轨道交通桥梁减振降噪2019年度研究进展

李小珍，郑净，宋立忠，梁林，朱艳，张迅

(1.西南交通大学 土木工程学院, 成都 610031；2.华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心, 南昌 330013)

笔者总结了轨道交通桥梁减振降噪研究进展，简述其研究动态及发展趋势。围绕混凝土桥梁结构噪声预测与控制、钢桥与钢混组合桥结构噪声预测与控制、桥上声屏障降噪特性，分3个方面简要梳理和总结了2019年以来主要研究进展，具有连贯性的研究将文献范围拓展至2014年以后。

1 混凝土桥梁结构噪声预测与控制

轨道交通混凝土桥以简支梁为主，包括箱梁、U型梁等不同的截面形式。混凝土桥梁结构噪声主要集中于低频段(20～200 Hz)，尽管幅值较小，但却容易使人感到烦扰和不适，并且随距离的衰减较慢。A声级常被用作噪声评价的指标，但其对1 000 Hz以下的低频成分有较大程度的衰减，因此，混凝土桥梁结构噪声一般采用线性声压级进行评价。混凝土桥梁结构噪声研究主要以简支箱梁和U型梁的结构噪声研究为主。近年来，随着连续梁和连续刚构等梁型在轨道交通中应用的增多，这些梁型的结构噪声问题也逐渐引起相关学者的关注。

1.1 混凝土桥梁结构噪声预测理论与模型研究

尽管采用声学边界元法进行混凝土桥梁结构噪声预测的计算精度尚可，但计算效率却会随着预测频率的提高和模型规模的增大而急剧降低。为此，宋立忠[5]和Song等[6]基于波导有限元法和二维边界元法，创新性提出轨道交通桥梁结构噪声的快速预测方法：首先，采用移动轨道不平顺模型求解轮轨力，然后，基于波导有限元模型(图1(a))求解轮轨力作用下的桥梁动力响应，结合二维边界元模型(图1(b))开展桥梁结构噪声快速预测，以广州地铁混凝土简支梁[5]和连续刚构[6]的现场测试结果验证了该预测方法。虽然该预测方法的计算效率大大提高，但相较于三维声学边界元法，其计算精度却有所降低。

图1 城市轨道交通箱梁波导有限元二维边界元模型示意图[6]Fig.1 Schematic diagram of WFE-2D BE model of urban rail transit box-girder[6]

1.2 混凝土桥梁结构噪声特性及机理研究

在混凝土桥梁结构噪声特性研究方面，主要以现场测试和数值仿真为主。李克冰[1]实测了高速铁路32 m简支槽型梁的结构噪声，测试结果表明：列车以300、350 km/h的速度通过时，槽型梁结构噪声的优势频段均在25～80 Hz之间，声压级峰值出现在40 Hz，与梁体振动加速度峰值相对应。宋立忠[5]实测了城市轨道交通30 m混凝土简支箱梁的结构噪声，结果表明：列车以70 km/h的速度通过时，箱梁结构噪声的优势频段在63～100 Hz，声压级峰值出现在80或100 Hz。罗文俊等[7]通过数值仿真分析了高速铁路32 m简支箱梁的结构噪声特性，结果表明：列车以140 km/h的速度通过时，箱梁振动和结构噪声峰值均出现在50 Hz。学者针对中小跨度桥梁(如简支箱梁、简支U型梁等)的结构噪声特性开展了很多研究，但对于大跨度桥梁(如连续梁、连续刚构等)的结构噪声特性还有待于进一步研究。

一些学者通过声模态贡献量、声辐射贡献量、导波特性分析，从不同角度研究了混凝土桥梁结构振动声辐射机理。刘林芽等[12]基于声模态贡献量分析，研究了引起高速铁路32 m混凝土简支箱梁结构噪声峰值的振动模态，结果表明，箱梁的第16阶模态(翼缘板局部振动)和第62阶模态(顶板局部振动)分别是引起31.5、80 Hz箱梁结构噪声峰值的原因。张小安[2]通过数值仿真分析了轨道交通箱梁不同板件的声辐射贡献量，结果表明，顶板辐射噪声是箱梁声辐射的主要声源，故应将顶板作为减振降噪设计的主要对象。宋立忠[5]从导波传播特性的角度，研究了城市轨道交通简支箱梁振动声辐射峰值的产生机理，结果表明，导波E(图2(a))和导波G(图2(b))的传播引起了箱梁顶板和底板较大的弯曲振动，进而导致了声辐射峰值的产生。虽然有关学者从不同角度、采用不同方法开展了一些研究，但仍未就桥梁结构振动声辐射机理达成共识，还有待于进一步研究。

