高速車輛-橋梁耦合振動與高架橋梁結(jié)構噪聲預測研究.pdf

1、由于高速鐵路在我國快速的發(fā)展和橋梁結(jié)構在我國高速鐵路線路中占比高等原因，高速列車通過高架橋梁時引起的橋梁結(jié)構振動和噪聲輻射問題已成為人們關注的行業(yè)熱點問題之一。分析橋梁結(jié)構的振動和噪聲輻射，對于確保橋梁使用與安全，提高乘坐舒適性，降低高速鐵路運營引起的振動和噪聲對沿線居民和結(jié)構建筑的影響有重要的理論價值和工程應用價值。本文以高速鐵路簡支箱梁橋為研究對象，建立考慮軌道結(jié)構參振的車橋垂向耦合振動模型和高架箱梁橋結(jié)構聲學分析模型以分析橋梁結(jié)構

2、的振動和噪聲輻射。
　　本研究首先建立高速列車車輛-軌道-橋梁耦合動力學系統(tǒng)。將車輛看作具有10自由度的多剛體系統(tǒng)，推導出車輛系統(tǒng)的動柔度；扣件系統(tǒng)和CA砂漿層用線性彈性阻尼單元模擬。將鋼軌看作無限長Timoshenko梁、軌道板簡化為自由-自由的Euler梁、橋梁簡化為簡支Euler梁，從而將軌道-橋梁相互作用系統(tǒng)簡化為疊合梁模型，再利用動柔度的思想求得軌道-橋梁相互作用系統(tǒng)疊合梁模型的動柔度；隨后進一步將軌道板簡化為四邊自由的

3、kirchhoff薄板模型，用有限元方法建立橋梁結(jié)構的有限元模型，從而建立了三維的軌道-橋梁相互作用系統(tǒng)。通過輪軌相互作用關系將車輛子系統(tǒng)和軌道-橋梁相互作用系統(tǒng)耦合成車輛-軌道-橋梁耦合動力學模型。然后利用高速列車車輛-軌道-橋梁耦合動力學模型，求解輪軌幾何不平順激勵下的垂向輪軌動態(tài)相互作用力和軌道、橋梁結(jié)構的動力學響應。又利用虛擬激勵法分析了輪軌隨機不平順激勵下軌道和橋梁結(jié)構的隨機振動。最后利用有限元/邊界元法，以輪軌幾何不平順激勵

4、下的垂向輪軌動態(tài)相互作用力作為載荷，求解橋梁結(jié)構有限元模型的動力學響應，再以橋梁結(jié)構有限元模型的動力學響應為邊界條件分析橋梁結(jié)構的噪聲輻射特性。
　　本研究表明：橋梁結(jié)構的整體振動模態(tài)主要集中在低頻段；在較高的頻域范圍，橋梁主要以局部振動模態(tài)為主，且主要以翼板的陣型為主。板殼單元能夠很好的反映包括頂板、腹板、底板的局部模態(tài)陣型，因此適合用于橋梁結(jié)構的振動及噪聲輻射分析。隨著頻率的增加，鋼軌的垂向動柔度幅值大于軌道板的動柔度幅值，軌

5、道板的動柔度幅值大于橋梁的動柔度幅值。整個頻率范圍內(nèi)，鋼軌的動柔度相位角始終處于負值，而軌道板與橋梁的動柔度相位變化比較復雜，特別是在1000Hz以上隨著頻率的增加呈現(xiàn)較為明顯的震蕩趨勢。鋼軌振動沿縱向的衰減率變化較簡單，在1000Hz以下衰減較明顯而在1000Hz以上衰減較小，軌道板和橋梁的振動沿縱向的衰減率變化較復雜。在車速為250km/h時，在輪軌幾何不平順激勵下或在德國低干擾譜及Sato譜激勵下，車體的垂向振動加速度主要集中在1

6、0Hz以下的低頻段。鋼軌垂向振動加速度主要集中在500~3500Hz頻段，特別是1000Hz左右，而在低頻段很??；軌道板的垂向振動加速度主要集中300Hz~1500Hz的中高頻段；橋梁垂向振動加速度主要集中在300Hz以下的低頻段，在300Hz以上幾乎為零。鋼軌吸振器在其前兩階共振頻率附近對軌道-橋梁相互作用系統(tǒng)的垂向振動產(chǎn)生較明顯的影響，其他頻段幾乎不產(chǎn)生影響。總體上，鋼軌吸振器對鋼軌的振動影響是最大的，對軌道板的影響次之，對高架橋梁

7、的影響最小。橋梁結(jié)構噪聲的聲場分布在橋面上方較橋梁底板下方更有規(guī)律性，且橋面上方聲場聲壓總體上也較橋梁底板下方的大；隨著離橋梁結(jié)構的距離增加，聲場場點的聲壓值減小，且聲場分布也越來越復雜。在低頻段，聲場分布較簡單，隨著頻率的增加聲場分布也越來越復雜，在高頻區(qū)域，聲場分布出現(xiàn)分層現(xiàn)象?？傮w上而言隨著場點距離橋梁結(jié)構距離的增加，聲壓減小，特別是在70Hz左右以下頻段，這種變化趨勢呈現(xiàn)較明顯的線性關系；各場點聲壓在50Hz左右達到最大值；隨著