城市轨道交通钢-混结合梁桥噪声特性试验研究

于坤宏，易庆辉，周德豪，刘孟奇，张磊磊

（1.中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津 300308；2.中国铁路太原局集团有限公司 计划统计部，山西 太原 030013）

0 引言

城市轨道交通是大中城市公共交通的骨干，运量大、速度快、运行规律且准时，已日益成为出行的重要交通工具。随着近年来经济发展，人们环保意识提升的同时对生活环境的要求越来越高，列车运行噪声问题已成为影响轨道交通高架线发展的重要因素之一。

高架线运行噪声主要来源于轨道交通运营期间桥梁段，轮轨之间相互作用产生车轮、轨道的辐射噪声，此外，振动还会向桥梁的各个构件传递，激发桥梁构件振动，辐射产生结构噪声。根据相关研究，由于结构噪声影响，列车通过钢桥产生的总声压级增大了5～15 dB[1]。于龙波等[2]通过对城市轨道交通高架桥噪声特性的测试，提出未采取声屏障措施情况下普通箱梁噪声主要频率集中在400～800 Hz。陆可人等[3]通过对高架桥结构噪声实测发现，桥梁结构噪声以低频为主，峰值出现在50～80 Hz范围内，并且地面反射对远场近地面噪声影响较大。李茜等[4]根据实测数据分析，在400 Hz以下频段，钢-混组合梁的噪声远大于混凝土箱梁，在100 Hz时差值达15.3 dB(A)。张晓芸等[5]建立板式无砟轨道-箱梁桥-声屏障有限元模型，声屏障可整体增加高架线路1～2 dB的结构噪声，地面反射的作用会加强声场的指向性，最大增加5 dB的结构噪声。刘全民等[6]提出了铁路钢-混结合梁桥车致振动与结构噪声的理论计算方法，通过现场实测验证了理论模型。从结构噪声控制角度，张迅等[7]针对列车在钢桥上运行时的噪声特点，提出降能、抑振、阻噪“三位一体”综合减振降噪策略。从降能角度，除采用无缝线路、重型钢轨和常规轨道减振措施外，运营管理对降低轨道振动的效果也不容忽视，张伯林等[8]通过实测发现钢轨打磨后，可降低Z振级4 dB以上，有显著减振效果。从抑振角度，可以通过增大桥梁结构阻尼或改变钢梁质量降低钢梁产生的二次结构噪声，刘全民等[9]通过仿真和实测得出，钢梁腹板敷设约束阻尼层后，振动降低了4.4～8.1 dB，噪声值降低了4.2～4.3 dB(A)。

与混凝土桥相比，钢桥结构噪声引起的轨道交通列车运行辐射噪声显著增加，易引起周边居民投诉。本文以某城市轨道交通项目高架线钢-混结合梁桥为例，分析其噪声影响特性，结合现场试验开展了城市轨道交通高架线钢-混结合梁桥列车运行期间辐射噪声特性的研究，以便于后续采取针对性降噪措施。

1 噪声测试概况

1.1 测试项目简介

测试项目于2012年10月开通试运营，K6+757.42至K6+898.4段为该轨道交通项目高架整体道床，梁体为钢-混结合梁，桥梁共计2联，按3跨连续梁布设，共计6跨，单跨长度均为23.5 m，总长度共计141 m。桥梁整体总高度1.6 m，桥面混凝土厚度0.32 m，桥面上部宽度9.3 m，下底宽度4.5 m，桥梁与地面高差约9.6 m。钢-混结合梁横断面如图1所示，测试项目周边环境概况如图2所示。

图1 钢-混结合梁横断面(单位：cm)

图2 测试项目位置

现场桥上设有声屏障，其中上行(临近公路一侧)声屏障高度4 m(见图3)、下行声屏障高度3 m(见图4)，声屏障长度均已覆盖临近敏感目标。根据运营单位现场检查结果，声屏障设备状态良好、功能正常，运营单位对钢轨进行了打磨，钢轨状态良好。

图3 上行4 m高声屏障

图4 下行3 m高声屏障

1.2 测试设备与测点位置

（1）测试设备。本次测试采用数据采集系统和麦克风传感器对列车运营期间的辐射噪声进行测量，满足低频噪声测量需求。

（2）测点位置。该线路沿城市主干路走行，测试断面处轨面高度约9.6 m，测点选择距离轨道交通线路最近的住宅楼外侧，共布设3个测点，测点距离轨道交通线路中心线水平距离40 m、距离住宅楼外侧4 m。测试设备及对应测点位置如表1所示，测点位置示意如图5所示。为尽可能避免现状公路噪声对测试数据的干扰，测试时间选择20:00—24:00。

