混凝土箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲及其影響因素

第48卷第3期2013年6月西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITYVol.48No.3Jun. 2013

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51008250）； 新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（NCET-10-0701）； 國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011AA11A103）； 高等學(xué)校博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（20110184110020）

作者簡介： 張迅（1985-），男，講師，博士，研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)減振降噪，電話：15902820405，E-mail：zhxunxun@126.com

通訊作者： 李小珍（1970-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檐嚇蝰詈险駝?dòng)，電話：13880808086，E-mail：xzhli@swjtu.cn

文章編號(hào)： 0258-2724（2013）03-0409-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.003

摘要：為探討箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲及其影響因素，以跨度32 m的混凝土簡支箱梁為研究對(duì)象，采用混合有限元-邊界元法進(jìn)行數(shù)值仿真，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上，探討了板厚和腹板傾角對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明：混合有限元-邊界元法適用于箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲分析；箱梁振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲的主要頻率范圍分別為40.0～125.0 Hz和31.5～100.0 Hz，底板附近在63.0 Hz出現(xiàn)噪聲峰值；增大板厚能降低箱梁結(jié)構(gòu)噪聲，且增大頂板厚度最有效；當(dāng)腹板傾角為0°～12°時(shí)，箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲較小.

關(guān)鍵詞：箱梁；結(jié)構(gòu)噪聲；振動(dòng)；數(shù)值仿真；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；影響因素

中圖分類號(hào)： U24； TB53文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

列車通過橋梁時(shí)，振動(dòng)能量經(jīng)過軌道結(jié)構(gòu)傳遞到橋面及其他橋梁構(gòu)件，并激發(fā)其振動(dòng)，形成一個(gè)個(gè)“聲板”，這部分噪聲源稱之為“結(jié)構(gòu)噪聲”.橋梁結(jié)構(gòu)噪聲頻率較低，在空氣中傳播時(shí)，具有衰減慢、穿透力強(qiáng)，難以隔斷等特點(diǎn)，長期處于低頻噪聲環(huán)境中的人容易產(chǎn)生莫名其妙的失眠、頭痛、耳鳴、胸悶等癥狀，對(duì)人的身心健康帶來極大的危害.

國外對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的研究較早，并進(jìn)行了一系列理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，其中以英國南安普頓大學(xué)聲振研究所的研究最具代表性[1].日本學(xué)者研究了公路橋梁低頻噪聲（包括次聲）帶來的危害，并制定了相關(guān)法律法規(guī)[2].在國內(nèi)，謝旭等研究了公路鋼橋在汽車荷載作用下的振動(dòng)聲輻射問題，并從改善路面粗糙度、提高橋面板剛度等角度探討了降噪措施[3-5].謝偉平等為探討軌道箱形梁結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)空氣中混凝土圓柱殼在簡諧荷載作用下的結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了理論研究[6-7].李奇等通過車-線-橋耦合振動(dòng)分析研究了橋梁的振動(dòng)響應(yīng)，基于邊界元法求得了模態(tài)聲傳遞向量，研究了軌道交通混凝土U形梁的聲輻射特性[8].夏禾等以北京地鐵高架橋?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行了橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的試驗(yàn)研究，推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度與輻射聲壓之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了軌道交通高架結(jié)構(gòu)輻射噪聲的預(yù)測(cè)[9-11].李小珍等采用邊界元法對(duì)混凝土簡支箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了理論分析，得到了地面聲反射、聲屏障、列車速度、墩高等外界因素及箱梁縱隔板對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響規(guī)律[12-13].

不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁，其振動(dòng)聲輻射特性不同，由此可以考慮通過改變橋梁結(jié)構(gòu)形式達(dá)到減振、降噪的目的.如果能找出最“安靜”的橋梁結(jié)構(gòu)或截面形式等，將是橋梁工程師最樂意看到的結(jié)果.為此，本文以某城際鐵路跨度32 m的混凝土簡支箱梁為研究對(duì)象，通過混合有限元-邊界元法進(jìn)行箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的理論求解，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上，分析了板厚和腹板傾角這2個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響規(guī)律，研究結(jié)果可供降低橋梁噪聲參考.

