槽形梁上不同轨道结构的降噪效果研究

杨 力，石广田，杜 淼，李培轩，宋 杲

（兰州交通大学 机电工程学院，兰州730070）

截至2019年底，我国城市轨道交通高架线路已达到1 449.4公里，占运营总里程的21.5%。轨道交通车辆通过桥梁时，轮轨间相互作用力使得桥梁自身发生剧烈振动，并向外辐射噪声。李小珍等[1]现场实测了混凝土简支箱梁桥的结构噪声，Zhang等[2]通过间接边界元方法预测了箱梁桥的结构噪声，李克冰等[3]采用间接边界元法对槽型梁结构噪声进行了分析，宋晓东等[4]采用2.5D 声学无限元方法预测了槽形梁噪声频谱特性和空间分布规律。研究结果表明，混凝土槽型梁结构噪声穿透性强、衰减慢，对沿线声环境造成极为不利的影响。

为降低高架线路桥梁结构噪声，国内外学者研究了腹板开孔[5]、设置横肋[6]等改变桥梁结构参数的方案以及铺设梯形轨枕、设置浮置板道床和采用高弹性扣件等改变桥上轨道结构的减振降噪手段。石蕊等[7]探究了高架线路上钢弹簧浮置板减振轨道在外激励作用下的中低频振动特性，战家旺等[8]采用实验分析研究了梯形轨枕轨道降噪性能，冯登宇等[9]现场实测了铺设整体道床高架线路噪声，詹彩娟[10]对地铁中等减振扣件系统进行了减振性能测试，宋晓东等[11]分析了声屏障的降噪效果。但大多数研究只针对某一项降噪措施进行分析，较少综合研究减振降噪措施与高架线路桥梁的匹配问题。

本文以城市轨道交通槽型梁为研究对象，采用有限元-边界元方法，计算了列车移动载荷作用下的槽型梁声振特性，深入研究了槽型梁声辐射规律。在此基础上分析了普通整体道床、采用高弹性扣件的减振轨道和铺设橡胶浮置板减振轨道三种降噪措施的降噪效果。分析结果对于桥上减振降噪措施选取具有一定的指导意义。

1 槽型梁声学预测模型

基于车辆-轨道-桥梁相互作用理论建立整体道床和橡胶浮置板减振轨道两种轨道结构的动力学模型。车辆动力学模型采用目前已经普遍使用的35自由度动力学模型，具体参数参考某地铁A型车[12]。桥梁结构选择某工程实际中使用的30 m 混凝土槽形梁[13]。

利用有限元方法分别建立橡胶浮置板-槽形梁有限元模型和普通整体道床-槽形梁有限元模型。如图1所示。橡胶浮置板-槽形梁有限元模型包括钢轨、扣件系统、浮置板道床、橡胶垫层、底座以及槽形梁。而普通整体道床-槽形梁有限元模型相对简单，图2所示。

图1 橡胶浮置板-槽形梁有限元模型

图2 普通整体道床-槽形梁有限元模型

其由钢轨、扣件系统、整体道床和槽形梁组成。其中，钢轨采用Beam188 单元模拟60 kg/m 钢轨，扣件系统和橡胶垫层采用Combin14 单元模拟，浮置板、道床板和底座采用Solid45 单元，桥梁选用Shell63单元，桥梁采用简支约束。具体有限元建模参数如表1所示。

表1 桥梁及桥上轨道结构有限元模型参数

本文采用时程瞬态分析方法计算了地铁车辆以80 km/h 的速度通过槽形梁桥时桥梁结构自身振动响应。以此振动响应作为边界条件，使用边界元方法计算槽形梁声辐射特性。

槽形梁桥主要由底板及左右腹板组成，为充分研究槽形梁底板及腹板声辐射规律，将研究声场分为垂直声场和水平方向声场。如图3（a）所示，在槽形梁跨中位置，底板上下10 m、垂直中心线左右25 m作为槽型梁垂向研究声场。以距槽型梁底板1 m，与垂向研究声场面垂直平面作为其水平方向研究声场，此声场与桥梁跨度等长，宽度为桥梁垂直中心线左右25 m，如图3（b）所示。垂向研究声场中，在槽形梁垂直中心线上每间隔2 m 设置8 个采样点作为槽型梁垂向声场考察点，称为垂直中心线测点。在槽形梁下方10 m，垂直中心线右侧每间隔5 m设置5个采样点作为槽形梁地面位置考察点，称为地面位置测点。在水平声场与垂直声场重合线上桥梁附近每间隔2 m 设置5 个采样点作为槽形梁近声场考察点，称为近声场测点。

