城市軌道交通高架結構噪聲研究的進展

韓江龍 吳定俊 李 奇

（同濟大學橋梁工程系，200092，上海∥第一作者，博士研究生）

城市軌道交通的高架結構與地下結構相比，具有建設周期短、建設費用低的優勢，但噪聲污染已成為制約其發展的主要因素。長期以來，國內外相關研究集中在輪軌和車輛等聲源產生的中、高頻振動噪聲方面，而對橋梁結構產生的低頻振動噪聲研究較少，甚至不被重視。文獻［1］認為：聲屏障能最大地減小總體噪聲并可能是有效的，進一步減小噪聲應基于減小輪軌滾動噪聲而不是專門去減小橋梁結構噪聲。然而，當城市軌道交通的列車速度低于80 km/h時，結構噪聲成為高架噪聲的主要來源之一［2］。日本也將橋梁結構噪聲作為高速鐵路主要噪聲源之一。總體而言，對高架結構低頻噪聲的研究近年來逐漸活躍，香港和日本的研究成果可以作為代表。

1 有關橋梁結構聲振特性的研究

研究人員通過數值計算與實際測試得到橋梁結構噪聲的頻率主要分布在0～300Hz范圍內，且當列車以不同的速度通過時，不同測點位置的峰值頻率多集中在50Hz左右。這表明峰值頻率與列車速度的關系不大［3－7］。但文獻［2］對上海軌道交通3號線實測數據進行分析，得到橋梁結構噪聲峰值頻率出現在80～125Hz之間，高于其他研究者的峰值頻率。因此，在研究結構噪聲的頻率特性時可不計車速的影響，將頻率控制在300Hz以下。

相關研究認為結構聲輻射或聲壓與列車車速有一定的關系，但目前認識還不統一。日本高速鐵路高架線的測試結果表明，距離高架橋線路中心25m時橋梁結構噪聲與列車速度有一定的相關性（見圖1）［4］。他們對結構噪聲的預測公式也體現了列車速度的影響。文獻［8］研究了一般邊界條件下矩形正交各向異性薄板在移動荷載作用下的振動聲輻射問題，其分析表明，移動荷載的速度越大，產生的聲壓越大。而文獻［2］的結論是結構的低頻噪聲隨列車速度的增加無顯著變化，其結論不同于前述研究者。因此車速對噪聲大小的影響還須作進一步研究。文獻［9］認為，車速越低，橋面振動輻射噪聲對總噪聲的貢獻度越大。

文獻［5］、［11］對混凝土高架結構的噪聲與振動模態進行研究后認為：橋梁整體模態對結構聲輻射貢獻不大，局部模態的頻率高于整體模態的頻率，卻能夠更有效地輻射結構噪聲。當以腹板模態進行振動時，腹板邊緣的輸入阻抗小，如果和中心模態有相當的輻射效率，則頻率小于520Hz的腹板模態可能輻射更大的噪聲。試驗結果也證實，不能假定腹板激振總是增加輸入阻抗而有效降低了噪聲輻射。結構噪聲的峰值主要源于混凝土結構的共振，振動共振比聲共振重要得多；為了減少高架結構的結構噪聲，振動共振是要分析的一個重要方面。箱形梁腹板的局部模態是平面外的振動模態，其對聲輻射的影響要大于腹板平面內隨橋梁振動的低頻整體模態；而頂板和底板振動的整體模態和局部模態都屬于平面外的振動模態，這兩種振動模態都能對聲輻射有影響，同時局部模態的高頻率影響更大。

圖1 結構噪聲與車速關系［4］

文獻［11］指出，箱形梁內部空腔的聲場共振可能使橋梁的上下兩個面的輻射聲增加，關于箱梁內部氣體對聲場的影響，這一結論并不具有確定性。而文獻［12］對空氣中兩端簡支的鋼筋混凝土加肋殼體聲輻射問題的研究表明，在低頻情況下，內部空氣對殼體的外部聲場的聲輻射影響不大，聲壓級幾乎相等。從流固耦合的角度考慮，空氣作為輕質流體，與箱梁屬于弱耦合，內部流體對剛度和質量都大的結構振動影響很小，難以對外聲場形成顯著影響。

