峰值[12]，后者使常规厚度混凝土板(0.2～0.4 m)的辐射效率较高[13]。

少量规范考虑了低频桥梁结构噪声的危害。例如：日本采用2条曲线评价公路钢桥所辐射的极低频噪声(包括20 Hz以下的次声)[14]，见图3。其中，“引起门窗产生咔嗒声”的评价曲线对应的测点位于建筑物外1～2 m；“造成人体身心不舒适”的评价曲线对应的测点位于房间内(测试时关闭门窗)。只有当实测的噪声频谱曲线位于区域Ⅰ内时，方可认为桥梁结构噪声既不会引起门窗产生咔嗒声，也不会造成人体身心不舒适。

对于铁路钢桥噪声，由于其频谱范围更宽，且当前中高频噪声尚未很好地解决，故实践中大多不关注极低频噪声。

1.2.2 频谱特性

为了从测试的噪声中剔除轮轨噪声的贡献，研究中有一些近似处理方法。以下将其总结为3类，并对钢桥结构噪声的频谱特性进一步分析。

在同一条线路上，将相同列车分别通过钢桥和地面线路时的噪声作差，可近似得到钢桥结构噪声的独立贡献。使用这种方法应保证轨道结构在桥梁和地面上一样，否则轮轨噪声将会明显不同。例如，文献[15]通过该方法认为40 Hz附近的噪声增量(12～18 dB(A))主要来源于钢桥面板的振动。但是，由于钢轨安装在直接置于钢桥面的木枕上，而地面线路采用有碴轨道，所以桥梁上的轮轨噪声明显要大，使得中高频钢桥噪声被掩盖掉。该例中，A计权综合噪声的增量为12～14 dB(A)(5种不同列车类型，车速度为50～80 km/h，测点为距轨道中心22 m远、轨面高度处)。

在同一条线路上，测试相同列车分别通过钢桥和混凝土桥时的噪声，并假设混凝土桥的结构噪声可忽略(采用A计权时，轮轨噪声占主导)，则可将2个测试值作差后视作钢桥结构噪声的独立贡献。文献[16]通过该方法得到了一跨度150 m中承式铆接钢桁拱桥的结构噪声频谱曲线，见图4。测点为距桥梁45～55 m、轨面以上1.5 m高度处。可以看出：钢桥结构噪声主要集中在200～800 Hz频段，其对综合噪声的贡献为3～7 dB(A)；在800 Hz以上，轮轨噪声的贡献占主导，而钢桥结构噪声的贡献降低。

最后一种方法适用于布置测点比较便利的情况。对于某些结构形式的桥梁(非明桥面)，由于轮轨噪声受到桥面的遮蔽，故可以假设桥梁正下方测得的噪声主要来源于桥梁结构噪声。文献[17]测得的结果见图4，其跨度为16 m的连续钢板结合梁(桥宽度为8 m，桥面板厚度为0.4 m，纵梁高度为1 m)，车速度为54 km/h，测点位于桥梁正下方5 m处。类似地，本文作者曾对高速铁路(32+40+32) m钢板结合梁进行了测试(桥宽度为12.4 m，桥面板厚度为0.2～0.487 m，纵梁高度为2.5 m)，车速度为190 km/h，测点位于桥梁正下方4 m处，结果见图4[18]。

由图4可见，2个钢混结合梁的结构噪声频谱比较相似，且相比全钢桥，前者的主频范围更宽，大约为63～800 Hz；几十Hz的低频噪声可能来源于混凝土桥面板的振动。

2 预测方法

桥梁振动声辐射问题本质上是流固耦合问题。由于桥梁刚度通常很大，故可忽略空气对桥梁的作用力，则其成为弱耦合问题。因此，一般采用“两步走”的混合方法进行桥梁结构噪声预测。第一步是得到桥梁的车致振动响应，第二步是基于已求得的桥梁振动响应计算声辐射，这两步共同决定了桥梁结构噪声预测的精度和效率。