表1 测量仪器及测点汇总表

图5 测点位置示意(单位：m)

2 噪声特性分析

2.1 声级水平分析

测试期间共取得52列车通过期间的测试数据，选取列车通过期间的数据进行分析。各测点列车通过期间的时程曲线如图6所示。

由图6可知，自列车运行至钢-混结合梁桥后，各测点处环境噪声逐渐升高，在车头运行至敏感目标处时环境噪声达到最大，测点1、测点2和测点3最高峰值分别为97.3 dB、99.2 dB和98.0 dB，待列车远离后，环境噪声迅速降低至背景噪声。根据《声学轨道机车车辆发射噪声测量》(GB/T 5111—2011)[10]计算列车通过期间的等效声级和相邻时段的背景值。列车运行期间的等效声级约82.5～92.3 dB，背景噪声约62.9～77.2 dB，列车运行期间的噪声超出背景噪声约9.7～27.5 dB；考虑A计权后，列车运行期间的等效声级约65.0～73.4 dB(A)，背景噪声约53.4～66.3 dB(A)。列车通过期间等效声级和背景噪声值如图7所示。

图6 各测点列车通过期间时程曲线

由图7中可知，在背景值远低于列车通过期间噪声贡献值时，自楼层1至5层，所有测点噪声值均较高，并且存在低楼层噪声值高于高楼层现象。该区段设有4 m高直立式声屏障，按照《声屏障声学设计和测量规范》(HJ/T 90—2004)[11]中声屏障降噪的声学原理，采取声屏障措施后，低楼层测点受列车轮轨噪声影响的噪声值应低于高楼层，而本次测试结果显示存在低楼层噪声值高于高楼层现象。桥梁下部结构噪声影响更为突出，钢-混结合梁桥列车运行产生的轮轨噪声不是影响敏感目标的主要噪声源，采取声屏障措施后，受桥梁结构噪声的影响，声屏障措施无法达到理想的降噪效果。

图7 列车通过期间等效声级和背景噪声

2.2 频域特性分析

选择列车通过期间等效声级最高的序号4组数据进行频谱分析，列车运行期间的噪声频谱与背景噪声频谱如图8所示。

由图8可知，区域内环境背景噪声呈宽频特性，能量主要集中在200～3 150 Hz频道范围内，频带幅值最高45.5 dB，背景噪声较低。列车通过期间，与背景噪声相比，所有频带内噪声均有一定幅度增加，20～160 Hz频带范围内增量最大，达30.5～56.0 dB，其中50～100 Hz频带范围内声压级最高，达70.4～88.4 dB，能量占比96.9%，低频噪声为列车通过期间主要辐射噪声，中高频噪声相对较小。

根据相关研究中针对城市轨道交通高架线噪声特性的分析，未采取声屏障措施情况下普通箱梁噪声主要频率集中在400～800 Hz，与图8对照可知，该项目列车运行期间低频噪声显著增大，符合桥梁结构噪声的频谱特性，综合考虑现场测试期间的背景噪声及噪声的频谱特性，本次测试项目列车运行产生的噪声主要为列车运行引起的钢-混结合梁振动辐射的二次结构噪声。

图8 列车运行期间的噪声频谱与背景噪声频谱

3 结论与建议

通过对某轨道交通项目高架线钢-混结合梁桥的噪声特性试验，在采取4 m高声屏障措施的条件下，得出以下主要结论。

（1）本次测试钢-混结合梁桥列车运行期间的噪声影响显著，距离线路中心线水平距离40 m处列车运行期间的等效声级达82.5～92.3 dB，远高于背景环境噪声。

（2）采取声屏障措施后，钢-混结合梁桥列车运行产生的轮轨噪声不是影响敏感目标的主要噪声源，受桥梁结构噪声的影响，声屏障措施无法达到理想的降噪效果。

（3）与背景噪声相比，钢-混结合梁桥列车运行噪声的低频噪声显著增加，其中50～100 Hz频带范围内声压级最高，达70.4～88.4 dB，能量占比96.9%，低频噪声为列车通过期间主要辐射噪声，中高频噪声相对较小。

（4）该项目列车运行噪声主要为列车运行引起的钢-混结合梁振动辐射的结构噪声，下阶段噪声治理工作应重点针对降低钢-混结合梁构件的振动方面开展。