高架轨道桥梁结构振动与噪声预测方法及控制研究进展

雷晓燕，张新亚，罗 锟

(华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

高架轨道是高速铁路和城市轨道交通的重要基础设施，具有工后沉降小、节约土地、建设周期短、工程造价低等诸多优点。高架轨道相对于其他交通结构形式，更加经济、安全、实用，并且运输效率更高。高架轨道在我国高速铁路中占比达到80%，在城市轨道交通中，也得到了越来越广泛的应用。截至2019年底，在中国已经开通的6736.2 km城市轨道交通线路中，高架线占比21.5%，约1449.4 km。

随着高架轨道交通的快速发展，列车荷载激励引起的桥梁结构振动与噪声问题日益突出。首先，列车高速通过桥梁，会对桥梁结构产生冲击作用，长此以往会严重影响桥梁的服役状态和工作寿命；桥梁结构的振动又会反作用于运行车辆，对列车的运行平稳性和安全性产生影响。此外，桥梁结构振动还会向外界辐射低频噪声，影响沿线环境。近年来，城市轨道交通所引起的环境振动与噪声问题也越来越受到关注[1-2]。研究表明[3]：相对于高频噪声，低频结构振动噪声更容易给人的身心健康带来长期性的危害。因此，对城市高架轨道交通桥梁结构振动噪声的产生机制、预测和评估方法开展研究，寻求振动噪声的控制对策和有效技术措施，对降低高架轨道桥梁结构噪声、保护城市环境以及促进高架轨道交通发展都具有重要意义。

本文对列车-桥梁-大地-建筑物耦合系统环境振动噪声研究工作进行梳理，重点介绍了高架轨道桥梁结构振动与噪声理论、模型和预测方法，论述了典型高架轨道桥梁结构减振降噪技术特点及研究进展，总结了高架轨道桥梁结构振动与噪声的产生和传播规律，并指出了桥梁结构减振降噪技术进一步研究的方向。

1 高架轨道桥梁结构振动噪声分析模型与预测方法

建立合理的高架轨道桥梁结构振动噪声分析模型，是对高架轨道交通振动与噪声进行准确预测，并依据预测结果判别是否需要减振降噪，以及采用何种减振降噪措施的关键。

1.1 高架轨道桥梁结构振动研究

早在1849年，学者们就已经开展了对列车荷载激励下铁路桥梁振动问题的研究。针对英国Chester铁路桥倒塌的问题，文献[4]利用解析方法建立了车桥耦合振动分析模型，模型中不计桥梁质量，计算得到了桥梁的振动响应。之后，文献[5]采用试验方法研究了桥梁倒塌发生的原因。1905年，文献[6]分析了移动荷载通过简支梁时车桥耦合振动问题。1922年，文献[7]为了研究桥梁的受迫振动问题，建立了移动荷载通过铁路桥梁模型，从理论上分析了共振发生的机制。

20世纪60年代之后，随着计算力学的发展和计算机性能的提升，振动与噪声预测分析进入了系统动力学阶段。松浦章夫、 Diana等学者在早期研究中尽可能地将轨道不平顺等因素考虑在内，使车桥耦合模型向着全面化、精细化方向发展。

在分析车桥动力耦合作用时，文献[8]将系统分成车辆与桥梁两个子系统，通过轮轨接触实现两者耦合，并将轮轨间的几何非线性、蠕滑力非线性关系以及蠕滑力的饱和考虑在内。松浦章夫[9]建立了二系悬挂四轴车辆动力学模型，包含车体点头和沉浮、两个转向架点头和沉浮以及四个轮对竖向运动共10个自由度，考虑轨道不平顺，用能量法推导出车桥相互作用的运动方程。文献[10-11]采用数值模型，考虑轨道不平顺，计算了货物列车通过桁架桥时的冲击系数。

