高速鐵路32m簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲研究.pdf

1、自1964年日本建成世界上第一條高速鐵路起，世界高速鐵路的發(fā)展經(jīng)歷了三次高潮，以日本、法國(guó)、意大利、德國(guó)等最具代表性。高速鐵路的發(fā)展共分為三個(gè)階段:20世紀(jì)60年代至80年代末為第一次發(fā)展高潮，90年代初為第二次高潮，以及90年代中后期的第三次建設(shè)高潮。
　　我國(guó)高速鐵路建設(shè)起步較晚，但是起點(diǎn)高，發(fā)展迅速，并且具備獨(dú)立自主的高速鐵路技術(shù)，迎來(lái)了我國(guó)高速鐵路建設(shè)的高峰期。截止2013年底，我國(guó)高鐵里程1.1萬(wàn)千米，居世界第一，占世界

2、高速鐵路總里程的約50％，在建高鐵規(guī)模達(dá)1.2萬(wàn)千米。世界其他國(guó)家和地區(qū)高鐵總里程1.1605萬(wàn)千米，在建高鐵規(guī)模4883千米，規(guī)劃建設(shè)高鐵1.257千米。
　　伴隨著高速鐵路的發(fā)展，高鐵橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題也受到社會(huì)越來(lái)越多的關(guān)注。本文簡(jiǎn)要介紹了高速運(yùn)行列車與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究歷史，分析了車輛荷載的演變過(guò)程和橋梁結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型。高速鐵路具有高速、高架、電氣化等特點(diǎn)，其輻射噪聲與一般的鐵路有所不同。高速鐵路的噪聲包括:輪軌噪

3、聲、橋梁結(jié)構(gòu)噪聲、空氣動(dòng)力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲等。本文總結(jié)了橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、特性、計(jì)算和降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的研究現(xiàn)狀。橋梁結(jié)構(gòu)噪聲以低頻噪聲為主，主要集中在200Hz以下，其傳播距離比高頻噪聲更遠(yuǎn)，傳播范圍更廣且衰減更慢。如果人長(zhǎng)期處于低頻噪聲的環(huán)境，容易神經(jīng)衰弱、失眠等，因此低頻噪聲在醫(yī)學(xué)界被稱為“隱形殺手”。文章具體分析了日本和香港對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的研究情況和異同點(diǎn)。此外總結(jié)了通過(guò)改變軌道結(jié)構(gòu)、改變結(jié)構(gòu)邊界條件、改變板厚和加肋

4、、改變橋梁結(jié)構(gòu)的截面形式和設(shè)置阻尼層或調(diào)頻質(zhì)量阻尼器等幾種降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的方式。
　　本文介紹了進(jìn)行聲音主客觀評(píng)價(jià)時(shí)常用的聲學(xué)指標(biāo):響度級(jí)、響度、聲級(jí)和計(jì)權(quán)聲級(jí);在進(jìn)行軌道交通噪聲評(píng)價(jià)時(shí)采用的評(píng)價(jià)物理量:等效連續(xù)聲級(jí)、晝夜等效聲級(jí)、聲暴露級(jí)、累計(jì)百分聲級(jí)、交通噪聲指數(shù)和噪聲評(píng)價(jià)指數(shù)。簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)外低頻噪聲的限值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它們對(duì)于低頻噪的規(guī)定，有些是專門針對(duì)鐵路或地鐵的結(jié)構(gòu)噪聲，其它通常是針對(duì)室內(nèi)低頻噪聲的，但是這些規(guī)范有時(shí)也

5、被用作鐵路或地鐵項(xiàng)目振動(dòng)噪聲評(píng)估的參考依據(jù)。各國(guó)對(duì)低頻噪聲的頻率范圍未達(dá)成共識(shí)，但大多限定在16～250Hz。室內(nèi)噪聲的常采用的聲級(jí)也不盡相同，中國(guó)、瑞士等一般采用等效A聲級(jí)LpAeq，美國(guó)采用最大A聲級(jí)LpAmax，而ISO、澳大利亞同時(shí)采用兩個(gè)指標(biāo)。LpAmax和LpAeq的不同在于:前者與人睡眠質(zhì)量相關(guān)，而后者與人的生活質(zhì)量相關(guān)。德國(guó)、瑞典等國(guó)家同時(shí)采用LAeq和LCeq，且當(dāng)LCeq-LAeq＞15～20dB，認(rèn)定含有低頻噪聲成

