高速铁路箱梁结构噪声参数影响分析研究

宋 瑞

(南昌工程学院 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330099)

随着我国高速铁路的不断发展，高速铁路中桥梁的占比也呈逐渐增大趋势。与铺设在地面上的轨道相比，铁路高架具有施工工艺成熟、施工速度快、工程造价低等特点，施工完成后又具有工后沉降小，占地面积小等优点，能适应各种地形和环境的影响，无论是山川河谷，还是繁忙的居民区，都能快速的修建，具有很强的适应性。与列车通过地面引起的噪声相比，当列车通过桥梁时，其沿线噪声声压级增加2～20 dB[1]，产生这一现象的重要原因之一是增加了桥梁结构噪声。当列车通过高架桥梁时，列车激励导致其振动能量传递到桥梁顶板，进而传递给翼板、腹板、底板等构件，这些构件振动形成多个发声板，产生二次桥梁结构噪声。桥梁结构噪声属于中低频噪声范围。低频噪声在空气中传播时，能量衰减慢，穿透力很强，能够轻松的穿越墙壁，门窗等隔离物。相对于高频噪声，低频噪声对人体的危害更大，因此有必要采用一定的措施降低桥梁结构噪声。

降低噪声的主要途径有3种方式，一种为降低受声者的感知，比如佩戴耳机等措施，但是在沿线居民大范围的使用并不现实；第二种为是在声传播过程中降低噪声，如采用声屏障是比较典型的措施，但由于桥梁结构噪声属于低频噪声，波长较长，采用声屏障降噪效果有限，且桥梁结构噪声产生于桥梁结构本身，安装在桥面上的声屏障对降低桥梁结构噪声基本无效；第三种方式是采用优化方法，降低噪声源即桥梁结构本身的辐射噪声，这种方法具有一定的可行性。对于桥梁结构噪声仿真计算方法，各国的学者开展了系统的研究，主要方法有有限元法(FEM)，边界元法(FE-BEM)，统计能量法(SEA)，有限元—统计能量混合法(FE-SEA)等。高飞[2]等采用移动荷载模型计算了北京地铁5号线某高架桥的振动响应，并采用二维有限元声学模型(设置吸声边界)分析了桥梁噪声的声场分布。Costley[3]等联合结构有限元和声学边界元对一座钢桁铁路桥梁的次声空间分布进行了研究。李晶[4]等基于移动荷载模型和瞬态边界元方法对城市轨道交通混凝土箱梁的振动噪声进行了研究。刘林芽[5]等结合车辆—轨道—桥梁耦合振动和瞬态边界元对一座32 m高速铁路混凝土简支箱梁的面板声学贡献量进行了研究。Augusztnovcz[6]等以及Kawatani[7]等先后采用频域边界元方法对公路钢桥的噪声辐射问题进行了分析。ZHANG X[8-10]等基于车辆—轨道—桥梁耦合振动分析和频域边界元对高速铁路混凝土箱梁的噪声问题进行了系统的研究。李奇、宋晓东[11-12]等基于车辆—轨道—桥梁动力相互作用和2.5D声学计算方法，首先提出了一种轨道交通桥梁的中低频噪声预测方法，然后采用这种方法对上海轨道交通U形梁结构的噪声辐射、空间分布特性以及声传播等问题进行了研究，紧接着又比较了单跨和多跨对空间近声场和远声场的影响。对于混凝土桥梁的降噪优化，Crockett[13]等针对香港西铁高架桥，通过将箱梁腹板直接置于钢轨下方使得导纳保持在较低的水平，实现了降噪要求。韩江龙[14]等通过在槽型梁布设两种横隔板形式，一种为整跨均匀布设5个横隔板，另一种为集中布设4个横隔板在跨中附近，计算结果表明采用均匀布置5个横隔板效果更好，距轨道中心30 m远能降低1.5～2.0 dB。张迅[15]等对箱型桥梁结构噪声的影响因素进行了讨论。徐满清[16]等采用TMD减振技术降低了大跨度桥梁结构桥梁振动，这一思路也可以应用于桥梁的降噪措施中。刘林芽[17]等首次采用响应面法，对槽型梁的底板和腹板厚度进行了优化，优化后的场点在63 Hz处峰值声压级降低了5.12 dB，并把优化后的箱梁尺寸代入计算模型中，与响应面计算结果进行比较，误差较小。本文首先通过有限元—统计能量混合法(FE-SEA)对桥梁结构的噪声进行计算，在此基础上，分别讨论横隔板数量、顶板板厚、顶板与腹板夹角等设计参数对箱梁结构噪声的影响，通过研究其影响规律，优化桥梁结构形式，探讨降低桥梁结构噪声的有效方法。