图2 城市轨道交通箱梁典型导波模态[5]Fig.2 Typical wave modes of urban rail transit box-girder[5]

1.3 混凝土桥梁结构噪声控制研究

在混凝土桥梁结构噪声控制方面，目前最常用的方法是采用减振轨道。宋晓东等[8]通过数值仿真分析研究了高弹性扣件和梯形轨枕对轨道交通25 m简支U型梁结构噪声的影响，结果表明，高弹性扣件能有效降低桥梁结构振动和噪声；梯形轨枕能显著降低桥梁结构振动和噪声，但轨枕自身振动较大，可能取代桥梁成为另一噪声源。宋瑞等[13]通过数值仿真分析对比了铺设常规型和减振型CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道的高速铁路32 m混凝土简支箱梁的结构噪声，结果表明，铺设减振型轨道的箱梁结构噪声在近场点和远场点分别降低了8.15、8.36 dB。Li等[14]系统分析了钢弹簧浮置板对城市轨道交通30 m简支箱梁振动和噪声的影响，结果表明，地铁列车以70 km/h通过时，与铺设普通板式轨道的箱梁相比，铺设钢弹簧浮置板的箱梁底板振动加速度级减小34.7 dB，底板附近噪声降低25 dB，如图3所示。

图3 铺设普通板式轨道和钢弹簧浮置板的箱梁振动噪声对比[14]Fig.3 Comparisons of vibration and noise of bridges with OST and SSFST[14]

除了采用减振轨道，通过优化箱梁结构、截面形式、边界条件以及安装调谐质量阻尼器(TMD)等方法也可以起到降低桥梁结构噪声的作用。刘林芽等[12]针对引起高速铁路32 m混凝土简支箱梁结构噪声峰值的振动模态，开展了结构声学优化设计，在相应位置设置了加劲肋，结果表明，加劲肋的设置使得梁下和梁侧结构噪声显著降低。韩江龙等[15]基于模态叠加法和模态声传递向量(MATVs)，对比了三跨简支和连续槽型梁的结构噪声特性，结果表明，与总长和跨径相同的简支梁相比，相同截面形式的连续梁的结构噪声无明显改善。刘兴龙等[16]通过现场测试对比了广州地铁4号线30 m混凝土简支箱梁在安装调谐质量阻尼器前后梁下1.5 m处的噪声值，10次过车试验的平均降噪效果为2.1 dB(A)。

目前，采用常见的减振轨道或通过优化桥梁结构等措施对桥梁结构噪声的降噪效果已很难得到进一步提升，因此，一些学者开始尝试基于声学超材料、声子晶体理论开展桥梁结构噪声控制研究。

2 钢桥与钢混组合桥结构噪声预测及控制

图4 钢桥及钢混组合桥梁Fig.4 Steel bridge and steel-concrete composite bridge

2.1 钢桥及钢混组合桥噪声预测理论与模型研究

图5 钢桁梁斜拉桥振动噪声预测的混合FEM-SEA模型[25]Fig.5 Hybrid FEM-SEA model for predicting vibration and noise of steel truss cable-stayed bridge

2.2 钢桥及钢混组合桥声振特性研究

Liang等[25]首次开展了针对既有轨道交通大跨钢桁梁斜拉桥现场振动及噪声测试发现：在轨道交通车辆作用下，钢桥振动呈现宽频特性，结构板件在中频段及高频段均有振动极值出现，输入功率主要分布在桥面板、纵梁腹板和横梁腹板上(如图6)，各板件振动峰值均出现在63～125 Hz；不同板件在分析频段内的振动特性相似，横梁腹板振动水平最高，桥面板振动次之，翼缘振动最小；由于板件的厚度、尺寸和约束条件差异，使得各板件局部振动特性不同。桥面板中心在630 Hz仍有较高振动水平；横梁翼缘与腹板振动优势频段在40～160 Hz；纵梁腹板面外振动优势频段为40～250 Hz，且在3 150～4 000 Hz之间也有明显峰值；钢桥车致振动结构噪声非常显著，横梁翼缘附近实测结构噪声接近100 dB。

图6 振动能量分布图[32]Fig.6 Vibration energy distribution diagram[32]

