高速铁路箱梁桥-声屏障结构振动噪声初探

声屏障是轨道交通重要的降噪措施之一,但在列车经过时声屏障同样会产生振动成为向外辐射噪声的声源.以内折型声屏障为研究对象,将其简化为适用于声学计算的板壳单元,通过建立高架线路结构的有限元模型,以中国高速铁路无砟轨道谱作用下的声屏障以及箱梁桥-声屏障的动力学响应作为声学边界条件,基于有限元-边界元理论分别求解单独声屏障和箱梁桥-声屏障的声辐射特性,初步探究了声屏障对高架路段结构声辐射的影响,在此基础上进一步考虑了地面反射的作用.研究结果表明:声屏障的振动形式主要表现为水平局部振动以及垂向整体振动,水平局部振动对自身结构噪声辐射的影响最大,其结构噪声集中在0～180 Hz的低频段,与桥梁结构噪声频率范围重合度较高;桥梁上安装声屏障后的振动分布发生明显地改变,使得声压在部分频段内降低,周围声场的分布也发生了明显变化而且总体上声压增加了1～2 dB;刚性地面的反射会使整个声场的声压增大,声压增加值最大可达5 dB.因此,声屏障对高架线路的整体结构声辐射能够产生很大的影响,考虑地面反射的作用后更加显著.     

高速铁路板式轨道结构参数对轮轨噪声的影响

为了降低轮轨噪声,利用轮轨噪声预测模型与软件STTIN(Simulation of Train/Track In-teraction and Noise),分析了板式轨道结构参数对轮轨噪声的影响。发现以下规律:轨下胶垫刚度大于200 MN.m-1时,轮轨噪声水平显著上升;当轨下胶垫阻尼值偏离100 kN.s.m-1时,噪声将增大;改变板下支承刚度,轮轨噪声基本不变化;增加轨道板质量,轮轨噪声降低。结果表明,轨下胶垫的刚度与阻尼是影响轮轨噪声的主要因素,而轨道板质量次之,轨道板下支承刚度对轮轨噪声基本无影响。     

桥梁截面形式对轨道交通高架噪声的影响

城市轨道交通高架一般采用预应力混凝土简支梁,其截面形式不但直接影响桥梁振动及其结构声辐射,还间接影响轮轨噪声的传播. 为给低噪声轨道交通的高架桥梁截面选型提供依据,本文采用功率流方法计算轮轨滚动激励引起的轨、桥空间平均振动均方速度,结合声有限元-无限元方法分析钢轨噪声和桥梁结构噪声的产生与传播,对比研究了某U型梁、单箱单室梁及双箱双室梁的振动及其声辐射的差异. 结果表明:桥梁截面形式对钢轨振动影响很小,但明显影响钢轨噪声辐射;截面形式对桥梁振动及结构噪声的影响均很大. 就钢轨噪声而言,U型梁相比箱形梁小1～3 dB(A);但在桥梁结构噪声方面,单箱单室梁较U型梁小2～10 dB(A),双箱双室梁较单箱单室梁可再减小2～6 dB(A).      

高速铁路桥上无砟轨道减振层刚度的动力学影响分析

为了降低高速铁路桥上结构的振动与噪声水平,以我国CRH2型高速车辆和32 m跨度高速铁路简支箱梁及CRTS I型板式无砟轨道为对象,建立高速车辆-无砟轨道-桥梁耦合振动分析模型,分析比较了不同行车速度下无砟轨道减振层刚度对车轨桥系统动力响应的影响,为桥上减振型板式轨道动力学参数设计提供参考。计算结果表明,桥上采用减振型板式轨道可显著降低轨道板垂向振动加速度,在本文计算条件下其最大加速度幅值较无减振层时减小了57%以上;减振型板式轨道能稍微降低轮轨动力作用,可减小简支箱梁垂向振动加速度20%左右;较低的减振层刚度增大了轨道板垂向振动位移,不利于高速行车安全,而过大的减振层刚度不能有效降低轨道结构振动,综合考虑后建议桥上减振型板式轨道弹性垫层刚度在100~200 MN/m3之间选取。     

燃料电池轿车车内噪声仿真分析研究

建立了燃料电池轿车声固耦合有限元模型,以氢泵和驱动电机的振动加速度频谱为边界条件对模型进行了车内噪声声固耦合频率响应分析,峰值频率值与实验值吻合较好;在其中2个峰值频率上进行板件声学贡献分析,确定了影响车内噪声最主要的板件;通过对该板件的优化改造,降低了车内噪声.     

