铁路结合梁桥结构噪声的数值预测与试验验证

基于车-线-桥耦合振动和统计能量分析,提出铁路钢-混结合梁桥车致振动与结构噪声的理论计算方法。车-线-桥耦合振动分析中,采用有限元方法建立梁-板混合模型,计算桥面板的振动能量,代入并求解统计能量平衡方程,得到桥梁各子系统间的振动能量传递,根据桥梁各构件的振动响应计算桥梁辐射的结构噪声。通过对某三跨钢-混结合梁桥辐射噪声进行现场实测,验证了理论预测模型。分析结果表明:结合梁桥结构噪声主要位于20~1 000Hz频段,计算此类桥梁结构噪声时截止频率可以取1 000Hz;计算主跨跨中断面距近轨不超过25m场点的结构噪声时,可忽略邻跨的影响;全频段内下翼缘辐射噪声最小,315 Hz以上频段以腹板辐射噪声为主,315Hz以下频段以桥面板和钢梁腹板辐射噪声为主。     

高速铁路桥梁结构噪声的全频段预测研究(Ⅰ):理论模型

基于车-线-桥空间耦合振动和稳态声辐射的边界元法、统计能量法理论,提出高速铁路桥梁结构噪声全频段预测方法。根据桥梁结构形式,考虑计算规模和效率,确定分析频段限,将整个频域划分为2部分;在不同的频段建立直接/间接边界元和统计能量模型,采用"强耦合"假设简化子系统耦合损耗因子求解;进行车-线-桥空间耦合振动分析,分别计算桥梁和钢轨振动响应作为边界元模型边界输入和统计能量模型能量输入,在不同频段进行稳态声辐射分析,得到桥梁结构噪声全频段结果。并对分析频段划分、边界元法边界输入、"强耦合"假设的验证、统计能量法的能量输入,声反射和声衍射处理等进行探讨。     

高速铁路桥梁结构噪声的全频段预测研究(Ⅱ):试验验证

前1篇系列文章(《铁道学报》2013年第1期,作者:李小珍,等)基于车-线-桥空间耦合振动和稳态声辐射的边界元法、统计能量法理论,提出高速铁路桥梁结构噪声的全频段预测方法。本文以32m双线混凝土简支箱梁为例,将数值仿真分析与现场试验结果进行对比,验证理论模型的可靠性。分析结果表明:该箱梁的结构噪声主要出现在200Hz以下,沿垂直于线路方向的传播较远;噪声峰值出现在中心频率50Hz的频带,且在某些速度下具有明显的有调性;梁缝处的共鸣声较大,出现在中心频率315Hz的频带,沿垂直于线路方向的衰减较快。进行降噪处理时,可优先从噪声峰值频率入手,降低峰值频率处的结构噪声将更为有效。     

铁路32m混凝土箱梁结构噪声的时变特性研究

基于车-线-桥耦合振动和瞬态声辐射理论,提出一种混凝土箱梁低频结构噪声的数值预测方法 ,以分析结构噪声的时变特性。采用板/壳单元模拟箱梁,求解车-线-桥耦合振动系统,得到时域内箱梁局部振动响应。将该响应作为声辐射模型的边界条件,采用瞬态边界元法求解结构噪声场。以32m混凝土简支箱梁为例,将计算结果与实测数据进行对比验证。结果表明:计算值与实测值在时域和频域内均吻合良好;振动与噪声的1/3倍频程显著频带分别为31.5~63Hz和40~80Hz;振动响应大小由作用在箱梁上的轮对数决定,不同时刻振动响应的频谱特性变化较小;邻跨声辐射的影响不可忽略,简化分析中可取两跨计算。     

城市轨道交通公轨合建钢箱梁桥辐射噪声的影响规律研究

列车经过钢箱梁桥时引起噪声辐射问题相比混凝土桥更为突出,对沿线居民造成的影响更大,严重影响沿线居民的日常生活。基于车辆-轨道-桥梁耦合振动理论,并结合统计能量法(SEA)建立钢箱梁结构噪声与轮轨噪声预测模型,分析钢箱梁桥的结构噪声与轮轨噪声衰减规律,明确典型及敏感场点处的噪声分布情况;定量预测分析不同轨道减振措施对钢箱梁桥周边敏感场点的噪声辐射大小。分析结果表明：钢箱梁轮轨噪声与结构噪声随水平距离的衰减规律基本一致,衰减率均为随着距离变远而变小,150 m内总衰减率轮轨噪声大于结构噪声;普通轨道结构及普通轨道结构+全封闭声屏障工况下,敏感位置处综合噪声不满足噪声增量在1 dB(A)以内的环评要求,减振垫浮置板与全封闭声屏障组合及钢弹簧浮置板与全封闭声屏障组合工况下,敏感位置综合噪声均能满足噪声增量在1 dB(A)以内的环评要求。     