国内，文献[12]把列车和桥梁看作一个整体系统，利用势能不变值原理及形成结构矩阵的“对号入座”法则，对车桥耦合系统振动方程的质量、阻尼、刚度矩阵和荷载向量进行了推导，采用数值积分法求解，并将计算结果与现场试验结果进行对比验证。为了提高计算效率，文献[13]采用动态凝聚法对车桥耦合系统的求解方法进行了改进。文献[14]利用二维车桥耦合模型，得到了列车运行时作用于桥梁上的移动动荷载，然后将该荷载施加于桥墩-基础-大地耦合系统模型上，通过动力响应分析得到了列车通过时大地的振动响应和振动传播规律及衰减特性。文献[15]建立了高速列车-轨道-桥梁动态相互作用模型，分析了高速列车通过桥梁时机车车辆与轨道结构及桥梁之间的动态相互作用机制，并以秦沈客运专线高速行车试验为基础对模型进行了验证。试验表明：计算结果与实测数据具有较好的一致性，在桥梁振动分析中充分考虑轨道结构参振并引入精确的动态轮轨作用关系，可以更好地模拟高速列车过桥动态行为。雷晓燕[16]基于车桥耦合振动问题的特点，提出了新型车辆单元、轨道-桥梁单元模型，并利用有限元法和Lagrange方程，推导了两种单元的刚度、质量和阻尼矩阵，建立了列车-无砟轨道-桥梁竖向耦合系统动力分析模型和桥墩-基础-大地空间耦合系统动力分析模型。利用所建立的模型，分析了高架轨道交通引起的环境振动。

随着Ansys、Abaqus等商业有限元软件以及Simpack等多体动力学软件的出现，利用软件进行数值仿真在研究车桥耦合振动问题中得到了推广和广泛应用。文献[17]利用多体系统动力学与有限元法相结合的联合仿真技术进行了车桥耦合振动分析，并以郑西客运专线一大跨连续梁桥为研究对象，证实了该方法解决车桥耦合问题的可行性和有效性。文献[18]总结分析以往利用Simpack软件建立的仿真模型，并基于多体动力学与有限元法，提出了一种轮轨耦合联合仿真方法，并据此建立了城市轨道交通车桥耦合振动模型，分析了列车过桥时简支梁桥结构振动问题，图1为轨道-桥梁耦合系统各结构部件的连接示意。

图1 结构部件连接示意

在车桥耦合振动仿真分析中，由于难于准确获得模型计算参数和列车作用于轨道结构的荷载谱以及模拟车辆-轨道-大地耦合系统相互作用的复杂性，数值方法分析和预测结果往往不理想。文献[19]提出了通过实测大地振动响应、识别土层性质和列车荷载，运用数值分析预测高架轨道交通引起大地振动的半解析方法。图2为高架轨道交通引起大地振动半解析预测方法框图，该方法不需要预先知道列车荷载谱，而是通过实测列车通过桥梁时大地表面若干点处的振动响应，建立桥墩-大地-建筑物耦合系统数值模型，采用反分析方法对大地土层性质和列车作用在轨道结构上的有效荷载进行识别。然后，将识别得到的列车荷载谱输入桥墩-大地-建筑物耦合系统有限元模型中，即可预测地面和建筑物的振动响应及轨道线路周边的环境振动级。该方法在韩国高速列车通过高架轨道时进行了现场验证，预测的地面加速度与实测数据吻合良好。

图2 高架轨道交通引起大地振动半解析预测方法框图

1.2 高架轨道桥梁结构噪声研究

针对桥梁结构辐射噪声，通常采用数值模拟和试验方法进行研究，现有数值方法包括：有限元法、边界元法、统计能量法以及混合方法，其中边界元法、统计能量法应用最为广泛。

1.2.1 边界元法

边界元法由Brebbia在1978年提出[20]，由于该方法自动满足结构噪声辐射条件，故在高架轨道桥梁结构声辐射特性研究中得到广泛应用。

文献[21]以高速铁路32 m简支槽形梁桥为研究对象，运用车桥耦合动力学理论，建立了车桥动力仿真模型，并结合基于间接边界元法的噪声分析方法，对桥梁结构噪声的声辐射特性以及各构件的声压贡献率进行了研究。文献[22]结合车-轨-桥耦合振动理论与边界元方法，分析了32 m箱梁的声辐射特性及其参数影响。通过分别建立桥梁、轨道和车辆的运动方程，以轮轨关系、线桥关系为纽带，采用数值方法求解车-轨-桥系统的动力响应，并将结构振动响应作为声学边界元的初始条件，采用基于边界元法的SYSNOISE软件计算得到桥梁结构的声辐射特性。