2.1 车致振动响应

2.1.1 时域解法

现代车轨桥耦合振动理论构建了一个大型复杂非线性动力学系统，目前只能在时域内求解[19]。现有研究主要集中在避免共振、保证列车运行安全性和旅客乘坐舒适性等方面，所考虑的桥梁振动响应处于低频范围，因而多采用梁单元建模。然而，为了准确获得桥梁高频振动响应而进行后续的噪声分析，应采用板壳或实体单元建模，且每个弯曲波波长内应采用4～8个单元进行模拟，此时时域内的车轨桥耦合振动分析极其耗时。对于混凝土桥，因为所需要考虑的分析频率一般在200 Hz以内，故单元数量相对较少、计算效率尚可[10-11]。

为了简化分析，一些研究中忽略了轨道不平顺宽带激励作用[20-21]，仅考虑车辆移动荷载效应，由此得到的桥梁振动响应在频率上明显不够丰富。

2.1.2 频域解法

(1) 有限元法

噪声分析的频率通常在20 Hz以上。考虑到车辆一系悬挂的固有频率通常低于10 Hz，二系悬挂的固有频率为1 Hz左右，故可采用更简单的车辆模型(如不考虑二系、一系悬挂的影响)进行车轨桥耦合振动分析。此外，还可对轮轨接触进行线性化处理。考虑到车辆移动荷载的主要激励频率较低，可采用移动不平顺的方式得到频域内的轮轨相互作用力Fc为[1]

( 4 )

式中：r为轮轨粗糙度幅值；Yr、Yw、Yc分别为轨道-桥梁系统、车辆、轮轨接触弹簧的导纳。

进一步地，通过扣件作用在桥梁上的荷载也可方便地得到。文献[12]、文献[22]采用上述方法分析了输入到桥梁的振动功率。类似地，文献[23]则采用谐响应分析得到了频域内的桥梁中高频振动响应。频域解法效率较高，且理论上任何复杂桥梁均可通过有限元建模，所以这种方法的应用越来越多。

(2) 波数有限元法

作为有限元法的改进，波数有限元法近年来被用作分析桥梁中高频振动响应，其特别适合于横截面沿跨度方向均匀的结构。该方法基于横截面的二维有限元离散化，先求得沿梁长方向的波动解，再通过逆傅里叶变换获得空间域响应，具有很高的求解效率。例如，Herron[24]通过这种方法研究了箱梁、钢板结合梁的中高频振动；Li等[25]将波数有限元法应用于分析钢轨和混凝土简支U梁的振动，频率上限可达1 000 Hz。

(3) 统计能量分析

对于钢桥的高频振动响应，由于在所关注频率范围内的振动模态密集，模型单元数急剧增加，此时有限元法的求解效率降低，则统计能量分析成为不二之选。该方法先将结构划分为若干梁、板子系统，假设两个子系统间的功率流与他们的平均模态能量之差成正比；然后，建立子系统间的功率流平衡方程；最后，求解得到各子系统所储存的能量和空间平均均方振动速度。

功率流平衡方程包含子系统间的耦合损耗因子，若采用“强耦合”假设，则可避免先确定耦合损耗因子，并能得到任意子系统振动响应的显示表达式。假设输入到桥梁的振动功率为Pin，则任意板n的空间平均均方速度为[1]

( 5 )

式中：η为阻尼损耗因子；ρs为材料密度；hn为板n的厚度；Sj和hj分别为第j块板的面积和厚度。

Janssens等[26]、Harrison等[27]、Bewes等[28]将上述简化的统计能量分析方法用于求解桥梁中高频振动响应，并重点对轨道-桥梁耦合模型、桥梁导纳简化计算公式等进行了研究，以准确获得输入至桥梁的振动功率。然而，这种方法不适用于板厚和材料相差很大的情况，如钢板结合梁，其混凝土桥面板和钢纵梁的振动差异明显。