1 桥梁结构噪声预测

1.1 桥梁有限元—统计能量混合法模型建立

本文以高速铁路32 m双线简支混凝土箱梁为研究对象。图1为我国高速铁路箱梁典型跨中断面尺寸图。箱梁顶面宽13.4 m，底面宽5.5 m，高3.05 m，跨中断面顶板、腹板、底板厚度分别为0.3 m、0.45 m和0.28 m，支点断面顶板、腹板、底板厚度分别为0.409 m、0.65 m和0.427 m。翼板端部厚度为0.2 m，根部0.65 m。

根据桥梁结构尺寸，建立桥梁振动噪声FE-SEA模型如图2所示，其中桥梁结构各板采用有限元法模拟。考虑到箱梁开口两端上下缘均近似封闭，因此箱梁两端采用板封闭。为降低实际上并不存在的板对结构的影响，板的厚度取为0.001m。封闭结构内部的声腔采用SEA模拟。

图1 箱梁跨中断面图 (mm) 图2 FE-SEA模型

1.2 车辆轮轨力

图3为车轮、钢轨、接触弹簧的位移动柔度幅值及其相位，其中钢轨的位移动柔度指钢轨、轨道板、桥梁等下部结构系统的位移动柔度。钢轨的扣件刚度为60 MN/m，从图3中可以看出，在20～40 Hz范围内，总柔度中起控制作用于是车轮的位移动柔度。40～80 Hz范围，钢轨位移动柔度和车轮位移动柔度之和共同影响总位移动柔度，80 Hz后钢轨位移动柔度远大于车轮的位移动柔度，钢轨动柔度起主要作用。对于接触弹簧的位移动柔度，20～200 Hz范围内，其值远小于钢轨位移动柔度，因此其作用可以基本忽略不计。图4为车轮1～2的频域轮轨力图，从图4中可知，2个轮轨力均在60 Hz附近存在最大值，其原因主要是在这一频率总位移动柔度幅值最小，相对于的轮轨力最大。另外，从2个轮轨力曲线可以看出，曲线基本吻合，表明车轮作用于钢轨的位置对轮轨力幅值影响很小。

图3 动柔度幅值 图4 车轮1-2轮轨力幅值

计算噪声有各种方法，每种方法适用于不同的频率范围。在20～200 Hz范围的桥梁结构噪声，属于中低频范围，采用FE-SEA法较为合适。将轮轨力作用于FE-SEA模型上，计算频率取值范围为20～200 Hz。在箱梁跨中截面，桥梁中线距地面1.5 m位置布置一个近场点，编号为S1场点；距离箱梁中线32 m远，距地面1.5 m位置布置一个远场点，编号为S2场点，具体位置见图5所示，分别计算这两个场点不同工况下的桥梁结构噪声。

图5 场点位置示意图 (mm)

2 桥梁横隔板数量影响

为了降低顶板和声腔的噪声，可以考虑在箱梁内部加设横隔板，文献[14]对U梁加设横肋进行了探讨，仿真结果表明加设横肋能降低U梁结构噪声。本文分别建立2个端横隔板加0～3个中横隔板的FE-SEA模型，中横隔板板厚为0.3 m，横隔板与底板、腹板和顶板相固结，分别计算顶板振动均方速度，各场点的声压级。图6～7分别为不同中横隔板数工况下S1，S2场点声压级曲线。随着横隔板数量增加，各场点声压级逐渐降低，增加3个中横隔板，S1场点峰值声压级由92.72 dB减少至83.76 dB，减少了8.96 dB，S2场点峰值声压级由79.76 dB减少至74.26 dB，减少了5.5 dB。各场点声压级降低的重要原因是随着横隔板的数量不断增加，顶板的振动速度不断减小，由最大2.31×10-3m/s降低至1.07×10-3m/s。