图3 研究声场设置

2 槽型梁的声振特性

槽形梁上铺设普通整体道床，采用普通扣件，刚度取60 MN/m。轨道交通车辆以80 km/h 的速度通过槽型梁桥时，轮轨间相互作用使得桥梁结构发生剧烈振动。槽形梁各板件加速度如图4所示。

图4 槽形梁各板件加速度时域曲线

底板振动加速度最大，其最大值超过1.5 m/s2；左右腹板振动加速度相对较小，其最大值仅0.17 m/s2。故槽形梁桥底板为主要声学贡献部件，两侧腹板为次要声学贡献部件。在后续的分析过程中将主要针对底板进行分析，声场分析也主要集中于垂向声场，水平方向声场作为补充研究声场。

槽形梁振动加速度规律云图如图5所示。槽形桥底板振动形式主要为垂直方向上的弯曲振动，两侧腹板的振动形式主要为水平方向上的弯曲振动；在较低频率下，槽形梁底板与腹板振动剧烈程度接近，在较高频率时，槽形梁底板振动明显强于腹板振动。

图5 槽形梁振动加速度规律云图

槽型梁桥主要承载部件为底板，两侧腹板使得底板上部强度得到加强，故槽形梁底板不易发生向上弯曲振动。垂向声场中槽形梁声辐射规律云图如图6所示。

图6 槽形梁声辐射规律云图（垂向声场）

自由声场中，槽形梁声辐射主要向桥梁下方传播，如10 Hz 时槽形梁声辐射规律呈现较为规则的均匀传播。随着两侧腹板振动加剧，垂向声场受到腹板影响出现不同变形，如18 Hz附近，腹板振动强于底板振动，垂向声场呈现由桥梁向两侧传播的特点；如40 Hz 和74 Hz 附近时，腹板振动与底板振动烈度接近，垂向声场呈现由桥梁向其下部及两侧传播的特点。更高频率时，底板振动烈度远大于腹板振动，腹板的影响逐渐消失，但桥梁局部振动加剧，其影响接近桥梁主振形式影响，桥梁声辐射规律呈现复杂的无序性状态。

图7 为水平方向声场中槽形梁声辐射规律云图，影响水平方向声场的主要为槽形梁腹板振动。槽型梁桥腹板在水平方向的弯曲振动随着频率的增加，弯曲阶数逐渐增加，使得水平方向声场声辐射规律出现一个或多个对称声辐射集中点向桥梁两侧散射。随着频率升高，槽形梁底板振动加剧，使其成为声辐射主要贡献板件，腹板的声辐射贡献被底板声辐射掩盖，使得水平声场出现中心有条状集中的特点。

图7 槽形梁声辐射规律云图（水平方向声场）

槽形梁辐射声功率如图8所示。在50 Hz～100 Hz 和150 Hz～200 Hz 时存在3 个极大值，最大值超过80 dB。在垂向声场中选取垂直中心线测点和地面测点上的3 个采样点，提取线性声压级如图9 所示。SF1采样点最接近槽形梁，SF2采样点次之，SF3采样点最远。采样点获得的线性声压级依次减小。SF1采样点处线性声压级最大值接近70 dB。

图8 辐射声功率频域曲线

图9 线性声压级频域曲线

SF1～SF3 3 个采样点处的总声压级分别为92.96 dB、86.90 dB、70.08 dB。根据ISO3095－2013标准，距离线路中心线7.5 m，高1.2 m处测点总声压级也达到了73.03 dB。根据《城市区域环境噪声标准》（GB3096-1993）规定，Ⅳ类区域的道路两侧白天不超过70 dB，夜间不超过55 dB。所以有必要考虑针对槽形梁采取降噪措施，降低其声辐射。

3 槽形梁上不同轨道结构的降噪效果

城市轨道交通中使用了大量的减振轨道来减轻运行带来的振动噪声问题，本文以常用的普通整体道床、高弹性扣件、橡胶浮置板减振轨道为例，对比3种轨道结构对槽形桥声振特性的影响。设置工况情况如表2所示。