文献[23]采用模态叠加法计算列车经过时的桥梁振动响应，再借助SYSNOISE软件用边界元法求出桥梁结构的模态声传递向量，最后基于模态声传递向量和桥梁的模态坐标响应计算得到桥梁的结构噪声，并应用该方法分析比较了轨道交通槽形梁和箱形梁的结构辐射噪声。文献[24]也通过计算列车荷载作用下箱形梁振动响应，采用直接边界元法分析计算了腹板开孔的箱梁结构噪声辐射特性。

1.2.2 统计能量法

统计能量分析是应用能量流关系式对包含若干子系统的复杂结构进行动力特性、振动响应及声辐射评估和预测的一种方法。文献[25]应用统计能量法分析了城市高架轻轨引起的振动与噪声，通过列出钢轨-轨道板、轨道板-桥梁结构的功率流平衡方程，预测高架轨道(钢轨-轨道板-桥梁结构耦合系统)的振动响应，预测结果与实测数据相差2 dB(A)。雷晓燕等在《现代轨道理论研究》[26]中以钢结构高架轨道为例，论述了统计能量法在高架轨道结构噪声分析中的应用。文献[27]同样以铁路钢桥为研究对象，采用统计能量法对声辐射问题进行了详细研究。

文献[28]结合统计能量法和列车-轨道-桥梁耦合动力学理论，建立了铁路钢混结合梁桥噪声预测模型，对桥梁的辐射噪声进行了分析。首先利用有限元法对空间板梁混合模型进行车-线-桥耦合振动分析，将得到的桥面板振动加速度时程进行FFT变换获取频域内的解，作为后续统计能量模型的输入，进而通过求解统计能量平衡方程，并根据振动声辐射理论求得桥梁结构噪声。

1.2.3 混合方法

除了上述方法，另外一个鼓舞人心的研究方向是有限元-统计能量(FE-SEA)混合法在高架轨道桥梁结构振动噪声分析中的应用。2005年，文献[29]基于波动理论，提出了FE-SEA混合方法，该方法首先以系统的特征尺寸与振动波长的关系为依据，对整体系统进行划分，生成若干个子系统。如果子系统的特征尺寸与系统中的振动波长相当，该子系统可用有限元建模；若子系统的特征尺寸远大于子系统中的振动波长，可用统计能量法建模。之后，通过随机子系统直接场和混响场间的互易原理建立有限元子系统与统计能量子系统间的联系，生成整个系统的动力学方程。文献[30]提出了基于模态分解的有限元-统计能量混合法，其思路是把系统模态分解为整体模态和局部模态两类，然后分别用这两类模态去表达相应的动刚度矩阵和外荷载。采用有限元法分析结构的全局振动，而局部振动则运用统计能量法。通过考虑局部子系统对整体系统产生的附加动力刚度和附加外荷载的贡献，建立全局振动分析的有限元方程和局部振动的功率流平衡方程，依次求解得到整体系统和局部子系统的响应。

此外，文献[31-32]利用BEM-SEA混合法分析了32 m铁路简支梁桥在0～1 000 Hz频段范围内的桥梁结构噪声。文献[33]建立了钢轨-无砟轨道-箱梁结构的FE-SEA预测模型，分析了混凝土简支箱梁桥的低频噪声特性并与现场实测结果进行了对比，证明了方法的有效性。上述混合法的应用大大拓展了结构振动与噪声分析的频率范围，适用于复杂结构振动噪声的全频域分析。

1.3 现场测试

现场试验是研究高架轨道桥梁结构振动与噪声问题更高效、直接的手段。近年来，国内外学者进行了大量的试验研究，并取得了一系列研究成果。

文献[34]对香港某箱梁高架桥进行了振动噪声现场测试，得到了箱梁结构振动和噪声在时域内的数据，然后通过快速傅里叶变换(FFT)得到频域内的响应。研究发现：当列车以140 km/h的速度运行时，箱梁的振动与噪声主要集中在20～157 Hz，共振频率约为43.54 Hz；箱梁的结构噪声辐射主要由中高频局部弯曲振动模态引起。