不同形式的結構聲輻射大小還沒有形成權威的定論。文獻［7］用數值方法計算、比較了單箱單室梁、單箱雙室梁和槽型梁在不同跨度和支撐條件下的輻射聲壓級。得到的結論是：在相同的跨度和支撐條件下，單箱雙室梁A權級聲壓級最小，而單箱單室梁的A權級聲壓級為最大（見圖2、圖3），但沒有進行運營條件下的實際測試驗證。現在進行聲壓級比較時多使用A權級聲壓級標準，這一標準對低頻噪聲削弱較大，由此得到的聲輻射比較結果的可靠性還有待進一步研究。

2 有關橋梁結構噪聲計算方法的研究

文獻［8］用解析法研究了一般邊界條件下矩形正交各向異性薄板在移動荷載作用下的振動聲輻射問題，根據瑞雷積分和板的動力響應解析解，獲得了時域下板周圍的聲壓分布。文獻［13］通過Fourier積分變換和穩相法研究箱形梁聲輻射問題，得到了空氣中無限長混凝土箱形梁聲輻射問題的半解析解，但沒有進行實際的計算應用。由于現代動力分析考慮了車輛、軌道和結構的相互作用，因系統復雜，很難獲得嚴謹的結構聲輻射解析解。

文獻［14－16］用統計能量法計算包括橋梁結構輻射噪聲在內的總體噪聲。但統計能量法適用于解決高頻區高模態密集的系統寬帶振動噪聲。目前應用統計能量法單獨計算橋梁結構中、低頻噪聲的相關文獻極少。

中低頻區的振動聲輻射問題通常采用單元離散法。對結構采用有限元離散，對聲場可采用有限元法、邊界元法或者無限元法，但有限元法和邊界元法都有一個計算量大的問題。文獻［17］用有限元分析了多跨連續梁橋，考慮了車橋耦合作用和軌道不平順，將橋梁的瞬態加速度作為單極子激勵源，通過求解亥姆霍茲方程得到聲場的聲壓，但其列車車輛只考慮了兩個豎向自由度。

相對于現代車橋耦合振動理論，列車車輛考慮23個甚至更多的自由度數，故文獻［17］的模型過于簡單，難以更精細地模擬復雜的車橋耦合振動并分析其產生的聲場。

3 有關降噪措施的研究

3.1 減隔振降噪

文獻［1］、［18］進行了鋼軌隔振降噪的研究，發現減小軌道的支撐剛度，可以減小移動荷載傳遞到橋梁上的動作用力，可降低橋梁產生的噪聲，但橋梁振動減小的同時鋼軌的振動增加了，產生了高頻區噪聲，故軌道隔振的整體效果較小。而文獻［2］則通過設計新型軌道扣件來降低結構噪聲，通過現場測試發現：橋下噪聲在幾乎所有頻段內都有不同程度的降低，特別是結構峰值噪聲；總體噪聲水平也有顯著下降。軌道減振對降低結構噪聲作用顯著。文獻［19］通過數值模擬和試驗研究，采用了軌道隔振來降低正交異性板鋼箱梁橋的結構噪聲，取得了預期效果。香港軌道交通通過設置浮置板道床和彈性軌道支撐板并結合其它綜合措施，取得了很好的降噪效果；同時指出僅靠改善結構措施（增加質量和剛度）能夠改善低頻區的二次噪聲水平，但不能消除浮置板噪聲，要達到要求的噪聲水平，必須采取浮置板道床和彈性軌道支撐板等多項措施［20－21］。可見，通過軌道減隔振可以降低結構噪聲和總體噪聲，關鍵是相關各構件之間的剛度要匹配。

通過增加結構的剛度來減小結構振動也是一條降低聲輻射的途徑。日本進行的板沖擊試驗表明，板邊梁的固定支撐能夠增加輸入阻抗、減小噪聲輻射［22］。其實質是改變邊界條件，增加板振動方向的剛度。文獻［23］提出了“短接剛性梁法”（見圖4），通過改變梁邊界條件來減少總體噪聲，并試用于上海軌道交通1號線北延伸二標段和軌道交通4號線浦東段。此方法的實質是通過簡支梁變連續梁來增加結構的剛度。然而，文獻［8］的結論是邊界條件確實影響移動荷載產生的聲壓，板的剛度越大、結構的振動頻率越大，移動荷載產生的聲壓也越大。

