控制城市軌道高架橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的試驗研究

劉興龍，尹學(xué)軍，2，孔祥斐，譚 文，劉鐵民

（1.隔而固（青島）振動控制有限公司，山東 青島266108；2.青島科而泰環(huán)境控制技術(shù)有限公司，山東 青島266101；3.廣州地鐵集團公司，廣州510335）

高架軌道交通具有建設(shè)周期短、成本低、運營與維護簡單等優(yōu)點，在許多城市的軌道交通中得到應(yīng)用。然而，高架軌道交通產(chǎn)生的噪聲問題十分突出，在高架軌道交通噪聲中，輪軌噪聲和高架橋梁結(jié)構(gòu)噪聲占主導(dǎo)地位。治理輪軌噪聲可以采用鋼軌阻尼器技術(shù)[1]和聲屏障措施；而治理軌道高架橋梁結(jié)構(gòu)噪聲主要是采用隔振裝置，這包括浮置板和彈性扣件。針對已建成運營的軌道高架橋梁結(jié)構(gòu)噪聲問題，應(yīng)用浮置板技術(shù)改造難度很大，而單純采用彈性扣件改造降噪效果比較有限。在國內(nèi)，許多科研人員對鐵路高架橋梁的結(jié)構(gòu)噪聲問題進行了試驗與數(shù)值模擬研究。在國外，德國的工程技術(shù)人員開展應(yīng)用TMD控制鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁噪聲的工程試驗研究，降噪效果達到了3 dB(A)以上。

廣州市軌道交通4 號線的線路全長41.247 公里，其中高架線長30.187公里，地下線長11.06公里。該地鐵線路有多個敏感點噪聲超標(biāo)量較大。針對這一問題，本文對該線路高架橋梁的噪聲進行測試分析，并應(yīng)用TMD 技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲進行控制研究。

1 振動噪聲測試與模態(tài)分析

1.1 振動噪聲測試分析

在高架線的噪聲敏感點選取了一跨30 m 長混凝土簡支箱梁高架橋進行了過車振動與噪聲測試，橋梁斷面結(jié)構(gòu)與振動噪聲測點布置如圖1所示。振動與噪聲測點位于同一斷面的橋梁跨中位置，振動測點包括鋼軌、軌道板、橋面和箱梁底部，噪聲測點包括橋下1.5 m 處、與橋面等高且距中心線一側(cè)的7.5 m和15 m處。測試時地鐵行車速度為45 km/h。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)與測點布置示意圖

測試結(jié)果如圖2至圖9所示。

圖2 鋼軌垂向振動加速度時程

圖3 鋼軌振動加速度功率譜

從圖3可以看出，鋼軌振動峰值頻率集中在500 Hz與550 Hz，軌道板振動能量主要集中在80 Hz，在70 Hz 和84 Hz 峰值也比較明顯。橋面翼緣振動峰值比較分散，主要位于92 Hz、95 Hz和105 Hz，在56 Hz、60 Hz和70 Hz以及230 Hz～270 Hz頻率范圍的峰值略顯突出。橋面中間與橋梁底部振動頻譜非常一致，峰值主要位于82 Hz、95 Hz和102 Hz。橋下噪聲能量分布則非常集中，分別位于68 Hz、78 Hz和90 Hz，在90 Hz峰值最突出。

圖4 道床垂向振動加速度功率譜

圖5 橋面邊緣垂向振動加速度功率譜

圖6 橋面中間垂向振動加速度功率譜

圖7 橋面底部垂向振動加速度功率譜

測試結(jié)果表明，列車經(jīng)過時引起橋梁共振，共振頻率主要位于80 Hz～90 Hz 及其附近，并隨橋梁位置略有變化，高架橋噪聲是由橋梁共振輻射產(chǎn)生。從圖9 中不同測點噪聲A 計權(quán)聲壓級頻譜可知，與橋梁距離越遠，80 Hz頻帶噪聲峰值越低。

圖8 橋下噪聲功率譜

圖9 不同測點噪聲A計權(quán)聲壓級頻譜對比

但是，在7.5 m 和15 m 測點的噪聲聲壓級值在625 Hz 頻帶略顯突出，這一峰值頻帶與鋼軌垂向振動峰值頻率一致，可以確定這兩處測點在該頻帶噪聲屬于輪軌噪聲。由于橋下噪聲測點共振噪聲最突出，而且受橋面輪軌噪聲影響較小，最能代表高架橋梁的結(jié)構(gòu)噪聲特性，因此降噪效果的對比與評價針對橋下1.5 m處噪聲進行。