腹板开孔对轨道交通箱梁振动噪声的影响

实测了城市轨道交通简支箱梁各板件的振动与近场噪声, 结合板件声辐射理论研究了箱梁结构振动辐射噪声和箱梁振动的关系; 基于箱梁结构噪声易产生绕射的低频特性, 计算了矩形混凝土板件在不同开孔工况下辐射的结构噪声变化情况; 在考虑箱梁腹板开孔的基础上建立了车辆-轨道-箱梁耦合有限元模型和箱梁振动-结构噪声有限元-无限元模型, 分析了箱梁腹板开孔前后各板件的振动和结构辐射噪声变化情况。研究结果表明: 箱梁板件声辐射效率随频率的增加并不呈现线性关系, 箱梁各板件近场低频(低于250 Hz) 辐射噪声与结构振动加速度级也并非简单的线性关系, 箱梁辐射噪声由箱梁振动和箱梁各板件声辐射效率共同决定; 对于两端简支的开孔板件, 在开孔率基本一致(0.4%左右) 的情况下, 开孔直径越小, 板件振动辐射噪声声压级越小; 采用有限元-无限元方法模拟箱梁近场低频结构噪声, 既能解决单独采用有限元法时声场边界反射的影响, 也避免了采用有限元-边界元方法时多软件交叉使用的不便; 腹板开孔虽然增加了箱梁板件在某些频率(100~125 Hz) 处的振动响应, 但由于箱梁内、外部声场连通, 使得声短路效应增加, 降低了板件的声辐射效率和相应频段的噪声; 腹板开孔后在1~250 Hz频段内顶板、底板和腹板附近的总声压级分别降低了9.43、2.74和1.63 dB, 从而使箱梁结构噪声得到了控制。      

某内燃机车司机室声固耦合噪声仿真分析

建立某内燃机车的白车身声固耦合有限元模型,对司机室的结构模态、空腔的声学模态以及声固耦合模态进行了分析计算,并在柴油机安装梁处施加单位激励载荷,对司机室前200 Hz的振动及声场响应进行计算分析.针对声场响应的仿真计算结果对声压的峰值产生的原因进行了详细的分析.结果表明:在91、119、131、143、170、198 Hz处由于司机室壁板共振产生了明显的声压峰值,在116、131、143以及164Hz处由于声固耦合使得声压级骤增,需要在实际操作中对该频域加以控制.     

刚构桥上无砟轨道无缝线路静力特性分析

针对刚构桥上无砟轨道无缝线路的受力与变形进行研究，以梁-板-轨相互作用原理为基础，分别建立刚构桥上CRTSⅢ型板式和CRTSⅠ型双块式无砟轨道无缝线路空间耦合模型，计算伸缩、挠曲、制动、断轨工况下轨道结构和桥梁纵向力及位移，并对两种轨道结构静力特性进行对比分析，为刚构桥上无缝线路轨道结构设计提供参考。结果显示：在温度荷载、列车荷载作用下，采用CRTSⅠ型双块式轨道结构时钢轨纵向力更小，但轨板相对位移增幅明显，可能产生安全隐患；在列车制动荷载工况下，采用CRTSⅢ型板式轨道结构时钢轨纵向力与轨板相对位移均更小；在断轨工况下，采用CRTSⅠ型双块式轨道结构时断缝值超过了规范容许限值。建议在刚构桥上采用CRTSⅢ型板式无砟轨道。     