2012年，文献[35]采用现场测试的方法对上海轨道交通8号线混凝土简支U形梁进行了振动与噪声研究。试验车型采用6节编组的地铁C型车，运行速度50～70 km/h。测试结果表明：U形梁底板和腹板的振动速度级优势频率为32～64 Hz；腹板顶部横向加速度随着车速的增加而增大；与箱梁相比，底板的竖向振动加速度相对较大，且腹板顶部的横向振动加速度也很大，这主要是因为U形梁为开口截面，刚度较小；U形梁辐射的结构噪声也比箱梁更大。常亮[36]对武汉市轨道交通1号线混凝土简支箱梁进行了振动与噪声测试。研究发现：列车通过时，箱梁底板和翼缘板端部的振动较大，振动加速度级约为112 dB；箱梁腹板振动最小，振动加速度级约101 dB；振动与噪声峰值频段基本一致，主频分布于40～80 Hz；梁底结构噪声最大，峰值约达93 dB。

文献[37]基于现场锤击试验研究了高速铁路简支箱梁的振动传递特性。箱梁跨中截面测点布置见图3，力锤激励点位于内侧钢轨顶面。速度导纳测试结果显示：各测点速度导纳幅值随着频率增加逐渐降低，并且在5 Hz和175 Hz附近出现较高峰值，可能分别由箱梁的1阶模态频率和钢轨扣件系统的固有频率引起；由于轨道箱梁结构振动传递路径为钢轨→轨道板→底座板→箱梁，所以实测速度导纳幅值的相对大小表现为：A1>A2>A3。

图3 测点布置详图

1.4 模型试验

20世纪后，结构模型试验技术得到了快速发展，模型相似理论不断成熟，在桥梁结构的动力特性研究中也得到了广泛的应用。

结构模型试验相似理论包含三种基本换算关系：弹性相似律、重力相似律及弹性力-重力相似律，根据研究目的选用不同的换算关系。在分析桥梁结构的动力学特性时，宜选用弹性力相似律进行模型的设计制作[38]。

松浦章夫[9]采用桥梁1∶5缩尺模型试验验证了车桥耦合模型计算结果的合理性，结果显示试验与模型计算结果趋势一致。文献[39]建立了多跨连续梁车桥模型试验系统，通过试验研究，识别了列车荷载响应。任永明[40]制作了30 m简支T梁桥和东风EQ3166型满载车辆耦合系统的缩尺模型，并将路面的不平顺以及车辆运行速度等因素考虑在内，分析了不同工况下系统的振动响应。

文献[41]以京沪高速铁路32 m简支箱梁为原型，采用弹性相似律指导设计并制作了1∶10的缩尺模型，推导了原型桥与模型桥间的动力相似关系，然后通过有限元模拟及试验分析，验证了相似模型的可靠性，证实了依据弹性力相似律推导的相似关系在原型桥与模型桥间的适用性。

汪振国[42]在此基础上，通过锤击试验研究了箱梁振动在各板件之间和沿桥梁纵向的传递特性，测点布置见图4，实测跨中截面及各截面观测点加速度导纳分别见图5、图6。结果表明：顶板加速度导纳幅值最大，翼板次之，底板较小，腹板最小。由图7可知，在140～200 Hz的中高频段范围内，振动在横向上的传递衰减较快，而在0～100 Hz的低频范围，振动衰减较慢；纵向上顶板振动的衰减在低频段极缓，而在60～200 Hz的较高频段，振动在距激励点1/4截面范围内衰减快，在1/4截面以外衰减较慢。

图4 观测点布置

图5 跨中截面各板件加速度导纳曲线

图6 各截面顶板观测点加速度导纳曲线

2 高架轨道桥梁结构减振降噪技术

2.1 减(隔)振支座

文献[43]用弹簧-阻尼单元模拟弹性支座，建立了车-线-桥耦合振动分析模型，探讨了弹性支座对桥梁车致振动传递特性的影响，结果显示弹性支座在中高频段有很好的隔振性能。文献[44]为了研究支座刚度对桥梁结构振动的影响，建立了列车-轨道-U形梁耦合振动精细化仿真模型，计算发现支座刚度取值在(3～4)×103MN/m范围时，可有效减小U形梁与轨道结构的振动响应。