图6 S1场点声压级曲线 图7 S2场点声压级曲线

中横隔板数量增加，近场点S1声压级逐渐降低，增加2个中横隔板效果最为明显，增加3个中横隔板与增加2个中横隔板相差不大。而对远场点S2，增加1个中横隔板，其各中心频率的声压级降低不明显，增加2个中横隔板声压级降低比较明显，增加3个中横隔板较2个中横隔板无明显降低，因此箱梁采用增设2个中横隔板最为经济合理。

3 结构板厚度影响

由声辐射理论可知，结构板的声辐射功率与结构的尺寸相关，其中结构的尺寸主要包含结构板的面积和结构板的厚度。对32 m箱梁的噪声优化设计，改变箱梁的梁高、梁宽等整体尺寸涉及比较复杂的系统工程，具有比较大的困难，而通过改变结构板的厚度来优化降低桥梁结构噪声具有较好的可行性，因此本节主要讨论改变结构板厚来分析其对桥梁结构场点噪声的影响。对于高速铁路桥梁结构，顶板直接承受上部行驶的列车冲击荷载，因此本文也主要讨论顶板板厚影响。

图8～9为不同顶板厚度下近场点和远场点声压级曲线。近场点S1峰值声压级随板厚的增大而减小，从0.15 m顶板厚对应的97.05 dB降低至0.45 m的86.2 dB，降低了10.85 dB。远场点S2峰值声压级随顶板厚度增加呈先减小，后增大，再减小的趋势。远场点S2的峰值噪声声压级由0.28 m对应的79.76 dB降低至0.42 m对应的69.83 dB，降低了9.93 dB，表明在原有设计尺寸基础上，增大顶板厚度能有效的降低桥梁结构噪声。

图8 S1场点声压级曲线 图9 S2场点声压级曲线

4 箱梁倾角影响

桥梁腹板的主要作用是支撑顶板并连接底板，在不改变底板宽度条件下，改变桥梁腹板倾角，会导致其支撑顶板的位置发生改变，而顶板是影响桥梁的主要构件，其大小对桥梁结构噪声有重要影响。在底板宽度不变情况下，设置5种倾角工况：内倾5°(腹板顶点向内移动)、设计值、外倾5°(腹板顶点向外移动)，外倾10°、外倾15°，分别计算其各场点声压级曲线如图10～11所示。

图10 S1场点声压级曲线 图11 S2场点声压级曲线

(1)腹板向内倾斜5°，其各场点声压级降低，降低幅值为2 dB左右，其主要原因是腹板向内倾斜，其顶点位置接近轨道中线位置，腹板能提供有效的支撑，初始设计角度时，顶板振动速度为2.3×10-3m/s，内倾5°顶板的振动速度为1.9×10-3m/s，顶板的振动速度变小，根据声辐射理论，板的振动速度降低，由板振动导致的结构噪声也对应降低。

(2)腹板向外倾斜，其各场点声压级变大，且倾斜角度越大，各场点声压级也越大，倾角每增加5°，其各场点增加2 dB左右。腹板倾角变大，腹板顶点远离轨道中心线，顶板的面积增大，板的振动速度增大，导致其声压级增大。

综上所述，箱梁向内倾斜能有效的降低桥梁结构噪声，这一现象与文献[13]中通过调整香港高铁混凝土桥梁腹板的位置，使其正好位于钢轨正下方时声压最小相吻合，因此调整腹板倾角时，腹板顶点应尽量处于轨道中心线位置。

5 结论

本文首先通过建立桥梁有限元—统计能量混合法结构噪声模型，通过计算车轮轨力并作用于桥梁结构FE-SEA模型上，计算桥梁结构噪声，并讨论了增加中横隔板数量、调整顶板厚度、改变腹板倾角对桥梁近场和远场噪声的影响，得到以下结论：

(1)箱梁增设中横隔板能有效的降低桥梁结构噪声，近场点和远场点计算结果表明，增加2个中横隔板降噪效果比较明显，增加3个中横隔板比增加2个中横隔板降噪效果不明显，因此从节约成本和减小预制模板复杂程度角度考虑，增加2个中横隔板为桥梁结构降噪效果最为经济合理。

(2)近远场点的噪声随着顶板的厚度的增大而减小，因此在条件允许下，应尽量的增大顶板厚度。

(3)在设计尺寸基础上，腹板顶部向内倾斜5°会减少桥梁结构噪声，相反会增大桥梁结构噪声，且倾角外倾越大，增大越明显。因此在设计腹板倾角时，腹板顶缘应尽量置于轨道中线位置。