高速铁路桥梁全封闭声屏障结构噪声特性

开展了高速铁路桥梁和桥梁-全封闭声屏障典型结构断面的振动和噪声测试,建立了高速铁路桥梁-全封闭声屏障系统结构噪声的快速多极边界元法(FMBEM)数值预测模型,深入分析了板件的车致振动与结构噪声辐射的相关性和时频特性,并以此验证了FMBEM数值预测模型求解结构噪声的准确性;对比分析了有、无全封闭声屏障工况下32 m简支箱形梁桥结构噪声的空间和频域分布特性,并比较了FEBEM与边界元法(BEM)的计算效率。分析结果表明:桥梁-全封闭声屏障系统板件的振动与噪声的频谱分布规律基本一致;受全封闭声屏障隔声作用和梁体遮蔽作用的影响,距箱梁底板表面0.3 m处测得的噪声信号基本反映了底板的结构噪声特性,其余测点则不同程度地受到其他板件或轮轨系统辐射噪声的影响;计算与实测噪声的幅频特性吻合较好,峰值处计算误差在1.5 dB以内;全封闭声屏障的安装导致桥梁板件的振动和结构噪声均减小,也改变了桥梁周围的声场分布特性,桥梁板件表面场点的总声压级降低了0.8 dB,梁体下方地面场点总声压级增大了4.1~9.4 dB;梁体斜上方场点总声压级增大了9.6~18.1 dB,桥梁-全封闭声屏障结构顶部局部区域的结构噪声比无声屏障的桥梁大12.4 dB以上;FMBEM计算耗时为传统BEM的1/3,计算更为高效。      

城市轨道交通桥梁-声屏障系统结构噪声特性与预测

针对列车通过城市轨道交通高架时引起的桥梁-声屏障系统结构噪声问题，在某市域铁路箱梁段分别选取无声屏障和直立式声屏障地段，开展噪声现场测试；通过对比无声屏障和直立式声屏障地段的测试结果，分析了箱梁-声屏障系统结构噪声的频谱特性；基于有限元-边界元法，建立了箱梁-声屏障系统振动声辐射数值计算模型，研究了箱梁-声屏障系统结构噪声的空间分布规律，探讨了车速和声屏障高度对箱梁-声屏障系统结构噪声的影响。研究结果表明:当列车以约93 km·h-1的速度通过时，直立式声屏障对高频轮轨噪声起到了很好的降噪作用，但会使低频结构噪声增大；声屏障结构噪声的影响主要集中于160 Hz以下的低频段，箱梁-声屏障系统结构噪声的峰值出现在63 Hz左右；箱梁-声屏障系统结构噪声呈现出近场随距离衰减较快，远场随距离衰减越来越慢的趋势，箱梁正上方和正下方的结构噪声均超过96 dB，距离桥梁中心线120 m处的结构噪声衰减至72 dB；声屏障结构噪声对于梁侧声场的影响较大，与无声屏障地段相比，设置了高度为3.15 m的直立式声屏障之后，梁侧结构噪声增大了2~5 dB；当车速由93 km·h-1增大到120 km·h-1时，箱梁-声屏障系统结构噪声辐射在梁侧最大增加7 dB以上；当声屏障高度由3.15 m增大至6.3 m时，箱梁-声屏障系统结构噪声辐射在梁侧最大增加3 dB以上。      