6、分。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的限值范圍不盡相同:LpAmax變化范圍為30～45dB，LpAeq變化范圍為25～40dB，不相同的原因可能是由于標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重的噪聲（結(jié)構(gòu)噪聲、空氣噪聲、低頻噪聲等）來(lái)自于建筑物內(nèi)、外不同的聲源。各國(guó)最大聲級(jí)以LpASmax（時(shí)間常數(shù):慢）為主，只有挪威和瑞典采用LpAFmax（時(shí)間常數(shù):快）。LpAFmax一般比LpASmax大1～2dB。對(duì)于低頻噪聲的測(cè)量，50Hz以下的噪聲測(cè)量難度大于50Hz以上噪聲的測(cè)量難度。楊宜謙全

7、面分析了世界各國(guó)的結(jié)構(gòu)（低頻）噪聲標(biāo)準(zhǔn)。從使用范圍、計(jì)權(quán)方式、限值范圍、評(píng)價(jià)指標(biāo)等方面進(jìn)行比較研究這些標(biāo)準(zhǔn)的異同點(diǎn)，方便進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)低頻噪聲的科學(xué)評(píng)價(jià)。為我國(guó)完善高速鐵路振動(dòng)、低頻噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)的理論依據(jù)和參考意見(jiàn)。
　　橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)就會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生噪聲。所以研究橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的研究分為橋梁振動(dòng)分析和聲輻射分析兩部分。進(jìn)行橋梁振動(dòng)分析時(shí)，將采用兩種車輛模型:移動(dòng)荷載列模型和移動(dòng)質(zhì)量模型。移動(dòng)荷載模型不

8、考慮列車與橋梁的耦合動(dòng)力作用，忽略車輛自重慣性力對(duì)橋梁振動(dòng)的影響。移動(dòng)質(zhì)量模型考慮移動(dòng)質(zhì)量慣性力對(duì)橋梁的沖擊作用，ANSYS計(jì)算利用生死單元，根據(jù)移動(dòng)速度，在質(zhì)量塊到達(dá)的節(jié)點(diǎn)處都建立質(zhì)量單元，然后利用質(zhì)量單元MASS21的生死技術(shù)，殺死到達(dá)位置前的質(zhì)量單元，激活到達(dá)處的質(zhì)量單元。
　　文章系統(tǒng)地歸納了通過(guò)有限元-邊界元解決橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射問(wèn)題的計(jì)算原理。說(shuō)明了有限元軟件ANSYS進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析的科學(xué)、可信性;然后介紹了以波動(dòng)方

9、程為基礎(chǔ)的時(shí)域內(nèi)聲場(chǎng)求解方法和以Helmholts方程為基礎(chǔ)的頻域求解方法;并且簡(jiǎn)要介紹了應(yīng)用聲學(xué)軟件Virtual.LabAcoustics計(jì)算結(jié)構(gòu)輻射噪聲的基本要求和步驟。值得一提的是，本文所使用的聲輻射邊界元法包含時(shí)域、頻域兩種分析方法，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲邊值問(wèn)題的研究具有極大優(yōu)勢(shì)。
　　本文基于有限元—邊界元理論，進(jìn)行了高速列車過(guò)橋的仿真分析，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的計(jì)算分析。以32m筒支箱梁為模型，移動(dòng)荷載模型

10、采用兩種:移動(dòng)荷載列和移動(dòng)質(zhì)量模型。分別計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和橋梁周圍的輻射噪聲。橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的計(jì)算以車-橋系統(tǒng)動(dòng)力相互作用分析為基礎(chǔ)，采用通用有限元軟件ANSYS的模態(tài)分析模塊進(jìn)行橋梁自振特性的計(jì)算分析，然后利用ANSYS動(dòng)力分析進(jìn)行列車過(guò)橋的瞬態(tài)動(dòng)力分析。對(duì)于橋梁周圍的輻射噪聲的計(jì)算，將有限元模型導(dǎo)入聲學(xué)軟件Virtual.Lab Acoustics作為計(jì)算網(wǎng)格，瞬態(tài)分析的數(shù)據(jù)文件作為聲學(xué)邊界條件，利用Virtual.Lab