更一般地，Poisson等[15]用259个子系统对一座单线简支钢桁梁进行建模，得到了200 Hz以上频段的桥梁振动。文献[29]以车轨桥耦合振动分析混凝土桥面板的振动，并将其视为外界能量输入，再采用715个子系统对64 m钢桁结合梁建模，以计算各板件的高频振动响应。在对(32+40+32) m钢板结合梁的振动分析中，也采用了类似的方法[18]。对于混凝土桥，由于子系统的模态密度较低，该方法的有效频段不易确定[30]。

统计能量分析的求解效率最高，但其精度在很大程度上取决于参数的准确估计，包括振动能量输入、模态密度、内损耗因子和耦合损耗因子等。

计算车致振动响应是桥梁结构噪声预测的第一步，各种方法的比较见表1。由表1可见：对于钢梁高频振动响应，应优先选用统计能量分析方法，并补充有限元法得到低频响应；对于等截面桥梁，可采用波数有限元法先进行降维后再分析。

表1 桥梁结构噪声的预测方法比较

2.2 振动产生的噪声

2.2.1 简单声源模型

一些研究采用简单声源模型进行振动声辐射分析，如点声源、线声源和面声源等。

Ouelaa等[31]将连续梁离散为二维梁单元，并将各节点的振动加速度视为沿梁长分布的单极子声源。这种方法显然不能模拟桥梁的高频局部振动，所求的结构噪声频率范围也极为有限。

同一直线上十分靠近的许多点声源可看成线声源。Remington等[32]将桥梁视作运动着的有限长线声源，先计算单位长度桥梁的辐射声功率(式( 2 ))，再采用解析公式计算远场声压。

对于由复杂板子系统所组成的桥梁(如钢桁梁)，可采用统计能量分析得到各子系统的振动速度，再根据式( 2 )获得每个振动板辐射的声功率，最后依据矩形面声源传播公式进行噪声分析[3]。典型统计能量分析软件(如VA One、Auto SEA)中的半无限流体模型即采用类似的方法[15]。

对于任意形状的面声源产生的声场，可将其看成由许多点声源在空间产生声场的叠加，这就是瑞利积分法(式( 1 ))。瑞利积分法通常被用于求解任意形状板的振动声辐射问题，相比简单声源模型，前者理论上精度更高。Au等[20]采用模态叠加法分析移动荷载作用下正交异性板的振动响应，再用瑞利积分获得时域内的声辐射。Xie等[33]先将公路钢箱梁桥离散为梁格模型，采用车桥耦合振动理论分析桥梁振动响应；再以梁格节点的振动速度代表该节点周围桥面板的振动速度，借助瑞利积分计算声辐射。需要指出的是：对于实际工程中复杂的桥梁结构，瑞利积分公式的适应性需要进一步探讨。

总体上，以上简单声源模型的计算效率很高，但由于无法考虑绕射、吸声等效应，难以准确预测外形和结构复杂的桥梁声辐射，且对于构造细节的优化分析无能为力。此外，当进行局部处理后(如开孔、加肋等)，板件的辐射效率难以准确估计[1]。

2.2.2 单元离散法

(1) 有限元法

当采用有限元法进行声学分析时，需要人工构造有限大的求解域，即引入一个包围结构的截止边界(其与结构外表面的距离一般选取0.2倍声波波长)，并设置吸收条件(避免声波反射)。为了保证计算精度，每个声波波长内至少应有6个单元，这将导致求解规模急剧增加。因此，即使对于混凝土箱梁这类结构简单的梁型，研究中也不得不采用二维有限元模型进行声场分析[34]，或者采用梁-板混合单元降低计算成本[35]。对于复杂结构(如钢桁梁)，一些研究依靠有限元法对次声(频率小于20 Hz)进行了讨论[21]。