高速铁路下承式钢桁结合梁桥在偏载作用下的受力特性分析

以京沪高速铁路64 m简支下承式钢桁结合梁桥为对象,采用作者曾经提出的空间板梁单元和常规板壳单元、空间梁单元和空间桁单元离散结构,对其在偏载荷载作用下的受力特性进行空间有限元分析,计算主桁、混凝土板和纵、横梁的应力和位移。结果表明:该桥在偏载荷载作用下符合强度刚度要求。     

高速铁路纵横梁体系结合桥面横梁面外弯曲问题的研究

中国大跨度高速铁路钢桁梁桥大多采用钢-混凝土结合桥面,横梁的面外弯曲是设计中的关键问题之一.本文针对高速铁路混凝土板仅与纵梁结合的纵横梁体系,从结合桥面系变形协调出发,推导出横梁面外弯曲问题的计算公式,并结合算例分析各种因素对横梁面外弯曲问题的影响.桥面系的连续长度和下弦杆的轴应力越大、下弦杆结点对于横梁的约束刚度越大、纵梁与下弦杆的距离越小,横梁的面外弯矩和弯曲应力越大.在四线铁路三主桁下承式钢桁梁桥中,中桁对横梁的约束近于绝对刚性,纵梁离中桁下弦杆的距离较小,使横梁的面外弯曲应力较二主桁桥梁大得多.     

高速铁路32m简支槽形梁桥结构噪声分析

运用车桥耦合动力理论并结合基于间接边界元法的噪声分析方法,对高速铁路32m简支槽形梁桥结构噪声的声辐射特性进行研究。结果表明:简支槽形梁的抗扭刚度小,抗扭性能弱;6.3 Hz以下频率的振动噪声主要由梁体的整体振动产生,6.3Hz以上频率的振动噪声主要由梁体构件的局部振动产生,振动噪声受构件的局部振动影响显著,声压级峰值频率为25 Hz;横桥向,随着距桥梁中线距离的增大,场点声压级逐渐变小,距离每增大5m声压级平均降低1.2~2.5dB;梁下区域距桥梁中线15m范围内,行车侧声场声压级大于非行车侧,10m处行车侧场点声压级平均大1.87dB,距桥梁中线25m范围以外,行车侧声场声压级小于非行车侧,30m处行车侧场点声压级平均小1.46dB;底板的声压贡献系数要比腹板和翼板大的多,远场声压主要受底板的影响;地面附近的噪声基本由底板产生;应当有针对性的采取措施改善结构的振动噪声性能。     

基于FE-SEA混合法的车内结构噪声预测分析

为分析预测高速列车车内结构噪声,本文基于声固耦合理论,结合有限元法(FE)、统计能量分析法(SEA)的优点,采用FE-SEA混合法建立车体-车内声腔耦合车内结构噪声预测模型,分析在垂向二系悬挂力作用下车体结构振动响应、0~500Hz频段车内结构噪声及车体各组成部分对车内结构噪声的贡献度。分析结果表明:混合FE-SEA模型能够准确预测车体结构振动及车内结构噪声,具有较高的计算效率;在垂向二系悬挂力作用下,车内各部位噪声值相差较小,其变化趋势与二系悬挂力变化趋势一致;车体振动在低频段较明显,车体底板振动加速度、速度最大,对车内结构噪声的影响最大,可通过对底板采取减振措施降低车内结构噪声。     

高速铁路列车运行噪声特性研究

在对我国高速铁路噪声实测的基础上,分析了我国高速铁路噪声的特性。动车组高速运行时,在桥梁区段峰值均出现在低频段（f=31．5～63Hz）;路基区段的噪声频谱呈宽频特性,在低频段（f=31．5—63Hz）和中高频段（f=500—8000Hz）声能量均较为集中。高速铁路列车辐射噪声随速度的关系式与国外辐射噪声随速度的关系基本一致,当高速动车组运行速度大于300km／h后,轮轨噪声、空气动力噪声和集电系统噪声成为主要声源。高速列车辐射噪声几何衰减基本遵守距离加倍,声级衰减3—4dB（A）的规律。     