文献[45]选取上海某高架线为研究对象，考虑弹性支座与刚性支座两种情况，对该线路典型区段弹性支座简支梁进行车桥耦合振动分析，得到两种情况下车辆与梁体的振动响应相差不大，说明弹性支座对桥梁上部结构隔振效果不明显。文献[46]以某混凝土桥梁为例，实测了支座上部和下部节点的振动响应，发现振动加速度由上部节点传递至下部节点的过程中发生明显的衰减，表明弹性支座对桥梁下部结构具有隔振的作用。

汪振国[42]基于简支箱梁相似模型，设计了不同刚度的模型桥弹性支座，通过锤击试验，探讨了不同竖向刚度弹性支座对箱梁振动特性的影响，并分析了弹性支座对桥梁上部结构与桥墩间的隔振效果。结果表明：弹性支座对简支箱梁桥上部结构振动向下部桥墩的传递，有很好的抑制作用；支座刚度的大小对隔振效果影响很大，但是对梁体的振动响应影响较小。

2.2 阻尼技术

阻尼减振技术在近几十年发展较快，阻尼减振技术的作用频率较宽。典型的阻尼材料结构有自由阻尼层结构与约束阻尼层结构两种。约束阻尼层结构具有比自由阻尼层结构更好的减振效果，但约束阻尼层结构复杂、造价较高、安装不便。

早在1978年，文献[47]以两座小型钢箱梁明桥面铁路桥为工程背景，实测了敷设约束阻尼层前后桥梁的振动噪声响应，探讨了阻尼层的减振降噪效果。其将两种不同的约束阻尼材料分别敷设在两座桥梁上，桥一采用1 mm厚的聚亚安酯和约束钢片，桥二采用厚度相同的聚乙酸乙烯酯。实测结果表明当列车速度为40 km/h时，桥一和桥二结构噪声声压级的平均值分别降低18 dB、13 dB。文献[48]对钢箱结合梁双线桥进行阻尼处理，实测了处理前后的振动响应，发现钢梁上的振动加速度降低了10～15 dB，但声压级仅降低1～2 dB(A)，原因是钢梁结构噪声对整体噪声贡献较小。文献[49]报道了黏弹性阻尼材料在钢混组合结构减振降噪技术领域的应用，并在亚特兰大快速交通管理署负责的高架桥上粘贴约束阻尼层进行降噪试验，结果表明约束阻尼层可降低低频噪声6～9 dB，可降低50 Hz以上频段腹板和底板振级9～12 dB。

刘全民[50]对某铁路钢混结合梁桥敷设约束阻尼层前后的振动与噪声进行了现场测试，发现将约束阻尼层敷设在结合梁桥的腹板后，腹板和下翼缘振动加速度在主要频率范围内显著降低：声压级降低2～4 dB(A)，在125 Hz以上的中高频段桥梁辐射结构噪声有明显的降低。同时对于64 m简支桁梁钢混结合梁桥的全部纵梁腹板、下弦腹板和中间7根横梁腹板进行单面敷设约束阻尼层。钢梁经约束阻尼处理后，纵梁振动速度级降低15.6 dB，横梁振动速度级降低15.5 dB，下弦振动速度级降低6.2 dB；结构辐射噪声在整个频段内都得到了明显的降低。

汪振国[42]采用相似模型试验方法，对缩尺箱梁模型一侧腹板进行阻尼板材敷设，以研究阻尼材料对桥梁的减振效果。通过锤击试验发现：敷设阻尼板材后的腹板振动衰减显著，加速度级降低10 dB左右，而且阻尼板材会加剧振动由腹板向底板传递过程中的衰减。箱梁腹板的振动响应主要集中在20～100 Hz的频段内，阻尼板材在20～200 Hz频率范围内能有效抑制箱梁腹板局部振动。

2.3 调谐质量阻尼器(TMD)

调谐质量阻尼器是典型的结构被动减振技术之一，其因结构简单、设计方便、减振效果明显而被广泛应用在土木工程和桥梁工程结构振动控制中。早期对调谐质量阻尼器的研究集中在STMD，主要是针对主结构某阶固有频率进行设计的，因而只能在较小频率范围内实现减振。