1

混合有限元-邊界元法

振動(dòng)為噪聲之源，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射問題，橋梁振動(dòng)響應(yīng)可基于有限元法，通過車-線-橋耦合振動(dòng)分析求得，這已成為一種成熟的方法[14-15].但是，對(duì)于無限域的外場(chǎng)聲輻射問題，聲學(xué)有限元法的剖分截止邊界難以確定，且計(jì)算量極大，故其主要用于研究簡單結(jié)構(gòu)在中、低頻激勵(lì)下的內(nèi)場(chǎng)聲輻射問題.邊界元法基于格林公式，把一個(gè)區(qū)域上的積分轉(zhuǎn)化為該區(qū)域邊界上的積分，具有降維、誤差小和適用于無窮域等優(yōu)點(diǎn)，并逐漸被用來求解聲學(xué)問題.因此，將兩者有機(jī)結(jié)合起來的混合有限元-邊界元法成為目前工程中最常用的數(shù)值方法，該方法在理論上可以求解具有任意表面形狀的復(fù)雜彈性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)聲輻射問題.

2

數(shù)值算例及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1

試驗(yàn)概況

某城際鐵路跨度32 m的混凝土簡支箱梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，梁體全長32.600 m，高2.354 m，寬7.150 m.頂板厚0.30～0.40 m，腹板厚0.30～0.60 m，底板厚0.28～0.60 m；設(shè)計(jì)活載ZC活載，設(shè)計(jì)速度200 km/h；采用C50混凝土，二期恒載97.1 kN/m；橋上裝有遮板，高1.65 m，無聲屏障.

試驗(yàn)橋位于空曠的鄉(xiāng)村田野中，背景噪聲可忽略不計(jì)，且周圍無明顯的聲反射障礙物.

振動(dòng)及噪聲測(cè)點(diǎn)布置在跨中橫斷面（圖1），其中，A1～A3為加速度傳感器，分別垂直緊貼于底板、腹板和翼板中心；N1～N3為麥克風(fēng)，分別距底板、腹板和翼板中心0.3 m；底板底面距地面的高度為3.5 m.實(shí)測(cè)車速為198 km/h.

2.2

試驗(yàn)比較

將箱梁采用四節(jié)點(diǎn)板單元模擬，采用自編車-線-橋耦合振動(dòng)分析程序BDAP 2.0分析橋梁振動(dòng)響應(yīng)[14-15].在此基礎(chǔ)上，將橋梁振動(dòng)響應(yīng)作為結(jié)構(gòu)噪聲的振動(dòng)邊界輸入，采用邊界元法分析該箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲.

振動(dòng)加速度級(jí)（簡稱“振級(jí)”）是描述結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)弱的指標(biāo).圖2給出了測(cè)點(diǎn)A1～A3的實(shí)測(cè)法向振級(jí)，可見：

（1） 各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)在63.0 Hz附近出現(xiàn)振動(dòng)峰值，40.0～125.0 Hz為結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要頻率范圍；

（2） 隨頻率增大，振級(jí)逐漸降低；

（3） 總體而言，底板的法向振級(jí)最大，翼板次之，腹板最小.

圖3給出了測(cè)點(diǎn)N1～N3聲壓級(jí)的實(shí)測(cè)值與理論值的比較.可見：

（1） 各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)頻譜曲線理論值與實(shí)測(cè)值比較接近；

（2） 箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的頻率較低，主要分布在31.5～100.0 Hz范圍內(nèi)；

（3） 總體而言，底板附近的聲壓級(jí)最大，翼板次之，腹板最小，這與振級(jí)的相對(duì)大小一致；

（4） 腹板與翼板附近的聲壓級(jí)頻譜曲線比較一致，這是由于聲波在此范圍可以自由傳播，而在底板附近，聲壓級(jí)則完全是由于底板的振動(dòng)引起的；

（5） 底板附近在63.0 Hz的聲壓級(jí)最大，主要原因是振動(dòng)與輻射效率均較高[1].

3

影響參數(shù)分析

為了考察結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響規(guī)律，以該箱梁為研究對(duì)象，假設(shè)梁底距地面10 m.采用國產(chǎn)CRH2動(dòng)車組進(jìn)行分析，列車編組為6節(jié)動(dòng)車與2節(jié)拖車（6M2T），共8節(jié)，速度200 km/h，軌道不平順取德國低干擾譜.圖4給出了考察場(chǎng)點(diǎn)的位置.

3.1

板厚

設(shè)該混凝土簡支箱梁的頂板、底板和腹板厚度分別為t1、t2和t3.圖5給出了頂板、底板和腹板厚度變化時(shí)，箱梁前10階自振頻率的變化曲線.

