高速铁路桥梁结构振动、噪声与环境振动现场试验

雷晓燕，翁凌霄,2，刘庆杰，汪 翠，尹学军，张新亚

(1.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；2.南昌工学院 新能源车辆学院，江西 南昌 330108；3.隔而固(青岛)振动控制有限公司，山东 青岛 266108)

近年来，我国高速铁路和城市轨道交通延续高速发展。为满足高速铁路对轨道结构高平顺性的要求，设计速度为200 km/h及以上的高速铁路线路中，高速铁路轨道基础多采用桥梁形式。国外桥梁形式占比最大的高速铁路是线路全长270 km的日本上越新干线，其中桥梁长度166 km，占线路总长61.5%。国内干线高速铁路的设计行车速度通常达到350 km/h，桥梁在高速铁路中的占比普遍较高。如，广州—深圳的城际铁路，桥梁占比达到94.2%[1]。采用桥梁结构作为高速铁路的轨道基础可极大地减小路基不均匀沉降，有利于高速列车安全平稳运行，但由此带来的振动与噪声又成为新的环境污染源。

为研究高速行车条件下桥梁结构服役性能和车-桥耦合振动动态特性，一些学者对高速铁路桥梁结构动力响应进行试验研究。夏禾等[2]在秦沈客运专线狗河大桥进行高速列车动力试验，试验桥梁为跨度24 m的多跨预应力混凝土简支箱梁，试验列车最高试验速度分别为321.5、290.0 km/h，试验结果表明此实验桥梁在高速列车作用下的各项动力学指标良好。李志明等[3]以沪昆高铁某无砟轨道-桥梁的三孔32 m标准跨径预应力简支箱梁为研究对象，建立多断面多结构监测系统，并开展无砟轨道-桥梁结构动力响应测试，分析无砟轨道-桥梁各结构层在不同行车速度下的动力响应规律及轨道结构-桥面协调变形特性。李小珍等[4]针对列车速度为250～385 km/h时的轨道、桥梁、地面振动开展现场测试，分别采用连续小波变换、1/3倍频程分频振级、环境振动评价标准对测试数据进行分析，结果表明，箱梁和墩顶振动的优势频段为31.5～125.0 Hz，地面振动的峰值频率为40～50 Hz；地面振动随距离的衰减规律符合三次多项式，在列车速度为250～385 km/h时，距离桥墩15 m以外的地面Z计权振动加速度级小于80 dB。张志俊[5]针对津秦客运专线高架桥梁段车致地面振动问题进行仿真分析和现场测试,并分别对测试数据进行时域和频域分析，得出不同车速下振动波在土体中的传播规律，同时探讨车速、扣件刚度、高架桥梁支座刚度等因素对模型中的车辆、桥梁、地基土动力响应的影响规律。张凌等[6]对高铁型综合交通枢纽南昌西站候车层进行大型现场实测，在候车大厅布设四类测点，从时域及频域方面分析高铁列车低速进出站引起的振动在候车层垂轨向和顺轨向的传递特性，同时研究梁、柱、伸缩缝等不同结构位置对振动传递特性的影响。

以上研究成果对深入研究高速铁路桥梁结构动态服役行为和车-桥耦合振动具有重要的参考价值。但是，研究局限于高速铁路车-桥耦合振动的某个方面，缺乏全面系统的研究，尤其是积累的试验数据非常有限。为探讨高速铁路桥梁结构振动与噪声产生机理和传播规律，研发高速铁路桥梁结构减振降噪关键技术与装备，本文选择沪昆高铁高安—南昌区间某铁路桥梁段，对高速列车通过桥梁时引起的桥梁结构振动、环境噪声、大地振动进行系统的现场测试。现场测试选取的高速铁路桥梁段由32 m多跨双线混凝土简支箱梁组成，桥面铺设CRTS-Ⅱ型轨道板，CHN60钢轨。测试中运行的高速列车为CRH380A、CRH380B、CRH380C、CRH380D、CRH2A、CRH2B、CRH2C等，8节或16节车辆编组，列车速度为300～310 km/h。

1 高速铁路桥梁结构振动现场测试

测试选择空旷地带的连续桥梁，桥下平坦，地面距离桥底2.7 m，桥梁周边30 m内无高大建筑物和树林，测点附近无其他干扰。

为实测高速列车通过时引起的桥梁结构振动，从右到左在桥梁上选取4个横截面，即桥梁支座截面、L/4、L/2、3L/4处桥梁截面。测试断面示意见图1，图1中，L为桥梁跨度。在4个横截面的翼板、顶板、腹板和底板处共设置20个振动测点，见图2。

图1 高铁桥梁结构振动测试断面示意(单位：m)