通过将人工边界上施加的吸收条件替换为一层可延伸到无限远的单元，可实现对整个流体域(空间)进行求解，这是无限元法。与有限元法相比，无限元法提供了一种精确的吸声末端，故在激励频率升高时仍可保证计算精度。近年来，宋晓东等[36]将无限元法用于求解钢轨、混凝土简支梁的二维声传递向量，截止频率为1 000 Hz，并考虑了列车外形对噪声传播的影响。

(2) 边界元法

在处理声学问题时，边界元法只需划分结构的表面，特别是在已经采用有限元划分结构外表面后，边界元网格就随之完成。为了保证计算精度，边界元法进行声学分析时应在一个声波波长内划分6个单元，且传统边界元法形成的系数矩阵是非对称满阵，所以计算效率不高，特别适用于小型、简单结构。此外，边界元法还存在奇异积分、非唯一解等缺点[37]。

目前，传统边界元法主要用于混凝土简支箱梁、U梁的低频声辐射分析[10-11]。在这些研究中，通常先进行车轨桥耦合振动分析获得桥梁振动响应，再将其作为边界条件进行声学边界元分析，这种方法被称为混合有限元-边界元法。该方法的优势在于可以充分考虑绕射、吸声等效应，并可以研究诸如截面形式、细部构造、结构尺寸、吸声材料等参数引起的噪声变化。

为了提高计算效率，Li等[10]采用模态叠加法进行车轨桥耦合振动分析，并采用边界元法提取模态声传递向量以进行噪声分析。进一步地，他们还采用波数有限元-边界元法，对钢轨和混凝土简支U梁的振动噪声进行分析，极大地提高了计算效率[25]。最近，文献[38]将快速多极边界元法用于混凝土箱梁的声辐射分析，计算效率明显提高。

计算振动产生的噪声是桥梁结构噪声预测的第二步，各种方法的比较见表1。由表1可见：由于钢桥结构噪声的频段范围更宽，采用分频预测是兼顾精度和效率的优选方案，但应采用现场试验确定各计算参数。

3 控制措施

一般情况下，噪声控制通常有3种途径：一是从噪声源头上控制；二是从传播过程中控制；三是从受声体上控制。

针对列车在钢桥上运行时的噪声特点，本文提出降能、抑振、阻噪“三位一体”综合减振降噪策略，见图5。“降能”是指降低由轨道结构传递到钢桥的振动能量；“抑振”是指在能量输入既定的情况下，减小钢桥构件的振动响应；“阻噪”是指在噪声源不变的情况下，阻断噪声在空气中的传播。

3.1 降能——降低输入到钢桥的振动能量

3.1.1 运输管理措施

由式( 4 )可见，轮轨粗糙度是影响轮轨力的主要因素。此外，车速越高，车轮接收到的移动不平顺幅值也会响应增加，从而增大轮轨力[1]。因此，钢轨打磨、镟轮等措施成为了运输管理部门进行噪声控制的主要手段，而降速则是不得已时的临时性措施。显而易见，这些措施从源头上减小了激励源，使得系统的振动响应降低，则轮轨噪声和钢桥结构噪声均可以得到有效控制。由于这些措施属于常规性的运输管理措施，此处不过多论述。

3.1.2 轨道减振

振动能量通过轨道结构传递至桥梁，因而轨道结构是第一位措施(降能)中的关键。轨道结构的主要组成部分见图5。这里将相关措施归纳为钢轨、轨下和枕下。

(1) 钢轨

针对钢轨减振的措施主要包括阻尼钢轨和钢轨吸振器。阻尼钢轨是在钢轨表面粘贴阻尼材料和约束层(金属薄板)，以增加钢轨阻尼。钢轨吸振器是构造质量-弹簧系统，以吸收钢轨振动能量。

钢轨吸振器对轮轨噪声的控制效果较好，但对桥梁结构噪声的控制效果有限，甚至几乎不受影响。例如，文献[39]采用数值方法得出混凝土箱梁的振动仅在钢轨吸振器的前两阶频率附近(250 、700 Hz)得到控制；文献[15]通过现场试验确认钢轨吸振器对综合噪声的控制效果为3～4 dB(A)，其主要原因是轮轨噪声得到了有效控制，但钢桥结构噪声的变化很小。