城轨高架环境噪声特性与不同频段能量

测试了某城市地铁1号线一期高架线路普通整体道床无声屏障和道床垫式浮置板道床全声屏障区段的桥侧环境噪声, 分析了桥侧各测点的A计权总声压级与1/3频程线性声压级, 绘制了线性声压级云图, 研究了各频段噪声能量比例。分析结果表明: 道床垫式浮置板道床全声屏障能有效降低噪声源强处与桥侧环境噪声, 降噪效果、能量分布与频段和测点位置有关; 在桥面高度相近的测点, 降噪效果随距线路中心线距离的增大而减小, 而在近地面的测点, 降噪效果随距线路中心线距离的增大而增大; 降噪效果在中高频段明显大于低频段; 在1/3频程中心频率为20.0~31.5 Hz时, 距离线路中心线55.0 m处, 道床垫式浮置板道床全声屏障区段的线性声压级较普通整体道床无声屏障区段大0.82~6.96 dB; 在普通整体道床无声屏障区段, 在高出地面1.2、9.8 m处, 噪声能量以低于200 Hz为主, 在高出地面11.3 m处, 噪声能量以250~400 Hz为主, 在高出地面12.8 m处, 噪声能量以400~1 000 Hz为主; 在高出地面11.3 m处与200 Hz以下范围内, 普通整体道床无声屏障和道床垫式浮置板道床全声屏障区段的噪声能量持平; 在道床垫式浮置板道床全声屏障区段, 低于200 Hz的桥侧噪声能量较高, 因此, 建议根据高架桥旁敏感点的具体位置采取针对性减振降噪措施, 并重点关注低频噪声失去中高频噪声的遮蔽后尤显突出的问题。      

高速列车对站房振动噪声影响的试验研究

为研究列车通行对综合交通枢纽振动噪声的影响，以成渝高铁沙坪坝站为工程背景，通过现场试验实测了站房候车厅、站台、轨道板的振动加速度以及候车厅、站台区域、轨行区的辐射声压. 通过对实测信号分别进行了时域分析和1/3倍频程分析，探究了列车作用下站房的振动传递规律及噪声辐射特性. 结果表明:在列车运行荷载作用下，站房与站台的结构振动优势频段为10.0～80.0 Hz，振动随振源距离的增大而减小，站台到候车厅总振级衰减最大值达到13.5 dB；轨道板峰值振动加速度级出现在400.0 Hz处，约为101.0 dB；对候车厅而言，噪声声压级的优势频段为20.0～2 500.0 Hz，列车进站总声压级比列车出站高0.5～1.3 dB（A）；对站台而言，噪声的优势频段为125.0～1 000.0 Hz，列车出站总声压级为86.3 dB（A），比列车进站时高1.3 dB（A）；对轮轨噪声自身，其优势频段为200.0～2 500.0 Hz，列车进站噪声总声压级为91.1 dB（A），较列车出站时高3.2 dB（A）.      

现代有轨电车不同轨道的振动传递特性试验研究

为探讨现代有轨电车不同轨道的振动传递特性，以某市现代有轨电车为例，对3种不同的轨道（未采取减振处理的普通轨道、安装弹性包覆材料的普通轨道和嵌入式轨道）进行测试. 基于锤击试验原理，获取了钢轨振动衰减率、轨道各部件的频响特性和插入损失，并与其它减振轨道进行了比较. 结果表明:嵌入式轨道的钢轨振动衰减率表现出明显的频率相关性，其在1 600 Hz频带可达5.9 dB/m；嵌入式轨道的第1个钢轨共振点出现在频率160 Hz附近，其频响函数幅值和共振频率均比未采取减振处理的普通轨道小；总体上，与安装弹性包覆材料的普通轨道和其它减振轨道相比，嵌入式轨道在中高频表现出更好的钢轨纵向减振效果，故理论上能够对轮轨噪声起到良好的抑制作用.      

客货共线砂浆离缝高度对轨道结构的动力影响

客货共线条件下CRTS I型板式无砟轨道CA砂浆与轨道板普遍存在离缝,为了得到CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响规律,基于车辆-轨道耦合动力学以及子结构模态叠加法,将ANSYS计算的轨道部件子结构的自振特性输入SIMPACK,使用力元连接轨道各部件形成轨道系统,通过轮轨接触面及柔性钢轨节点间的位移和力的数据传递,实现列车和轨道子系统的耦合,建立了含CA砂浆离缝的CRTS I型板式无砟轨道的垂向耦合模型,研究了客货混运条件下CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响. 研究表明:随CA砂浆离缝高度增大,钢轨动态位移、轨道板振动响应及CA砂浆动应力均显著提高;当CRH380通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.24 mm和0.27 mm,轨道板在25 Hz处振级分别增大了21.0 dB和21.7 dB,离缝根部砂浆最大动应力均达到0.2 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响趋于平缓;当SS7E通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.48 mm和0.66 mm,轨道板在8 Hz处振级分别增大了15.5 dB和19.4 dB,离缝根部砂浆动应力分别达到0.24 MPa和0.36 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响仍有较大的增长.      