图2 桥梁截面振动测点布置

本次测试采用的仪器设备：德国Head公司DATaRec 4 DIC24数据采集仪、GRAS声传感器以及393B04加速度传感器(灵敏度为1 000 mV/g，频响范围为0.06～450.00 Hz，测试范围±5g)。

高速铁路桥梁结构振动现场试验根据GB 10071—1988《城市区域环境振动测量方法》[7]、GB 10070—1988《城市区域环境振动标准》[8]和ISO 2631-1—1985《Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration》[9]进行；环境振动现场试验根据HJ 453—2018《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》[10]进行；噪声振动现场试验根据GB 3096—1993《城市区域环境噪声标准》[11]、JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》[12]进行。

根据列车上、下行和编组情况分为四种列车工况，其中，上行指向南昌方向，下行指向长沙方向，见表1。如无特别说明，文中给出的测试结果均指在列车工况一(向西/下行、8节编组)作用下得到的数据，其他工况下获得的结果与此类似。

表1 列车工况

1.1 桥梁跨中截面加速度时程曲线及频谱

桥梁跨中截面测点加速度时程曲线及频谱见图3。由图3可见，桥梁结构振动频率范围主要为0～200 Hz，频率高于200 Hz时加速度急剧下降。根据测试结果桥梁结构振动幅值有如下规律：顶板振动>底板振动>腹板振动>两翼振动。

图3 桥梁跨中截面测点加速度时程曲线及频谱

1.2 桥梁各截面测点1/3倍频程加速度振级

桥梁各截面测点1/3倍频程加速度振级见图4。

图4 桥梁各截面测点1/3倍频程加速度振级

由图4(a)可见，各测点振动频率范围为3.15～200.00 Hz，且加速度振级非常相似，频率高于200 Hz时，加速度振级急剧下降。在20～200 Hz频率范围，顶板振动最大，加速度振级峰值频率为40 Hz。

由图4(b)可见，在0～50 Hz频率范围，桥梁顶板振动>两翼振动>底板振动>腹板振动；在50～200 Hz频率范围，顶板振动>底板振动>两翼振动>腹板振动，且车辆运行侧的桥梁振动要大于另一侧。加速度振级峰值频率为40 Hz，大于200 Hz时加速度振级急剧下降。在16 Hz处有一个明显的波谷，是由列车激发桥梁的反共振引起的[13]。尽管顶板处振动最大，但由于腹板和底板的遮挡作用，顶板对桥梁结构噪声的影响较小，而底板对桥梁结构噪声的贡献最大。

图4(c)、图4(d)中各测点加速度振级整体分布规律与图4(b)类似。

1.3 桥梁顶板、翼板、腹板和底板测点1/3倍频程加速度振级

桥梁顶板、翼板、腹板和底板测点1/3倍频程加速度振级见图5。

图5 桥梁各位置处测点1/3倍频程加速度振级

由图5(a)可见，在0～50 Hz频率范围，除支座截面顶板加速度振级较小外，其余截面顶板加速度振级相差不大；在大于50 Hz频率范围，各截面顶板加速度振级基本相同；在频率31.5、40.0 Hz处，顶板加速度振级出现峰值。

由图5(b)可见，两侧翼板振动规律基本相同，近列车荷载一侧翼板测点的加速度振级较大，在频率31.5 Hz处，翼板加速度振级出现峰值。

由图5(c)可见，两侧腹板振动规律基本相同，近列车荷载一侧腹板测点的加速度振级较大，在频率31.5 Hz处，腹板加速度振级出现峰值。

由图5(d)可见，由于梁端截面底板测点Z4靠近桥梁支座，加速度振级较低，桥梁其余截面底板测点的加速度振级幅值和分布规律相同，在频率63.0 Hz处，底板加速度振级出现峰值。

由图4、图5可见，高速列车通过桥梁时引起桥梁结构振动的优势频率为31.5～125.0 Hz。

各测点加速度分频振级最大值及对应频率见表2，由表2可见，各测点振动峰值频率为31.5～63.0 Hz。

表2 桥梁结构各测点加速度分频振级最大值及对应频率

2 高速铁路桥梁环境噪声现场测试

高速列车通过桥梁时引起的环境噪声现场测点布置见图6，声传感器布置在下行线的近轨侧。

图6 高速铁路桥梁环境噪声测点布置(单位：m)

距离地面不同距离处各测点声压级曲线见图7。

由图7(a)可见，声压级优势频率为80～2 500 Hz，峰值频率为63～160 Hz。测点S1位于箱梁内腔，受混响声的影响，声压级分布与S3～S6四个测点不同；测点S3～S6紧靠桥梁底板、腹板和翼板位置，噪声源主要为桥梁结构噪声，以中低频为主，四个测点的声压级和分布规律基本一致。测点S3在频率80 Hz处出现峰值，对应于底板的局部振动。