表2 仿真工况设置

城市轨道交通车辆以80 km/h 的速度通过四种工况的高架桥梁线路时，垂向声场垂直中心线测点获得的总声压级如图10所示。采用高弹性扣件，减小了桥梁系统刚度，降低了向桥梁传递的振动能量，使得各测点获得的总声压级随扣件刚度的减小而降低。扣减刚度从60 MN/m降低到10 MN/m，各测点总声压级降低在2 dB 之内。采用橡胶浮置板减振轨道与普通整体道床相比，桥梁正下方10 m处的总声压级从86.90 dB降至82.34 dB。

图10 垂直中心线测点总声压级对比

图11 为垂向声场地面测点获得的总声压级。从整体趋势来看，高架线路设计时，考虑一定的避让距离，能够很好地降低桥梁声辐射影响，15 m～25 m范围内的避让距离可以使总声压级降低至65 dB以下。对比不同轨道结构的影响，可以看出，采用高弹性扣件对于降低桥梁声辐射具有一定的作用，但采用橡胶浮置板减振轨道结构比仅采用高弹性扣件的降噪效果更佳。

图11 地面测点总声压级对比

垂向声场中近声场测点获得的总声压级如图12所示，横轴为场点距桥梁垂直中心线距离，以声场右方向为正方向。由于左右腹板结构不同，有疏散平台腹板侧的总声压级略低于无疏散平台腹板侧。在腹板遮蔽作用的影响下，桥梁内部距垂直中心线左右2 m 处的总声压级较小。在对比降噪效果上，相较于高弹性扣件，橡胶浮置板减振轨道的降噪效果更加突出。

图12 近声场测点总声压级对比

对比工况Ⅰ与工况Ⅳ下槽形梁辐射声功率频域曲线如图13 所示。铺设普通整体道床与橡胶浮置板减振轨道的槽形桥辐射声功率曲线走势一致，橡胶浮置板减振轨道对应的辐射声功率幅值略低。由此可知，相较于普通整体道床，橡胶浮置板减振轨道降低了振动能量向槽形梁的传递，进而使得槽形梁声辐射能力得到了降低，达到降噪的效果。

图13 辐射声功率对比

根据ISO3095－2013 标准，距离线路中心线7.5 m，高1.2 m 处测点各工况下总声压级如图14 所示。桥上铺设普通整体道床，用高弹性扣件进行减振降噪在该测点得到的总声压级可降至70 dB以上的水平。但是铺设橡胶浮置板减振轨道的工况下，该测点所得到的总声压级已降至69.8 dB，符合《城市区域环境噪声标准》（GB3096－1993）规定要求。

图14 ISO3095－2013标准测点总声压级

综上所述，通过工况Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的对比可知，高弹性扣件的使用能够在一定程度上降低槽型梁桥声辐射，但从降噪效果上来看，作用有限。通过工况Ⅰ和工况Ⅳ的对比可知，橡胶浮置板减振轨道相对于普通整体道床具有明显的减振降噪效果，桥梁正下方10 m处总声压级降低了4.5 dB。

4 结语

本文采用列车-轨道-桥梁相互作用理论和有限元-边界元方法，对比分析了铺设普通整体道床、高弹性扣件轨道以及橡胶浮置板减振轨道槽形梁的声辐射特性，分析了3 种轨道结构的降噪效果。主要结论如下所示：

（1）槽形梁桥以其底板为主要声学贡献部件，其在垂向声场中主要传播方向为桥下方向。槽形梁桥腹板振动产生的声辐射在较低频率时对垂向声场有一定影响，在较高频率时不明显。通过控制槽形梁桥底板声学贡献，可降低槽型梁桥声辐射。

（2）槽形桥上铺设普通整体道床，采用高弹性扣件对减弱槽形梁声辐射有一定作用，扣件刚度从60 MN/m 降到10 MN/m，各测点总声压级降低约2 dB。

（3）橡胶浮置板减振轨道对槽形梁结构噪声的控制效果更加明显，与普通整体道床和高弹性扣件轨道相比，噪声分别降低了约4.5 dB和0.5 dB。