文献[51]研究了TMD对移动荷载作用下桥梁振动的控制，发现在共振频率激励下，基于Den Hartog参数优化准则设计的TMD可有效控制桥梁的振动响应，并且控制效果在一定范围内与TMD质量成正比，但是当质量比增大到一定值后其减振效果开始衰减。通过多工况分析得到质量比在0.2～0.3范围内减振效果最佳。文献[52]以南京长江大桥为对象，研究了TMD在该桥减振控制中的参数敏感性和控制效果，并对比分析了列车速度对减振效果的影响。结果表明，TMD在其刚度和阻尼系数取值合理时可达到最优控制效果；采用最优参数设计的TMD对桥梁的竖向振动加速度控制效果明显，并且列车运行速度越高，减振效果越显著。

由于STMD只能针对结构的某一较窄固有频率进行设计，并且必须在外界激振频率等于TMD调谐频率或者非常接近时才能发挥很好的减振作用，这便要求对结构的动力特性有很精确的计算，而且一旦系统受到宽频激励时，STMD往往较难满足减振要求。针对STMD的上述状况，有学者提出了多重调谐质量阻尼器系统MTMD和分布式调谐质量阻尼器系统DTMD。

文献[53]首次提出多重调谐质量阻尼器(MTMD)，不仅改善了STMD控制频率范围较窄的局限性，也提高了控制系统的鲁棒性[54]，使得调谐质量阻尼器的控制效果更加稳定。文献[55]通过研究简谐激励下MTMD在结构振动控制中的特点，提出了MTMD振动控制原理。为了实现MTMD的最优化设计，文献[56]提出了一种MTMD建模的新方法，采用该方法可以更加高效地找到最优的MTMD结构设计参数。

文献[57]为研究MTMD对铁路钢桁梁桥横向振动的控制效果，建立了列车-桥梁-TMD系统耦合振动方程，利用仿真程序进行了大量的模拟计算，结果发现：MTMD可使列车过桥时桥梁的横向振动明显降低，并且相对于STMD，使用多个TMD可扩大减振的频率范围，改善减振系统的鲁棒性；桥梁横向振幅越大特别是发生共振时，减振效果越明显，最大振幅减振率可达到46%。

文献[58]选取32 m双线混凝土简支箱梁为研究对象，建立了移动集中力-桥梁-MTMDs耦合振动模型，见图7，对安装多重调谐质量阻尼器的桥梁振动、噪声减振效果进行了研究。结果表明：MTMDs对于控制桥梁的振动响应幅值有很好的效果，但是频谱分析发现，仅对一阶固有竖向弯曲频率处的结构振动减振效果明显；MTMDs对结构噪声的控制效果较差，仅能使平均声压级降低0.5 dB。

图7 移动集中力-桥梁-MTMDs耦合振动模型

2.4 轨道结构减振降噪技术

常用的轨道结构减振降噪技术有：浮置板轨道、梯形轨枕轨道和弹性扣件轨道。

2.4.1 浮置板轨道

浮置板轨道作为一种质量弹簧系统，属于高等级轨道结构减振降噪技术，用于对减振降噪要求较高的特殊区域。为了研究浮置板轨道结构的减振性能，文献[59]采用理论解析的方法建立了浮置板轨道模型，分析了轨道随机不平顺激励下轮轨间的动载荷及传递到基础的振动响应。

文献[60]采用有限元方法建立了高架钢弹簧浮置板轨道结构模型，并结合现场试验方法，从时域和频域的角度分析了减振特性。研究结果表明浮置板结构可使高架箱梁结构的顶板、翼板、腹板和底板的振动级在25～100 Hz范围内分别减少11～22、12～20、20～30和12～21 dB，减振效果与减振器的刚度、质量和间距有关。

2.4.2 梯形轨枕轨道

梯形轨枕轨道由弹性减振垫、混凝土纵梁构成，其中混凝土纵梁支撑上部钢轨，纵梁之间通过钢管或钢筋混凝土进行横向刚性连接。为了验证梯形轨枕轨道的减振降噪性能，夏禾团队[61-62]分别测试了列车运行在普通无砟板式轨道和梯形轨枕轨道上时桥面板的振动响应及辐射噪声水平，时域和频域分析结果表明：列车运行速度为50 km/h时，相对于普通板式轨道，梯形轨枕轨道可使箱梁顶板的振动加速度级降低6 dB；在1～4 Hz和30～1 000 Hz频域范围内，梯形轨枕轨道结构辐射的噪声较普通板式轨道平均低6 dB。