由图7(b)可见，测点S7、S8分别距离地面1.2、2.4 m，噪声源分别为桥梁结构噪声、部分绕射的轮轨噪声、空气动力噪声，优势频率为80～2 500 Hz；S9距离轨面1.2 m，噪声源主要为轮轨噪声、受电弓噪声、空气动力噪声，优势频率为160～5 000 Hz；3个测点的峰值频率均为1 250 Hz。

由图7(c)可见，测点S13、S14的声压级比测点S11、S12高。四个测点的优势频率为160～5 000 Hz，峰值频率为1 250 Hz。

由图7(d)可见，4个测点变化趋势相同，优势频率为200～5 000 Hz；S17、S18的声压级比测点S15、S16高，峰值频率为1 250 Hz。

图7 距离地面不同距离处各测点声压级曲线

由图7(e)可见，在小于40 Hz频率范围，4个测点声压级高度一致，说明低频噪声传播远，衰减小。在大于40 Hz频率范围，位于桥梁正下方的测点S4由于桥梁隔绝轮轨噪声和空气动力噪声，测点S4声压级最小；测点S7、S11和S15距离轨道较远，受轮轨噪声和空气动力学噪声的影响，声压级较大，其声压级分布规律为：S15>S11>S7>S4。

由图7(f)可见，4个测点声压级的分布规律与距离地面1.2 m处的测点相同，在大于200 Hz频率范围，各测点声压级分布规律为：S16>S12>S8>S3；测点S3在80 Hz处出现峰值，对应于桥梁底板的局部振动。

由图7(g)可见，3个测点声压级的变化趋势一致，各测点声压级主要受轮轨噪声、受电弓噪声和空气动力噪声的影响，其声压级分布规律为：S9>S13>S17，表明声压级随着离开轨道距离的增大而减小。

由图7(h)可见，2个测点声压级的变化趋势高度一致，测点S14距离轨道近，其声压级比测点S18的大，峰值频率为1 250 Hz。

桥梁跨中截面各测点实测噪声总声压级见图8。各测点实测声压级最大值及对应频率详见表3。

图8 桥梁跨中截面各测点实测噪声总声压级(单位：dB(A))

表3 各测点实测声压级最大值及对应频率

由图8和表3可得如下结论：

(1)测点S1位于箱梁内部，腔内的混响声较大，最大声压级为79.9 dB(A)，对应的峰值频率为160 Hz，总声压级为84.6 dB(A)。

(2)测点S3、S5、S6分别紧靠桥梁底板、腹板、翼板，噪声源主要为桥梁结构噪声，最大声压级分别为65.5、61.5、62.3 dB(A)，对应的峰值频率分别为80、125、160 Hz，表明桥梁附近环境噪声源主要来自桥梁结构噪声，其分布规律为：桥梁底板结构振动噪声>翼板噪声>腹板噪声，底板结构振动声压级最大，且底板辐射面积最大，因而底板振动对桥梁结构振动的贡献最大。

(3)测点S9、S13、S17均高于钢轨顶面，噪声源主要为轮轨噪声、受电弓噪声、空气动力噪声，最大声压级为77.0～83.3 dB(A)，对应的峰值频率为1 250 Hz。

(4)在距离轨道外轨30 m断面处，4个测点的优势频率为200～5 000 Hz；噪声源主要为轮轨噪声、受电弓噪声、空气动力噪声, 最大声压级分别为71.6、72.3、77.0、79.7 dB(A)，峰值频率分别为800(S15)、1 250 Hz(S16～S18)，总声压级分别为81.1、81.9、85.6、87.2 dB(A)。根据GB 3096—1993《城市区域环境噪声标准》[11]规定，各类声环境功能区夜间突发噪声，其最大声压级超过环境噪声限值的幅度不得高于15 dB(A)，即不得高于70 dB(A)。表明即使在距离轨道外轨30 m处，夜间高速列车通过桥梁时引起的突发噪声超过环境噪声限值。

(5)由于列车速度大于300 km/h，轮轨噪声、受电弓噪声和空气动力噪声为主要噪声源，高速列车通过桥梁时引起的环境噪声容易超过声环境标准[14-15]。因此，当高速铁路桥梁穿过城区时，必须采取降噪措施。

3 高速铁路桥梁环境振动现场测试

高速铁路桥梁环境振动测试是在桥梁一侧自由场地上进行。以46#桥墩墩底中心为坐标原点，沿与桥梁中心线垂直方向(Y方向)的大地表面布置8个测点，其中V1紧靠桥墩底，距离桥墩中心距离为3 m，其余测点之间的距离见图9。