轨道交通轮轨噪声预测与控制的研究

运用车辆-轨道耦合动力学理论、噪声辐射与传播理论，建立轮轨噪声预测模型，开发轮轨噪声预测软件。车轮采用LOVE圆环模型，钢轨采用Timoshenko梁模型，轮轨接触采用Hertz非线性弹性接触，实现了在同一个模型中同时对轮轨冲击噪声与轮轨滚动噪声的综合预测。以结构的声辐射比为纽带，将构件的振动与声辐射联系起来；考虑轨道面、地面等表面的反射作用以及路肩、桥面和声屏障等障碍物边缘的衍射作用模拟噪声的传播，最终得到受声点的噪声。     

轨道交通槽形梁结构低频噪声预测与优化

为降低轨道交通槽形梁在列车动荷载作用下辐射的低频噪声,以轨道交通30m简支槽形梁为研究对象,基于车桥耦合分析模型,利用有限元法和声传递向量法计算分析槽形梁辐射的结构噪声及其特性。利用中心组合试验设计方法,建立槽形梁结构低频噪声优化的响应面模型,利用序列二次算法求出槽形梁结构声学最优的截面尺寸。结果表明:槽形梁结构振动与噪声的峰值频率在63 Hz附近,其与轮轨耦合振动的峰值频率有关,当频率为63Hz时,槽形梁结构噪声的辐射范围最广,衰减最慢。槽形梁结构噪声辐射的主要区域为槽形梁的上部和下部,且槽形梁上部区域的结构噪声大于下部区域。优化后的槽形梁底板厚度为0.294m,腹板厚度为0.244m。优化后槽形梁声场场点的总声压级可降低3dB左右,且面声场的整体降噪效果也较好。     

轨道交通槽形梁结构振动与噪声特性研究

为研究轨道交通槽形梁结构振动与噪声的特性,基于车辆-轨道耦合动力学模型,利用有限元和边界元法分析槽形梁结构的声振特性,得到槽形梁底板的垂向振动加速度振级和腹板的横向振动加速度振级的峰值频率均为63 Hz;槽形梁结构噪声的线性声压级的峰值频率在31.5~80 Hz之间,且离桥梁的距离越远,场点的最大线性声压级越小。研究结果表明:采用固支边界条件的槽形梁结构自振频率较大,且具有显著的减振降噪效果,结果可为轨道交通槽形梁的结构声学优化提供理论参考。     

高速铁路32m简支箱梁声辐射特性研究

将列车-轨道-桥梁耦合振动理论与声辐射分析边界元法相结合,分析高速铁路32m单箱单室和单箱双室箱梁声辐射特性。结果表明:单箱单室箱梁动力响应均大于单箱双室箱梁,2种截面梁型在10～100Hz范围内振动密集,表现出结构局部振动特性,须采用板单元进行动力分析;箱梁结构噪声以低频为主,分布在小于250Hz频带内,适合采用边界元法求解;各场点声压级在梁底空间变化较小,距离每增加2m,声压级平均降低1.2dB,越靠近地面,声压级衰减越小;各场点声压级随与桥梁中心线距离的增大而减小,距离每增加9m,声压级平均降低3.7dB;距桥梁中心线25m处,各场点声压级随距地面高度增加而减小;行车速度为160～240km/h时,单箱单室箱梁比单箱双室箱梁声压级平均大14.2～4.3dB,速度越高,声压级差别越小。     

箱型桥梁结构的面板声学贡献分析

以高速铁路32 m混凝土简支箱型桥梁为研究对象,通过有限元软件建立了轨道-桥梁分析模型,采用车辆-轨道-桥梁耦合振动理论,分析了桥梁结构的竖向振动,并将得到的竖向振动响应作为边界条件,导入到箱梁边界元模型中预测箱梁结构噪声。同时基于面板声学贡献分析理论,进行了箱梁梁体的面板声压贡献分析和声功率贡献分析,确定箱梁梁体辐射噪声的最大部位。研究结果表明:列车以200 km/h的速度运行在高架轨道上时,箱梁梁体辐射噪声主要集中0-100 Hz范围内,其中在20 Hz和42 Hz左右有比较突出峰值。同时由面板声学贡献分析可知箱梁梁体主要辐射噪声的部位是箱梁的顶板和两侧翼缘板下面板。     