目前还没有阻尼钢轨对桥梁振动噪声影响的相关研究。理论上[1]，只有在车轮作用点附近的钢轨才会将振动功率传递至桥梁，且不受钢轨阻尼的影响，所以对桥梁噪声的影响不大，但这一推论还未得到具体工程的证实。

(2) 轨下

轨下减振主要是采用弹性扣件降低传入轨下结构的振动能量，因而可降低桥梁振动噪声[40]。

轨道衰减率被用来描述钢轨振动大小随距离衰减的现象。若车轮激励下钢轨振动区段越长，则钢轨辐射噪声越大，且传递给轨下结构的振动能量越大。多数情况下，使用弹性扣件可以降低列车通过桥梁时的综合噪声，降噪效果为3～4 dB(A)[6-9, 16]。然而，由于弹性扣件降低了轨道衰减率，将增大钢轨振动而加剧轮轨噪声。例如，文献[16]研究得出，在安装弹性扣件后(刚度为19.5 MN/m)，钢桥结构噪声降低约15 dB(A)，但轮轨噪声增大约3 dB(A)，故综合降噪效果实际只有3 dB(A)。

此外，弹性扣件带来的新问题还包括可能诱发严重的钢轨异常波磨[41-42]，而波磨会加剧轮轨振动噪声，其主要原因是弹性扣件刚度太低致使轮轨振动能量与轨下隔离而留在钢轨中。

嵌入式轨道是将钢轨嵌入到弹性体中，其构成了一个刚度相对较小、衰减率较高的钢轨-扣件系统。文献[43]将嵌入式轨道应用到连续钢桁梁桥中，并采用预应力混凝土桥面板，数值结果显示120 Hz以上的轮轨力得以降低。文献[44]将嵌入式轨道应用到连续钢箱梁中(正交异性钢桥面)，以降低钢桥结构噪声，但未给出具体实施效果。

(3) 枕下减振

枕下减振主要包括道碴垫、弹性轨枕、梯形轨枕、浮置板等，其基本原理是在轨下插入一个质量-弹簧系统以隔离振动能量。

文献[45-47]对多个混凝土高架桥的测试结果表明，梯形轨枕、橡胶垫浮置板均能使得桥梁振动和结构噪声降低，但轮轨噪声可能增大1～4 dB(A)。文献[47]对某钢桥的测试结果显示，相比背景噪声，使用了钢弹簧浮置板后的综合噪声几乎没有增加。国内在一些大跨度钢桥上也使用了减振垫或钢弹簧浮置板，以降低钢桥结构噪声[48-50]。

文献[51]提出一种双层浮置系统——浮置梯形轨枕+浮置混凝土桥面板，可使得下承式钢板梁腹板的振动速度级降低10 dB，预期可降低钢桥结构噪声。

梯形轨枕、浮置板等属于高等级减振措施，但由于重量较大，使得桥梁的设计荷载增加[50]。此外，浮置板等减振轨道吸收了较大的振动能量，且幅面尺寸大，容易成为新的噪声源，且在固有频率附近(低频)存在减振效果不佳的问题[52]。

3.2 抑振——抑制振动能量在钢桥中的传递

3.2.1 结构优化设计

在满足结构承载力的前提下，可通过结构优化设计抑制振动能量在钢桥构件中的传递，并加速振动能量耗散，以实现桥梁“静音”的目的，见图5。

箱梁和U梁是目前应用最广泛的混凝土梁型，其优化设计包括：调整腹板与轨道的相对位置、调整腹板倾角、调整板厚、增加箱室、腹板开孔、设置加劲肋等[11, 22, 53-54]。U梁局部刚度小，造成U梁结构噪声比箱梁略大，但U梁两侧腹板对轮轨噪声的遮蔽效果明显[55]。特别地，空腔共鸣效应将加剧箱内噪声，其通过梁缝泄漏而恶化桥侧声环境[56]。