增加剛度的另一種方法是設置加勁肋或增加結構厚度。此方法減小了結構振動的均方速度，但增加了聲輻射效率，因此聲輻射總功率的變化由二者的變化綜合決定。如果振動速度的減小不能抵消輻射效率的增加，增加板厚和增設加勁肋會輻射更多的噪聲［24］。研究表明，僅改變剛度的光滑圓柱殼不能有效地降低系統的輻射聲壓級，合理的環向加肋措施可降低結構的輻射聲壓級［25］。因此，對于增加剛度來減小振動噪聲需要綜合考慮多種因素的影響，單純的增加剛度未必能有效地降低噪聲。

圖4 短接剛性梁［24］

香港軌道交通曾通過修改高架橋截面形狀，使腹板直接支撐鐵路荷載來降低結構噪聲，但文獻［10］證實腹板直接支撐鐵路荷載，受到激振后會產生局部振動，可以輻射更高的噪聲。香港西鐵降噪的成功取決于結構改善和設置浮置板道床等綜合措施的采用。

3.2 限制振動傳播降噪

文獻［26］發現帶切縫的金屬圓鋸片在切割鋁板時能降低噪聲，原因在于切縫割斷了振動。此后很多學者研究了圓鋸片的開槽降噪技術；而車輪穿孔理論，也是通過穿孔造成聲學短路，限制了振動傳播來減小車輪的低頻噪聲［27］。文獻［25］提出了梁體開洞降低結構噪聲的概念。穿孔和開洞除了限制振動傳播還可以減少輻射面積。但以上措施在橋梁中都未見到研究和應用，故其降噪效果與可行性有待研究。

聲屏障的降噪原理是限制聲波在空氣中的傳播。研究發現，頂端部分向外傾斜的聲屏障對總體噪聲的降噪效果優于相同豎直高度的直立式聲屏障［28］。這為降低結構噪聲提供了一種思路，即改變槽型梁的腹板傾角。

3.3 能量衰減降噪

文獻［29－30］討論了在結構表面粘貼阻尼材料吸收結構振動的能量來降低結構噪聲的方法，其中文獻［29］還對粘貼位置和面積進行了優化計算。還有在槽型梁的腹板和聲屏障的內表面采取粘貼吸聲材料來降噪。能量衰減法在降低輪軌噪聲中有較多研究與實踐。

4 結論與建議

國內外學者多年的研究結果可歸納為如下結論：

1）高架結構噪聲是低頻噪聲。其頻率主要分布在300Hz以內，且峰值頻率多集中在100Hz以下。局部振動模態對結構噪聲有重要影響。

2）目前聲振分析都采用數值方法，工作量很大，對車－軌－橋耦合振動考慮得還不夠細致。文獻［13］提出的箱梁結構的半解析解未見應用，有待檢驗。

3）最常用的降噪措施是軌道和梁體的減隔振。對于采取結構措施進行降噪的相關研究，尤其是設置加勁肋和修改截面形式的措施現在還沒有定論。

4）目前對槽型梁和T型梁的研究是空白，更鮮有對箱型梁、槽型梁和T型梁的比較。不同結構型式在應用中產生的噪聲大小還無權威性定論。

目前城市軌道交通建設如火如荼，輪軌噪聲已經有了一定幅度的降低，進一步降低總體噪聲亟需解決結構噪聲問題。建議對如下方面進行深入研究：

1）近年槽型梁在輕軌中應用增多，而且板厚只有20多cm，其結構噪聲很大，亟需研究解決箱型梁和槽型梁在不同條件下的噪聲優劣問題。

2）由于車－軌－橋系統的復雜性，難以找到聲場的解析解，但可嘗試尋找適用的能進行定性分析的半解析解，以便對降噪進行理論指導。

3）開槽、開洞的措施也只是處于概念階段，可進行嘗試。

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