2.3 钢桥及钢混组合桥噪声控制理论与措施研究

实际上，对车致钢桥噪声的控制是一个与综合控制措施[26]相匹配的研究过程，对于时速较低的城市轨道交通桥梁，从控制对象来看主要分轮轨噪声及钢梁结构噪声两大体系，针对轮轨噪声控制，目前常用方法包括：钢轨打磨[27-28]及车轮镟轮、采用阻尼钢轨[29-30]、安装吸振器、在声源附近铺设吸隔音板[31]以及在传播路径上增设声屏障等。针对钢梁结构噪声控制主要包括：桥梁结构形式优化、增大桥梁阻尼、铺设减振轨道系统以及在钢梁表面敷设阻尼材料[32]等。

图7 CLD示意图及其减振降噪效果[23]Fig.7 Schematic diagram of CLD and its vibration and noise reduction effects[23]

3 桥上声屏障振动噪声特性

3.1 声屏障选型及降噪特性研究

对声屏障的研究主要集中在声屏障的声学性能方面。传统铁路桥梁2～3 m高度的直立声屏障主要作用可以降低列车通过时的轮轨噪声。轮轨噪声是以轮、轨的动力响应为输入条件结合声振耦合进行研究，其频谱特性以中高频分布为主，其峰值频率集中在630～1 250 Hz、2 000～3 150 Hz[35-37]。陆维姗[38]通过现场实测测得铁路桥上2.15 m高直立声屏障降噪量为6～14 dB，列车车速在250 km/h时，降噪量可达10 dB，随列车车速提高降噪量呈递减趋势。周红梅[39]采用声学边界元法分析了城市轨道交通近轨矮墙式声屏障对轨道交通噪声的降噪性能。张天琦等[40]分析了地面隔声墙式屏障对车速为60 km/h的列车通过城市轨道交通高架桥梁产生的低频结构噪声的隔声效果。以上研究表明：传统直立式声屏障的降噪效果有限。近年来，新结构形式声屏障逐渐应用于轨道两侧，伍向阳[41]实测了高铁列车以132 km/h的速度通过桥梁时，全封闭声屏障实际降噪效果达到了16～18 dB，并且不同于直立声屏障仅在声影区降噪较好，全封闭声屏障可大幅降低铁路噪声且不存在声亮区。Li等[42]通过缩尺模型声学测试和2.5维边界元法研究了顶部开口的近似全封闭声屏障的降噪效果，表明其近场降噪达15 dB，远场降噪达10 dB。李小珍等[43-44]、杨得旺[45]先后分别对高铁桥梁半封闭、圆弧形全封闭声屏障开展现场测试及声学足尺测试，如图8所示，其中，现场测试了高铁时速300 km/h以下时半封闭声屏障内外表面噪声、敞开侧和封闭侧噪声。模型测试将实测线路噪声作为声源，分别对全封闭金属吸声板、混凝土全封闭声屏障进行声学测试，并建立了全封闭声屏障降噪统计能量分析预测模型，研究发现，半封闭声屏障降噪效果约15 dB(A)，全封闭声屏障降噪效果超过20 dB(A)。

图8 全封闭式声屏降噪效果足尺模型测试及降噪效果[42]Fig.8 Full-scale model tests and noise reduction effects of fully enclosed sound barriers[42]

除了采用新型结构声屏障，陈磊磊等[46]、何宾[47]、吴小萍等[48]等均对铁路桥梁声屏障结构优化进行了研究。雷一彬等[49]通过隔声板内填充聚氨酯、外覆TUP防尘膜，提高了声屏障隔声板的吸声系数，进而提高了声屏障的降噪性能。Lee等[50]在混响室内测试了不同材质隔声板的吸声特性以及样本尺寸对声屏障声学特性的影响。这些研究均是针对声屏障中某隔声板材或某个构件进行的声学性能测试，与声屏障整体结构的降噪性能存在一定差异。

近年来，声学超材料、声子晶体、主动噪声控制技术均因可实现对预设的频带范围内的噪声实现有效控制而被运用于声屏障的研究中。林远鹏等[51]提出一种超材料通风隔声屏障设计，利用类Fano共振耦合实现了隔离特定频带内的声波。易强等[52]分别研究了直立式与全封闭周期型声屏障对轮轨噪声的控制效果。Lee等[53]总结了主动噪声控制(ANC)声屏障的研究现状和运用的局限性。目前，主动噪声控制作为被动噪声控制的补充手段，在复杂的环境条件下(如风速、温度变化)，其降噪性还需进一步研究。