由于板厚增大，一方面結(jié)構(gòu)的剛度增大，另一方面結(jié)構(gòu)的自重增大，使得結(jié)構(gòu)自振頻率的變化較為復(fù)雜.對(duì)于高階次自振頻率，主要為箱梁頂板、底板的局部振動(dòng)；板越厚，結(jié)構(gòu)的自振頻率越大，此時(shí)，自重對(duì)振動(dòng)頻率的影響弱于剛度的影響.

圖6給出了頂板、底板和腹板厚度分別變化時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)S01～S12總體聲壓級(jí)的變化曲線.總體聲壓級(jí)是對(duì)各頻率成分的噪聲進(jìn)行疊加的結(jié)果，反映噪聲的總體大小.從圖6可見：

（1） 隨頂板、底板和腹板厚度增大，場(chǎng)點(diǎn)總體聲壓級(jí)降低，但降低幅度隨板厚增大而逐漸減小.

（2） 場(chǎng)點(diǎn)總體聲壓級(jí)對(duì)頂板厚度最敏感，對(duì)腹板次之，對(duì)底板最不敏感，原因是頂板直接承受車輛荷載，然后傳遞給腹板，最后到達(dá)底板.頂板剛度（板厚）對(duì)列車作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)影響最大，因而對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的影響最大.

（3） 根據(jù)板厚對(duì)結(jié)構(gòu)輻射噪聲的影響規(guī)律，可以適當(dāng)增大箱梁頂板厚度，這樣能顯著降低結(jié)構(gòu)噪聲.同時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力受力性能的前提下，可以適當(dāng)減小腹板和底板（特別是底板）的厚度，以減輕結(jié)構(gòu)自重，而又對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的影響較小.

3.2

腹板傾角

該混凝土簡支箱梁的腹板傾角為24°.保持底板橫向?qū)挾炔蛔儯疾旄拱鍍A角分別為12°和0°時(shí)（此時(shí)翼板變寬，頂板變窄），箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的變化.表1給出了腹板傾角變化時(shí)，箱梁前8階自振頻率.可見：腹板傾角改變后，結(jié)構(gòu)的一階豎彎頻率變化較小.

圖7～8分別給出了腹板傾角變化時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)的總體聲壓級(jí)、箱梁平均法向振動(dòng)速度變化曲線.可見：

（1） 腹板傾角為24°時(shí)，箱梁結(jié)構(gòu)噪聲最大，結(jié)構(gòu)的平均法向振動(dòng)速度也最大.

（2） 腹板傾角為12°和0°時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)總體聲壓級(jí)降低較多；總體而言，腹板傾角越小，場(chǎng)點(diǎn)總體聲壓級(jí)越低.腹板傾角為0°和12°時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)相差較小，即降噪效果相當(dāng).

（3） 腹板傾角越小，腹板對(duì)頂板的“支承”作用越好，箱梁的整體阻抗隨之增大，導(dǎo)納降低.由此可以推測(cè)，如果2個(gè)腹板恰好位于2股鋼軌（單線）的中心線下時(shí)，箱梁的整體阻抗最大，其降噪效果也會(huì)最好.

（4） 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)箱梁腹板參數(shù)，如位置、厚度、角度等進(jìn)行重點(diǎn)分析，在滿足結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力受力性能以及美觀、節(jié)省材料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出更“安靜”的橋梁.

4

結(jié)論

通過對(duì)跨度32 m的混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的理論分析和試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

（1） 對(duì)于箱梁結(jié)構(gòu)噪聲問題，以車-線-橋耦合振動(dòng)為基礎(chǔ)求解橋梁振動(dòng)響應(yīng)，并將其作為邊界元分析的振動(dòng)邊界輸入，這種混合有限元-邊界元法適用于箱梁結(jié)構(gòu)的噪聲分析.

（2） 箱梁振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲的主要頻率范圍分別是40.0～125.0 Hz和31.5～100.0 Hz.底板附近的聲壓級(jí)最大，翼板次之，腹板最小.底板附近在63.0 Hz出現(xiàn)噪聲峰值，降噪時(shí)可優(yōu)先考慮削弱此頻段的結(jié)構(gòu)噪聲.

（3） 板厚是影響結(jié)構(gòu)噪聲的重要因素，為減小箱梁振動(dòng)和降低結(jié)構(gòu)噪聲，應(yīng)增大頂板厚度，減小底板厚度.

（4） 腹板傾角越小，對(duì)頂板的支撐效果越好，結(jié)構(gòu)噪聲越低.腹板傾角為0°～12°時(shí)，箱梁的結(jié)構(gòu)噪聲較小.

致謝：感謝西南交通大學(xué)揚(yáng)華之星項(xiàng)目資助.

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