对于钢桥，上述优化方法同样适用。文献[43]研究了箱形下弦杆外侧腹板的加劲肋设置位置，以及内侧腹板与桥面板的连接位置。荷兰的研究人员就不同的板厚、梁高组合对钢桥结构噪声的影响进行了对比，优化后可降噪5～7 dB(A)[57]。需要指出的是，尽管厚板的声短路效应较小(图2)，但厚板的振动更低，所以两种效应趋于抵消。由于钢板声辐射对常规厚度变化不敏感(15～40 mm)，所以更有效的措施是降低输入功率，比如在钢轨正下方增加腹板厚度(可减小桥梁导纳)[58]。

使用混凝土桥面板也可减小噪声。例如，文献[59]对既有明桥面钢板梁进行改造，在增加混凝土桥面板后，通过锤击试验发现20～2 000 Hz范围内纵梁腹板的振动加速度降低了12.9 dB，其原因是混凝土桥面板降低了传递至纵梁的振动能量。正因为如此，实践中更多钢桥优选钢混组合桥面[43, 51, 60]。

一些细小的措施在特殊情况下也可以降低钢桥结构噪声。例如，将开口π形钢梁封闭起来(成为箱形)以减小声辐射面，在封闭所有缝隙后，理论上辐射声功率将降低3 dB(A)[1]；将钢质人行道板改成塑料板后，可降低该部分辐射的噪声[61]。

结构优化设计示意见图6。为增加对轮轨噪声的遮蔽效应，需优化结构尺寸，见图6(b)。图6(b)中：FL为翼缘宽度；WH为腹板宽度；WA为腹板倾角。

3.2.1 增大桥梁阻尼

式( 5 )表明，增大桥梁结构阻尼可以降噪。实测钢桥的阻尼损耗因子为10-3～10-1，其随频率增大而减小；相比焊接方式，铆接或栓接钢桥因在连接处可能存在滑移，使得阻尼损耗因子更大[62]。

道碴具有弹性，其在一定程度上起到隔离振动能量的作用，但其更大的作用是增大了钢梁的质量和阻尼。例如，文献[63]在钢桥面板上覆盖一层砂子后，桥下噪声降低了近10 dB(A)。类似地，日本在早期修建的钢桥中采用外包混凝土或沥青橡胶材料的方式增大阻尼[6]。最近，对旧桥进行加固维修时，在钢板表面喷涂胶乳水泥砂浆，以降低钢板的振动噪声[64]。

为了进一步增大钢板的阻尼，可以在板面上粘贴约束阻尼层。文献[65]对钢箱结合梁的腹板和底板粘贴约束阻尼层，并对敷设部位进行优化，可使得振动降低9～12 dB，500 Hz以内的噪声降低6～9 dB，但路旁A计权降噪量却很小。文献[66]曾对(32+40+32) m钢板结合梁敷设约束阻尼层降噪。采用“2 mm约束层(镀锌钢板)+2 mm阻尼层”对纵梁腹板进行处理后，腹板振动降低10.5 dB，梁下噪声降低3 dB(A)。由于轮轨噪声的贡献，距桥梁较远处的降噪效果不明显。

在列车长期振动荷载下，一般难以保证约束阻尼层与钢板的密贴效果。为此，文献[67]使用了一种带磁性的橡胶阻尼材料，减振降噪效果更佳。

3.2.2 桥梁吸振器

桥梁吸振器本质上为质量-弹簧系统，其安装在振动较大的板面上(如桥面板、纵横梁的腹板等)，通过吸收振动能量降低噪声。桥梁吸振器的优势在于可以根据需求方便地调整其工作频率，且在安装时不需要中断交通。

