高速鐵路32m簡支箱梁結(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、意大利、德國等最具代表性。高速鐵路的發(fā)展共分為三個階段:20世紀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。
　　我國高速鐵路建設(shè)起步較晚，但是起點高，發(fā)展迅速，并且具備獨立自主的高速鐵路技術(shù)，迎來了我國高速鐵路建設(shè)的高峰期。截止2013年底，我國高鐵里程1.1萬千米，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1.2萬千米。世界其他國家和地區(qū)高鐵總里程1.1605萬千米，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)的振動和噪聲問題也受到社會越來越多的關(guān)注。本文簡要介紹了高速運行列車與結(jié)構(gòu)動力相互作用研究歷史，分析了車輛荷載的演變過程和橋梁結(jié)構(gòu)的簡化模型。高速鐵路具有高速、高架、電氣化等特點，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)生機理、特性、計算和降低橋梁結(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，傳播范圍更廣且衰減更慢。如果人長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橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的研究情況和異同點。此外總結(jié)了通過改變軌道結(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。
　　本文介紹了進行聲音主客觀評價時常用的聲學(xué)指標:響度級、響度、聲級和計權(quán)聲級;在進行軌道交通噪聲評價時采用的評價物理量:等效連續(xù)聲級、晝夜等效聲級、聲暴露級、累計百分聲級、交通噪聲指數(shù)和噪聲評價指數(shù)。簡單介紹了國內(nèi)外低頻噪聲的限值和評價標準，它們對于低頻噪的規(guī)定，有些是專門針對鐵路或地鐵的結(jié)構(gòu)噪聲，其它通常是針對室內(nèi)低頻噪聲的，但是這些規(guī)范有時也

5、被用作鐵路或地鐵項目振動噪聲評估的參考依據(jù)。各國對低頻噪聲的頻率范圍未達成共識，但大多限定在16～250Hz。室內(nèi)噪聲的常采用的聲級也不盡相同，中國、瑞士等一般采用等效A聲級LpAeq，美國采用最大A聲級LpAmax，而ISO、澳大利亞同時采用兩個指標。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、瑞典等國家同時采用LAeq和LCeq，且當LCeq-LAeq＞15～20dB，認定含有低頻噪聲成

6、分。各國標準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準側(cè)重的噪聲（結(jié)構(gòu)噪聲、空氣噪聲、低頻噪聲等）來自于建筑物內(nèi)、外不同的聲源。各國最大聲級以LpASmax（時間常數(shù):慢）為主，只有挪威和瑞典采用LpAFmax（時間常數(shù):快）。LpAFmax一般比LpASmax大1～2dB。對于低頻噪聲的測量，50Hz以下的噪聲測量難度大于50Hz以上噪聲的測量難度。楊宜謙全

7、面分析了世界各國的結(jié)構(gòu)（低頻）噪聲標準。從使用范圍、計權(quán)方式、限值范圍、評價指標等方面進行比較研究這些標準的異同點，方便進行橋梁結(jié)構(gòu)低頻噪聲的科學(xué)評價。為我國完善高速鐵路振動、低頻噪聲評價標準提供科學(xué)的理論依據(jù)和參考意見。
　　橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下會產(chǎn)生振動，振動就會相應(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分析和聲輻射分析兩部分。進行橋梁振動分析時，將采用兩種車輛模型:移動荷載列模型和移動質(zhì)量模型。移動荷載模型不

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

9、程為基礎(chǔ)的時域內(nèi)聲場求解方法和以Helmholts方程為基礎(chǔ)的頻域求解方法;并且簡要介紹了應(yīng)用聲學(xué)軟件Virtual.LabAcoustics計算結(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域、頻域兩種分析方法，對橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲邊值問題的研究具有極大優(yōu)勢。
　　本文基于有限元—邊界元理論，進行了高速列車過橋的仿真分析，以此為基礎(chǔ)進行了橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的計算分析。以32m筒支箱梁為模型，移動荷載模型