李小珍团队[63-64]以某城市轨道交通30 m简支箱梁为研究对象，在频域内建立了考虑多轮对相互影响的车辆-轨道耦合系统模型和桥梁有限元模型，在现场试验验证模型可靠性的基础上，对梯形轨枕轨道结构减振性能开展研究，并与埋入式轨枕、钢弹簧浮置板进行对比，结果表明梯形轨枕可使箱梁中高频振动的总振级降低8～14 dB，减振性能优于埋入式轨枕，低于钢弹簧浮置板。在此基础上，通过建立箱梁桥统计能量噪声预测模型，研究了梯形轨枕轨道的降噪性能：与埋入式轨枕相比，可使箱梁各场点的噪声水平降低约6 dB。

2.4.3 弹性扣件

高架轨道应用较为普遍的减振扣件有：WJ-2型扣件、轨道减振器扣件、科隆蛋(Cologne egg)、Vanguard扣件等，剪切型减振扣件、谐振式浮轨扣件等新型扣件也相继得到应用。文献[65]通过研究发现，当选用刚度为19.5 MN/m的弹性扣件应用在Arsta桥上时，可以使桥梁结构的噪声降低15 dB(A)，但会使轮轨噪声增大3 dB(A)。文献[66]为了研究扣件参数对桥梁振动的影响，基于高架轨道桥梁振动理论建立了桥梁-轨道系统空间振动模型，分析发现，科隆蛋等低刚度减振扣件对中高频的桥梁结构振动具有很好的减振作用，但同时会加剧钢轨高频振动，引起钢轨磨耗。文献[67]的研究也表明，扣件减振效果与刚度有关，相对于刚度为20～25 MN/m的普通扣件，选用10 MN/m的弹性扣件可使30 Hz以上的结构振动噪声减小5 dB左右。

3 桥梁结构主动控制和组合减振降噪技术

上述被动控制技术较为成熟，并且结构形式简单，设计方便，但是减振效果不太理想。相对于振动被动控制，主动控制需要外部能量的输入，其工作原理见图8，作动器控制力直接作用在结构上，效率高，可有效避免被动控制的滞后现象。

图8 振动主动控制原理图

振动主动控制主要分为三类，即：根据列车激励实现作动器控制力调控的开环控制，根据结构动力响应实现作动器控制力调控的闭环控制以及同时包含二者的开闭环控制。

目前，桥梁结构的主动控制研究主要集中在大跨度斜拉桥与悬索桥的索塔和拉索的风振控制中，高架轨道中几乎没有应用。主动控制装置复杂，应用并不普遍。为此，学者展开了半主动控制技术的研究。相对于被动控制，半主动控制技术的减振效率也有了很大提高，并且不需要外部能量输入。

文献[68]在TMD的基础上，研究了一种与磁流变阻尼器(MR)联合使用的新型结构半主动振动控制装置，应用于(80+128+80)m连续箱梁桥上，并与传统TMD减振效果进行比较。结果表明：MR-TMD阻尼器对箱梁桥振动加速度的控制效果明显，并对连续箱梁桥位移峰值响应影响较小，总体来说，MR-TMD减振效果优于TMD阻尼器。

对于减(隔)振支座，近年来，国内外学者逐渐将研究重点放在半主动隔振装置与被动隔振支座相结合的减隔振方式上，如将材料特性(如阻尼等参数)可控的隔振器(如磁流变液阻尼器等)与被动支座同时应用于桥梁结构中[69]，可在一定程度上提升减隔振性能。

张路阳[70]以三跨桥梁为研究对象，采用数值仿真与模型试验相结合的方式，研究了基于智能支座的桥梁系统的隔振性能，结果表明基于智能支座的隔振系统相对于传统的被动支座，桥面最大振动加速度幅值可降低20%～30%。

文献[71]利用实时混合模拟方法研究了设有滑移隔振支座的桥梁结构动力响应，见图9和图10。将模拟试验结果与理论进行对比，验证了理论方法的正确性，并在此基础上，进一步探讨了滑移隔振支座对桥梁结构整体抗振性能的影响。