3.2 声屏障车致振动与风致振动研究

除了声屏障的降噪特性，一些研究还关注了列车运营时声屏障的动力特性，如声屏障的车致振动、风致振动等。

一些学者针对声屏障车致振动特性开展了现场测试或数值模拟。谢伟平等[54]通过振动试验研究了地铁列车低速通过时城市轨道高架桥上半封闭式声屏障的振动响应及传播规律，测试结果表明，地铁列车低速过桥时具有“移动轴重激励”的荷载特性；声屏障的振动相对于桥面轨道板有显著的放大，声屏障立柱顶端振动较大，且纵向振动稍大，声屏障隔声板的横向振动明显大于立柱的振动。罗云柯等[55]实测了高速列车通过时轨道结构、箱梁和梁上半封闭声屏障的振动，如图9所示，研究表明高铁桥上半封闭声屏障振动峰值出现在40、125 Hz，顶部横梁振动较大，通过提高刚度或在箱梁翼板底部增设斜撑均可减小声屏障的振动。

还有一些学者针对声屏障风致振动开展研究。刘功玉等[56]、杨梦琦等[57]分别研究了铁路直立式、折臂式声屏障在自然风、列车脉动风联合激励下的振动特性。韩旭等[58]通过风洞试验和数值模拟研究了横风作用下全封闭声屏障的气动特性。罗云柯等[59]根据高速列车脉动风的频谱特性，将半封闭声屏障振动测试信号通过低频滤波得到了脉动风压作用下声屏障的振动响应，通过参数分析研究了半封闭声屏障顶部隔声板覆盖宽度对脉动风压和振动分布规律的影响，如图10所示。由图10可知，除3 Hz以下移动列车轴载的准静态作用及数值模型中未包含所有中间车，声屏障列车脉动风致振动数值分析与实测规律一致。

图10 半封闭声屏障列车脉动风致振动研究[56]Fig.10 Research on vibration of semi-enclosed sound barriers induced by train draft pressure[56]

3.3 声屏障二次结构噪声研究

近年来，一些学者以声屏障振动为基础，结合振动声辐射原理，开展了声屏障二次结构噪声研究。张小安等[60]结合车致振动响应，以声学边界元方法研究了直立式声屏障二次结构噪声辐射特性，发现声屏障的二次结构噪声主要集中在120 Hz以下的低频段。张迅等[58]采用统计能量分析研究了高铁桥上半封闭声屏障的结构辐射噪声，并评估了声屏障二次结构噪声对其降噪效果的影响。杨得旺[45]研究了不同材料全封闭声屏障二次结构噪声，如图11所示，分析结果表明，考虑结构噪声会使全封闭金属吸声板声屏障、全封闭混凝土声屏障降噪量分别降低7～9 dB、3～5 dB。可见，在声屏障降噪性能研究时，已综合考虑结构辐射噪声的影响。

图11 全封闭声屏障二次结构噪声研究[42]Fig.11 Research on structure-borne noise of fully-enclosed sound barriers[42]

4 结论与展望

通过梳理2019年轨道交通桥梁及桥上声屏障振动噪声的研究进展，总结了当前研究的热点和下一阶段研究的重点：

1)桥梁结构噪声预测的高效算法。随着桥梁建造技术的进步，轨道交通桥梁跨度越来越大，混凝土连续梁和连续刚构以及大跨度钢桥在轨道交通高架中的应用也越来越多，这为桥梁结构噪声预测提出了新的挑战。在保证预测精度的情况下提高预测效率，是当前轨道交通桥梁结构噪声研究中的一个热点问题。

2)基于声学超材料、声子晶体理论的桥梁结构噪声控制研究。随着人们环保意识的逐渐提高，轨道交通沿线居民对噪声问题的投诉日益增多。如何有效地降低轨道交通桥梁结构噪声对沿线居民生活的影响仍将是轨道交通桥梁结构噪声研究的一个热点问题。以轨道减振和桥梁结构声学优化研究为主，基于声学超材料、声子晶体理论开展轨道交通桥梁结构噪声控制是未来的发展方向。

3)约束阻尼材料用于钢桥结构噪声控制研究。阻尼材料用于钢结构桥梁的减振降噪操作简单、便捷且效果显著，随着声子晶体及声学超材料的发展，周期性阻尼材料不仅能起到抑振抑噪的效果，还能在特定频带(阻带)内阻振阻噪。因此，周期性阻尼材料将成为钢桥减振降噪领域研究的热点。

4)新型减载式声屏障的研发与运用。传统直立式声屏障、封闭式声屏障在中高频降噪性能良好，但随着列车速度提高，声屏障自身振动与二次噪声问题越来越严重。有必要基于声学超材料、噪声主动控制等技术，改善声屏障的低频降噪性能，研发新型减载式声屏障，并应用于高速铁路或轨道交通桥梁。