图9 高速铁路桥梁环境振动现场试验测点布置(单位：m)

3.1 大地各测点振动加速度时程曲线及频谱

测点V5振动加速度时程与频谱曲线详见图10。由图10可见，代表性测点V5横向和垂向振动频率范围在200 Hz内，横向振动幅值略大于垂向振动。

图10 测点V5振动加速度时程与频谱曲线

3.2 大地各测点加速度振级1/3倍频程分析

各测点1/3倍频程加速度振级见图11。

由图11可见，大地垂、横向振动的优势频率为20～63 Hz；在1.00～3.15 Hz范围，测点V3～V8加速度振级很小；振动能量主要集中在3.15～80.00 Hz；在频率16 Hz处，有一明显波谷；距离桥梁中心线5～40 m范围，垂向振动16、50、80 Hz时分别衰减了18.57、36.91、38.95 dB；横向振动16、50、80 Hz时衰减了6.29、41.51、26.29 dB；随着离开桥梁距离的增加，高频振动衰减快，低频振动衰减慢，低频振动传递更远；近场大地振动包含各种频率成分；远场大地振动以中、低频为主。

3.3 大地各测点分频垂向Z振级

大地各测点实测垂向Z振级见图12，其垂向Z振级最大值及对应频率见表4。由图12和表4可见，大地振动能量主要集中在3.15～80.00 Hz频率范围。V1～V5测点最大Z振级均出现在31.5 Hz，V6测点最大Z振级出现在25 Hz处，远场测点V7、V8最大Z振级出现在10 Hz处，再次说明低频振动传递的更远。

表4 大地各测点实测垂向Z振级最大值及对应频率

图12 大地各测点实测垂向Z振级(取12趟列车平均值)

3.4 大地各测点分频垂向Z振级随距离的变化规律

大地各测点分频Z振级随距离衰减规律详见图13。由图13可见，各分频Z振级随距离的增加而衰减，但不是线性变化而是呈波动衰减趋势。在1～16 Hz频率范围，Z振级在距离桥梁中心线5 m处有一个明显下降；在20～63 Hz频率范围，Z振级平缓下降，说明大地振动的优势频率为20～63 Hz。

图13 大地各测点分频Z振级随距离衰减规律

3.5 大地振动垂向Z振级评价

大地振动各测点实测垂向Z振级详见图14，其实测垂向Z振级详见表5。

图14 大地振动各测点实测垂向Z振级

表5 大地振动各测点实测垂向Z振级(取15次平均值)

由图14和表5可见，V1测点与V2测点相距仅2 m，振级接近；V3测点Z振级衰减明显；V1～V6各测点的垂向Z振级随着距离的增加，衰减幅度较大，V6测点之后，衰减变缓。在距离桥梁中心线0～40 m范围，所有测点的垂向Z振级均小于80 dB(Z振级限值为80 dB)，距离桥梁中心线大于20 m的测点，其垂向Z振级均低于城市区域环境振动标准65 dB。

4 结论

通过对高速列车经过桥梁时引起的桥梁结构振动、噪声和环境振动现场测试，得到如下结论：

(1)桥梁结构振动优势频率为31.5～125.0 Hz，峰值频率为31.5～63.0 Hz，在16 Hz处有一明显波谷，大于200 Hz时加速度振级急剧下降，因此可用31.5～63.0 Hz频率进行桥梁结构减振设计。

(2)桥梁顶板最大加速度振级为88.59～100.48 dB，对应的峰值频率为31.5、40.0 Hz；桥梁底板最大加速度振级为82.96～94.29 dB，对应的峰值频率为31.5、63.0 Hz，底板对桥梁结构噪声的贡献最大。减小桥梁结构噪声主要应针对底板和腹板采取减振降噪措施。

(3)高速列车通过桥梁时引起的环境噪声频率范围为80～5 000 Hz，近桥梁测点峰值频率为80～160 Hz，远离桥梁测点峰值频率为800～1 250 Hz；在距离轨道外轨30 m处，噪声源主要为轮轨噪声、空气动力噪声、受电弓噪声，最大声压级均大于70 dB(A)，总声压级均大于80 dB(A)，超过声环境限值。因此，当高速铁路桥梁穿过城区时，必须采取设置声屏障等降噪措施。

(4)高速铁路车-桥耦合振动引起的大地横向和垂向振动优势频率为20～63 Hz；距离桥梁中心线大于20 m范围时，高速铁路车-桥耦合振动引起的大地振动低于城市区域环境振动标准65 dB。