图9 滑移隔振支座

图10 桥梁系统(单位：mm)

传统的被动阻尼技术设计简单，是结构减振领域使用较广的减振措施。然而，阻尼技术对主结构的质量改变较大，因而对结构的固有动力特性影响较大，并且阻尼材料的剪切模量和阻尼损耗因子随环境温度和振动频率变化较大，限制了阻尼技术的推广。

主动约束阻尼层振动控制技术早在20世纪90年代就有研究，为实现结构振动抑制，文献[72]采用了通过外力主动调整并耗散复合结构中主动阻尼约束中剪切应变能的思想。文献[73]从理论和试验两个方面研究了主动约束阻尼层对结构振动的控制效果。文献[74]采用哈密顿原理建立了敷设主动约束阻尼层的桥梁动力学模型，并对敷设主动约束阻尼层的桥梁纵向振动阻尼特性进行了优化。

4 结论与展望

通过对国内外学者在高架轨道交通桥梁结构振动与噪声理论、模型、预测方法及控制技术研究成果的总结与分析，得到主要结论和建议如下：

(1)高架轨道交通混凝土桥梁结构振动频率范围为0～200 Hz，钢结构桥梁振动频率范围为0～800 Hz；混凝土箱梁结构振动优势频率主要集中在100 Hz以内，在40～80 Hz范围出现局部振动并达到最大值。

(2)列车诱发的桥梁结构低频振动与噪声，按从大到小的顺序其发生位置依次为：顶板、翼板、底板和腹板。近场桥梁结构低频振动噪声主要来自底板、翼板和腹板，远场低频振动噪声主要来自顶板、底板和近端翼板。在桥梁翼板、底板和腹板敷设阻尼材料能有效抑制桥梁结构的低频振动和噪声。

(3)桥梁截面形式对高架轨道桥梁结构振动的影响主要在低频段。在低频范围，U形梁的振动明显大于箱形梁，当频率超过30 Hz时，桥梁截面形式对高架轨道桥梁结构振动的影响不大。

(4)桥梁弹性支座可有效降低桥梁下部结构的振动，因而可减小环境振动。弹性支座的减振效果与支座刚度和振动频率有关，设计时应综合考虑支座刚度与减振频率。桥梁支座对高架轨道桥梁结构振动和轮轨噪声影响均较小。

(5)调谐质量阻尼器TMD对于桥梁结构特定频率处的减振效果明显，而对于桥梁结构整体减振降噪效果有待提升。

(6)选择合理的减振轨道结构形式,可实现高架轨道桥梁减振降噪的目的。相对于梯形轨枕轨道结构，浮置板轨道的减振效果更佳。较低刚度的弹性扣件对桥梁结构减振效果明显，但同时会加剧钢轨高频振动，应综合多因素选择扣件刚度。

(7)传统的桥梁减振隔振支座性能固定，自适应性差，在现代桥梁宽频隔振中，被动隔振方式无法满足要求。开发能同时调控刚度、质量和阻尼的智能桥梁支座，对于减小高架轨道交通引起的环境振动具有重要作用。

(8)黏弹性阻尼材料以被动方式抑制桥梁结构振动的应用范围较窄，研究开发主动阻尼隔振技术对于提高桥梁阻尼隔振效果、拓宽频率适用范围具有重要意义。运用主动控制策略，通过外力主动调整并耗散复合结构中主动约束阻尼层的剪切应变能，可以提升桥梁结构振动控制效果。

(9)由于列车速度快，通过桥梁的时间短，阻尼吸振装置反应时间往往不足以使TMD达到最佳吸振效果。另外，当桥梁结构存在多个共振频率时，列车诱发的结构振动频率较宽，减振效果不理想。通过引入主动控制，采用新型智能材料，设计具有自动跟踪激振频率功能的TMD，使得在外荷载的激励下，桥梁系统处于反共振状态，实现减振隔振的目的。

(10)高架轨道桥梁结构减振隔振主动控制和被动控制有各自的适用范围和局限性，充分发挥主动控制和被动控制优点的组合减振降噪技术是设计和开发高架轨道桥梁结构减振降噪新型产品和装备、提高减振降噪效果的新方向。