CRTSⅡ型板式轨道底座板后浇带脱空对轨道结构与行车的影响

在不间断行车情况下, 采用超高压水射流法对桥上CRTSⅡ型板式轨道底座板后浇带进行修复; 建立了CRTSⅡ型板式轨道结构静力计算模型, 分析了底座板后浇带不同脱空长度对钢轨、轨道板垂向位移与轨道板拉应力的影响; 建立了车辆-轨道耦合动力计算模型, 分析了底座板后浇带完全脱空长度为1.0 m时, 正常行车对轨道结构、行车安全与舒适性的影响。计算结果表明: 在1.5倍静轮载作用下, 随着后浇带脱空长度增大, 钢轨与轨道板垂向位移随之增大, 当底座板后浇带完全脱空长度为1.0 m时, 钢轨和轨道板的垂向位移均增大了0.03 mm, 说明完全脱空对其垂向位移影响较小; 后浇带脱空长度分别为0.7、0.8、0.9、1.0 m时, 轨道板的最大拉应力分别为0.96、1.12、1.18、1.22 MPa, 后浇带完全脱空时轨道板的最大拉应力小于其抗拉强度设计值1.96 MPa, 轨道板不会开裂; 列车运行速度为300 km·h-1, 后浇带完全脱空长度为1.0 m时, 钢轨和轨道板的最大垂向位移分别为0.91、0.32 mm, 均小于《高速铁路工程动态验收技术规范》 (TB 10761—2013) 中钢轨和轨道板垂向位移的基准值1.5、0.4 mm, 说明后浇带脱空后正常行车对轨道结构不会造成较大的影响; 后浇带完全脱空时, 轨道板垂向加速度约为正常时的3倍, 说明正常行车将会增大下部基础的振动强度。静、动力分析结果表明, 采用超高压水射流法修复底座板后浇带可允许列车以正常速度通行。      

紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用

为了优化坡道上钢弹簧浮置板轨道的设计, 在考虑轮轨纵向作用关系与钢弹簧浮置板轨道特点的基础上, 运用多体动力学理论和有限元法建立了紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用模型, 利用多体动力学软件UM验证了模型的有效性, 分析了车辆与轨道的动力响应。研究结果表明: UM软件与本文模型计算得到的车体纵向加速度和轮轨纵向力平均相对误差分别为1.3%、2.8%;在紧急制动过程中, 车体始终处于向前点头和纵向振动的状态, 导致前轮增载, 后轮减载; 由于板与板之间不连续, 钢轨和浮置板之间会产生纵向相对错动, 须注意钢轨与浮置板之间不协调的纵向变形; 间隔2组扣件布置一对隔振器方案(方案1) 所得板端钢轨垂向位移比板中大0.2 mm, 间隔2组扣件布置一对隔振器, 再间隔3组扣件布置一对隔振器方案(方案2) 所得板端钢轨垂向位移比板中小0.5 mm; 2种布置方案下, 轨道纵向变形相差不超过5%, 扣件和钢弹簧受到的纵向作用力相差不超过15%;短波轨道不平顺显著加剧了钢轨和浮置板的垂向振动效应, 不平顺状态下钢轨最大垂向加速度可达15g左右; 钢弹簧浮置板轨道可以降低传递到基础底部的垂向振动, 加速度降幅约为0.2 m·s-2, 但会显著放大低频段钢轨、浮置板的垂向振动, 振动量增幅约为15 dB。      

高速铁路半封闭式声屏障降噪效果测试与分析

当前半封闭式声屏障逐渐在高速铁路工程中得到了应用,但其在运营状态下的实际降噪效果研究还极其有限.为此,以沪昆客专杭长段半封闭式声屏障为工程背景,分别在声屏障内、外表面,以及封闭侧和敞开侧不同距离处布置测点,监测高速列车通过时的噪声,并对场点的声压级频谱、声场分布、衰减规律、隔声量和插入损失等声学特性进行讨论.结果表明:多重反射造成的混响效应使得半封闭式声屏障内表面的噪声有所增大;距封闭侧线路中心7.5 m处,高位测点比低位测点声压级大,而其他位置不同高度测点在垂向的指向性不明显.半封闭式声屏障的隔声量随频率增加而增大,在1 000 Hz处最大约26 dB;距轨道中心线7.5 m和25 m处的插入损失均值为16.5 dB（A）和15.5 dB（A）.      