文献[15]在钢桥面上安装吸振器，使得30～50 Hz范围的低频噪声降低了4～6 dB。文献[68]在纵梁腹板上安装吸振器后，使得800 Hz附近的噪声降低了4 dB。文献[69]在14座有碴轨道钢桥上安装了吸振器，将其有效频率调整为桥梁噪声的主频范围，获得了平均3 dB(A)的降噪效果。文献[70]提出了采用压电陶瓷材料吸收钢板的振动能量生成电能，再将电能转化为热能耗散掉。

桥梁吸振器的工作频率要仔细设计，否则不一定能获得减振和降噪的双重效果，这是由于振动和噪声的主频范围不一定相同[71]。同时，吸振器与钢梁的连接也是需要考虑的重要问题，否则会影响桥梁的长期使用性能[68]。

3.2.3 阻噪——阻断噪声传播

阻断噪声传播的措施主要是指设置声屏障或在局部设置吸音材料。轮轨噪声集中在轮轨区域(范围小)，钢桥结构噪声涉及全部构件(范围广)，因此，在制订阻噪方案时应充分考虑到这一点。

声屏障一般设置在桥面两侧，其对钢桥结构噪声的影响较小。进一步地，若在梁下加设隔声板，则能在很大程度上阻断桥面板噪声的传播[6]。

吸音材料需要布置在噪声源附近，例如轨旁吸音材料[15]、桥面吸音板[50]等。此外，碎石道碴在一定程度上也可以起到吸音的效果。特别地，对于多片式钢板梁桥，噪声在各纵梁腹板之间反射而放大。因此，文献[72]通过数值分析讨论了板面吸音材料的最优布置方案，其最大降噪量为3 dB(A)。

4 结论

钢桥结构噪声对综合噪声的贡献不容小觑，国外在这方面开展了一定的研究，但远不如轮轨噪声的研究深度。由于我国的钢桥使用比例极低，且长期以来对噪声要求比较宽松，因此，我国在钢桥结构噪声方面的研究极为有限。随着未来我国钢桥的飞速发展，钢桥振动噪声问题亟需同步解决，以杜绝“先污染、后治理”的老路。本文重点综述了钢桥结构噪声的基本特性、预测方法和控制措施等方面的研究现状和发展趋势，主要结论和建议如下：

(1) 钢桥结构噪声的频谱特征、传播规律和贡献量等基本特性的研究仍需进一步深化。在当前研究中采用了不少近似处理，却未形成一套有效的测试方法和分析手段，主要制约因素有：钢桥结构形式复杂、声辐射构件众多(如钢桁梁)；钢桥结构噪声和轮轨噪声的频谱在很大范围内发生重叠；实际工程中的受声点均为远场点，振动噪声源众多且传入路径复杂。建议在钢桥结构噪声研究中发展噪声源识别与分离技术。

(2) 高精度、高效率的预测方法是减振降噪研究的重要支撑。当前不少学者提出了一些预测模型进行桥梁结构噪声分析，但研究的广度和深度还不够，比如：桥上复杂声学边界条件对噪声传播的影响；轮轨横向力对桥梁振动噪声的影响；复杂桥梁的中高频局部振动特性；复杂桥梁结构噪声在空间上的分布和传播规律等。本文总结的“两步走”混合预测方法是桥梁结构噪声预测的一般思路，尽管每一步均有多种可选方案，但计算精度和效率是首先要考虑的重要问题。分频预测钢桥结构噪声是未来需要重点发展的方法。

(3) 必须从系统工程的角度解决振动和噪声问题。在采取减振降噪措施时，必须统筹兼顾轨道结构和桥梁的声振行为，即将轨道和桥梁视为一个相互联系、相互影响和相互制约的声辐射系统。当前的研究大多将轨道结构和桥梁割裂开来，各学科有各自的主要研究方法，虽然分开研究具有简单方便的优势，但也因此丧失了对这一系统工程的整体把握，容易导致治理了一种噪声源反而突出了另一种噪声源，甚至引发意想不到的恶果。本文提出了降能、抑振、阻噪“三位一体”综合减振降噪策略，是系统解决铁路钢桥噪声的必经途径。