11、Acoustics的瞬態(tài)邊界元模塊進(jìn)行時(shí)域聲學(xué)計(jì)算，然后利用DSP工具將時(shí)域聲學(xué)轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)。此外，通過(guò)橋梁跨中附近建立的場(chǎng)點(diǎn)和網(wǎng)格考察周圍聲場(chǎng)特性，也分析了空間聲場(chǎng)的分布狀況。
　　在橋梁振動(dòng)特性仿真分析階段，移動(dòng)質(zhì)量模型計(jì)算得到的豎向位移響應(yīng)小于移動(dòng)荷載列模型，但是由于車輛重力的影響，前者計(jì)算得到加速度響應(yīng)大于后者，這主要是由于列車運(yùn)行時(shí)直接作用在了頂板上，力和振動(dòng)響應(yīng)經(jīng)過(guò)腹板傳遞到底板，能量得到一定的衰減，所以對(duì)底板的影響小

12、于頂板。Virtual.Lab Acoustics時(shí)域聲學(xué)的計(jì)算則是以節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)為邊界條件，所以移動(dòng)質(zhì)量模型的計(jì)算聲場(chǎng)大于移動(dòng)荷載列模型的計(jì)算聲場(chǎng)，同一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的Z聲級(jí)兩者之差最大能達(dá)到2.57dB。箱梁底部P1～P4的聲場(chǎng)一般會(huì)隨著高度的降低而逐漸衰弱，但是由于地面的反射作用，靠近地面的聲場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)增大現(xiàn)象;處于距地面1.2m高度的P4～P9場(chǎng)點(diǎn)的聲場(chǎng)一般隨著距橋梁中心線距離的增大而出現(xiàn)衰減趨勢(shì);在距離橋梁中心線25m處P9～P13場(chǎng)

13、點(diǎn)的聲場(chǎng)隨著距離地面高度的增大呈增大趨勢(shì)。通過(guò)Z聲級(jí)頻譜分析可知，底板下方的場(chǎng)點(diǎn)Z聲級(jí)頻譜峰值點(diǎn)頻率和底板加速度峰值點(diǎn)頻率基本一致，說(shuō)明底板下方的聲場(chǎng)主要受底板振動(dòng)的影響;同樣，箱梁遠(yuǎn)方的場(chǎng)點(diǎn)Z聲級(jí)頻譜峰值點(diǎn)頻率和頂板加速度峰值點(diǎn)頻率基本一致，說(shuō)明箱梁項(xiàng)板的振動(dòng)對(duì)遠(yuǎn)離箱梁中心線的場(chǎng)點(diǎn)影響更大。
　　本文通過(guò)改變橋梁、車輛參數(shù)來(lái)研究其對(duì)振動(dòng)和輻射噪聲的影響程度，為指導(dǎo)工程實(shí)踐進(jìn)行減振降噪提供了理論依據(jù)。文章采用移動(dòng)荷載列模型分析了高

14、速列車通過(guò)32m雙線簡(jiǎn)支箱梁的振動(dòng)響應(yīng)和輻射噪聲。通過(guò)改變橋梁、車輛的某一個(gè)參數(shù)來(lái)分析橋梁的振動(dòng)和噪聲變化，確定其對(duì)噪聲的影響程度。橋梁板厚增加，則輻射噪聲減小，反之增大。當(dāng)板厚減小時(shí)，腹板對(duì)輻射噪聲的影響程度大于頂板和底板;但當(dāng)板厚增大時(shí)，頂板對(duì)輻射噪聲的影響程度更大。通過(guò)板塊貢獻(xiàn)量分析，頂板和底板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)聲壓的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于腹板的貢獻(xiàn)量。因此優(yōu)化箱梁頂板、底板和腹板的厚度能夠?qū)崿F(xiàn)降低噪聲的目的。隨著橋梁阻尼比的增加，橋梁的動(dòng)撓度、加速度

15、最大值逐漸減小，而且動(dòng)撓度、加速度與阻尼比均呈非線性關(guān)系;阻尼比越大振動(dòng)減小的越慢。場(chǎng)點(diǎn)輻射噪聲與橋梁振動(dòng)特性變化規(guī)律一致，也是隨著阻尼比的增大而減小。彈性模量按0.5E的間隔增加到1.5E的過(guò)程中，振動(dòng)逐漸減小，而場(chǎng)點(diǎn)輻射聲壓先減小，從1.25E到1.5E時(shí)則出現(xiàn)了增大現(xiàn)象。聲場(chǎng)輻射噪聲計(jì)算中，是否考慮地面反射是一個(gè)重要的影響因素。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，P4～P9場(chǎng)點(diǎn)考慮地面反射時(shí)的A聲級(jí)都大于不考慮地面反射時(shí)的A聲級(jí)，它們?cè)趦煞N情形下A聲級(jí)