10、采用兩種:移動荷載列和移動質(zhì)量模型。分別計算橋梁結(jié)構(gòu)的振動特性和橋梁周圍的輻射噪聲。橋梁結(jié)構(gòu)振動特性的計算以車-橋系統(tǒng)動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)分析模塊進行橋梁自振特性的計算分析，然后利用ANSYS動力分析進行列車過橋的瞬態(tài)動力分析。對于橋梁周圍的輻射噪聲的計算，將有限元模型導(dǎo)入聲學(xué)軟件Virtual.Lab Acoustics作為計算網(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)邊界元模塊進行時域聲學(xué)計算，然后利用DSP工具將時域聲學(xué)轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)。此外，通過橋梁跨中附近建立的場點和網(wǎng)格考察周圍聲場特性，也分析了空間聲場的分布狀況。
　　在橋梁振動特性仿真分析階段，移動質(zhì)量模型計算得到的豎向位移響應(yīng)小于移動荷載列模型，但是由于車輛重力的影響，前者計算得到加速度響應(yīng)大于后者，這主要是由于列車運行時直接作用在了頂板上，力和振動響應(yīng)經(jīng)過腹板傳遞到底板，能量得到一定的衰減，所以對底板的影響小

12、于頂板。Virtual.Lab Acoustics時域聲學(xué)的計算則是以節(jié)點的位移響應(yīng)為邊界條件，所以移動質(zhì)量模型的計算聲場大于移動荷載列模型的計算聲場，同一個場點的Z聲級兩者之差最大能達到2.57dB。箱梁底部P1～P4的聲場一般會隨著高度的降低而逐漸衰弱，但是由于地面的反射作用，靠近地面的聲場會出現(xiàn)增大現(xiàn)象;處于距地面1.2m高度的P4～P9場點的聲場一般隨著距橋梁中心線距離的增大而出現(xiàn)衰減趨勢;在距離橋梁中心線25m處P9～P13場

13、點的聲場隨著距離地面高度的增大呈增大趨勢。通過Z聲級頻譜分析可知，底板下方的場點Z聲級頻譜峰值點頻率和底板加速度峰值點頻率基本一致，說明底板下方的聲場主要受底板振動的影響;同樣，箱梁遠方的場點Z聲級頻譜峰值點頻率和頂板加速度峰值點頻率基本一致，說明箱梁項板的振動對遠離箱梁中心線的場點影響更大。
　　本文通過改變橋梁、車輛參數(shù)來研究其對振動和輻射噪聲的影響程度，為指導(dǎo)工程實踐進行減振降噪提供了理論依據(jù)。文章采用移動荷載列模型分析了高

14、速列車通過32m雙線簡支箱梁的振動響應(yīng)和輻射噪聲。通過改變橋梁、車輛的某一個參數(shù)來分析橋梁的振動和噪聲變化，確定其對噪聲的影響程度。橋梁板厚增加，則輻射噪聲減小，反之增大。當板厚減小時，腹板對輻射噪聲的影響程度大于頂板和底板;但當板厚增大時，頂板對輻射噪聲的影響程度更大。通過板塊貢獻量分析，頂板和底板對場點聲壓的貢獻遠遠大于腹板的貢獻量。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，橋梁的動撓度、加速度

15、最大值逐漸減小，而且動撓度、加速度與阻尼比均呈非線性關(guān)系;阻尼比越大振動減小的越慢。場點輻射噪聲與橋梁振動特性變化規(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的過程中，振動逐漸減小，而場點輻射聲壓先減小，從1.25E到1.5E時則出現(xiàn)了增大現(xiàn)象。聲場輻射噪聲計算中，是否考慮地面反射是一個重要的影響因素。通過計算發(fā)現(xiàn)，P4～P9場點考慮地面反射時的A聲級都大于不考慮地面反射時的A聲級，它們在兩種情形下A聲級