高速铁路下承式结合梁系杆拱桥桥面结合方式

针对高速铁路下承式结合梁系杆拱桥,通过有限元分析,对纵横梁桥面系和密布横梁桥面系2种结合方式、混凝土桥面板不同的分块方式等问题进行研究。结果表明:纵横梁桥面体系在纵横梁交点处存在应力突变,其横梁应力较密布横梁高。对于密布横梁方案,随着混凝土断缝数量的增多,系梁挠度增幅不大,系梁和拱肋内力变化不大,但横梁应力有所降低,混凝土桥面板的整体应力大致呈降低趋势;在施工上,密布横梁体系比纵横梁体系简单方便。对于128 m跨度双线下承式钢系杆拱桥的桥面结合方式,建议采用密布横梁体系,桁距16 m,混凝土桥面板设置断缝,按5节间(25 m 27 m 24 m 27 m 25 m)布置。     

轨道交通简支箱梁桥振动传递特性分析

基于某地铁高架线的简支箱型梁桥,建立轨道-桥梁振动传递特性分析模型,研究简支梁跨度、轨下刚度、桥上轨道结构形式以及箱型梁断面等因素对高架桥梁结构与噪声辐射相关的振动传递特性的影响。结果表明,简支梁跨度的变化不影响与噪声辐射相关的振动,而减振扣件可在90 Hz以上发挥减振降噪作用;加厚箱梁顶板和腹板能在一定程度上减小箱梁的振动和辐射噪声,用多腔室箱梁代替单箱室箱梁可显著减小振动及辐射噪声。分析结果可为城市轨道高架桥梁结构的设计和选择提供一定的理论参考依据。     

基于瞬时边界元的轨道交通高架槽形梁桥声辐射特性及影响分析

为了精准预测列车通过轨道交通高架槽形梁桥时诱发的结构噪声,分析梁底板厚度对声辐射的影响,结合有限元-瞬时边界元法,采用多体动力学软件SIMPACK和有限元软件ANSYS协同联合仿真分析法,建立了车桥耦合系统振动分析模型以及槽形梁结构声辐射有限元/边界元模型。分析了列车荷载作用下槽形梁桥的声辐射特性,探讨了底板厚度对槽形梁结构噪声的影响。研究表明:地铁列车以80km/h的时速通过槽形梁桥时,桥面板的振动及桥梁结构噪声主要集中在底板附近;随着底板厚度的增加,槽形梁桥结构辐射噪声近声场处降低较为显著,对结构远声场有一定程度的影响。分析结果可为轨道交通槽形梁结构减振降噪提供一定的参考。     

钢轨声辐射特性的数值计算方法

声辐射系数是轮轨噪声预测的重要参数,用边界元方法预测声辐射系数,并以钢轨为例,计算了垂向和横向声辐射系数。计算结果表明:625 Hz以下,钢轨的横向、垂向声辐射系数随频率呈线性变化;1000 Hz以下钢轨的横向声辐射系数强于垂向声辐射系数;1000 Hz以上垂向声辐射系数大于横向声辐射系数,垂向声辐射系数在1000 Hz以上有两个峰值,分别在2000 Hz和5000 Hz;在1500 Hz~3000 Hz范围内钢轨垂向声辐射系数较大,这个频率内以垂向振动对声的贡献最大,这也是钢轨噪声的主要贡献频率;在5000 Hz附近要弱于2000 Hz附近的声辐射系数。该方法能很好地预测结构的声辐射系数,较好地解决了振动与噪声之间的联系问题,为轮轨噪声预测开辟了一条途径。     

不同跨径的轨道交通槽形梁声振特性分析

为研究不同跨径的轨道交通槽形梁结构振动与噪声的特性,基于车辆-轨道耦合动力学模型,利用有限元和边界元法分析跨径对槽形梁结构声振特性的影响。研究结果表明:随着桥梁跨径的增大,槽形梁的横向和竖向自振频率都会减小;不同跨径的槽形梁结构振动与噪声的峰值频率都在63 Hz附近;最后分析得出跨度为27 m的轨道交通槽形梁的声学性能最好,这为轨道交通槽形梁的减振降噪设计提供一定的理论参考。