城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声试验

为探明城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声对沿线环境的影响,以某城市轨道交通高架钢轨波磨地段为研究对象,开展了列车以不同速度通过时的振动与噪声现场测试;基于测试结果分析了车速对城市轨道交通高架振动与噪声的影响,研究了城市轨道交通高架噪声的空间分布特性,解释了城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动与噪声峰值产生的原因。研究结果表明:当列车分别以20、40、60、80、100和110 km·h-1的速度通过城市轨道交通高架钢轨波磨地段时,距线路中心线7.5 m、高于轨面1.2 m处的声压时程峰值分别约为0.6、0.9、1.3、1.9、2.3和3.3 Pa;轨面以上区域主要受轮轨噪声的影响,而梁体下方区域则主要受桥梁结构噪声的影响;轮轨噪声与车速之间存在着很强的线性相关性,而桥梁结构噪声与车速之间的线性相关性则略低,车速每增大10 km·h-1,轮轨噪声和桥梁结构噪声分别约增大1.7和1.1 dB;不同车速下城市轨道交通高架噪声随距离的衰减规律基本一致,测点与线路中心线的距离每增大1倍,测得的噪声约减小4.33 dB;钢轨波磨对城市轨道交通高架轮轨噪声的影响较为显著,钢轨波磨的波长决定了列车以不同速度过桥时钢轨振动加速度的峰值频率,进而影响轮轨噪声的峰值频率;城市轨道交通高架结构噪声的峰值频率主要与其自身的振动特性有关,与车速和钢轨波磨的关系并不大。      

基于综合指数法的无砟轨道配筋方案检算与分析

为优化无砟轨道配筋后结构受力的均衡性,基于综合指数法提出了轨道配筋检算评估方法,选取形状改变能密度与高斯曲率作为评价分量构造了量化的配筋检算指标;建立了无砟轨道配筋检算有限元模型,以CRTSⅢ型普通板式无砟轨道板配筋为例,研究了不同钢筋排布方式对无砟轨道板整体受力性能的影响. 研究结果表明:相较传统应力变形指标,构建的综合指数指标能够凸显轨道板的不均匀受力区域;配筋时在轨下位置额外密布钢筋能够提升轨道板抵抗垂向车辆荷载的能力;局部配筋过于集中的方案会降低轨道板适应温度荷载的能力;在升温荷载作用下其轨道板端部的综合指数较最优工况时至少增大了1倍;综合来看,钢筋直径较大、排列稀疏的方案受力均衡性较差,无砟轨道板应选择钢筋直径较小、排列密布且轨下位置适当加密的配筋方案.      

Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响

为了研究高速列车荷载作用下,Ⅰ型轨道板端部与CA砂浆层间的离缝现象对钢轨、轨道板及车辆的力学性能的影响,建立了车辆-Ⅰ型板式轨道垂向耦合动力学分析模型.以轮轨力、钢轨位移及加速度、轨道板位移,拉应力及加速度、车辆加速度为评价指标,分析了不同离缝长度和高度工况下上述指标的变化规律.研究结果表明:板端离缝长度越短,轨道板越容易脱空受力;轨道板脱空受力时的离缝高度等于该离缝长度下板的竖向最大位移;离缝长度及高度的变化对轨道结构及车辆的受力状态均有影响,但离缝长度的影响更大;长度不大于0.6 m的板端离缝主要使钢轨及轨道板的变形及受力状态恶化,长度大于0.6 m的板端离缝也会使车辆的振动加速度超过容许值.