1.2 模態(tài)分析

利用ANSYS 有限元軟件對高架橋梁進行模態(tài)分析，建模時采用Solid185 單元將橋梁與軌道板離散，利用beam185 單元模擬鋼軌，利用combin17 單元模擬扣件。主梁的混凝土型號為C50，彈性模量為2.4×104 MPa，泊松比為0.2，扣件剛度為60 kN/mm。為了驗證模態(tài)計算結(jié)果，對橋梁的垂向振動模態(tài)進行試驗測試，表1 所示為橋梁低階垂向彎曲模態(tài)測試結(jié)果與有限元模態(tài)分析結(jié)果對比。

表1 垂向彎曲模態(tài)分析結(jié)果對比/Hz

圖10 為第2 階試驗?zāi)B(tài)與計算模態(tài)的振型對比，圖11為高階模態(tài)振型對比。

圖10 第2階模態(tài)振形對比

圖11 高階模態(tài)振型對比

低階模態(tài)計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果比較一致，但隨頻率增高，模態(tài)越來越密集，各模態(tài)振型不再表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)整體變形，試驗?zāi)B(tài)測試難以準(zhǔn)確獲得高階模態(tài)的頻率、振型，計算模態(tài)和試驗?zāi)B(tài)很難對應(yīng)起來，因此接下來利用有限元分析橋梁的高階模態(tài)。有限元模態(tài)分析結(jié)果顯示，54.5 Hz以上橋梁模態(tài)表現(xiàn)為橋梁不同部位的各自振型，主要是橋梁翼板、箱梁蓋板和箱梁底板三部分。從圖11 可以看出橋梁翼板、箱梁蓋板和箱梁底板振型不再保持一致，而表現(xiàn)為橋梁局部模態(tài)振型。

2 TMD振動控制理論與應(yīng)用

2.1 TMD 控制設(shè)計理論與方法

目前應(yīng)用TMD 對單自由度振動系統(tǒng)進行振動控制設(shè)計的理論與方法已很成熟，因此本文對單自由度系統(tǒng)TMD 振動控制理論與設(shè)計方法進行簡要介紹。假設(shè)主系統(tǒng)的剛度為K，質(zhì)量為M，TMD的剛度為k,，質(zhì)量為m，則主系統(tǒng)的固有角頻率為Ωn=固有角頻率為質(zhì)量比為μ=m/M，固有角頻率比為γ=ωn/Ωn，可以得到滿足最優(yōu)同調(diào)條件TMD與主振動系統(tǒng)的固有頻率比

同樣可得到最優(yōu)阻尼比為

利用式(1)至式(2)即可對單自由度系統(tǒng)的TMD進行設(shè)計，近年來一些研究學(xué)者提出了應(yīng)用TMD控制多自由度系統(tǒng)的設(shè)計方法。這種設(shè)計方法通過模態(tài)分析將多自由度振動系統(tǒng)解耦轉(zhuǎn)換為模態(tài)空間中多個非耦合單自由度振動系統(tǒng)，然后利用等價質(zhì)量識別法將過模態(tài)質(zhì)量轉(zhuǎn)化為具有物理意義的等價質(zhì)量。設(shè)N 自由度系統(tǒng)的第i 階模態(tài)振形向量為把i階模態(tài)的固有向量在第j點的值定義為1，對固有向量進行正規(guī)化，則第j 個自由度在第i階模態(tài)中的等價質(zhì)量可以表示為

最后利用單自由度系統(tǒng)TMD 設(shè)計理論對多自由系統(tǒng)中需要控制的模態(tài)進行TMD設(shè)計，等價質(zhì)量識別方法的詳細介紹可參考文獻[6]。

根據(jù)式（3）所示計算方法可得到高架橋每階垂向彎曲模態(tài)的等價質(zhì)量，在60 Hz～100 Hz頻率范圍的模態(tài)頻率與等價質(zhì)量結(jié)果如圖12所示。

圖12 高架橋模態(tài)頻率與質(zhì)量

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在這一頻率范圍，模態(tài)分布非常密集，過車時橋梁振動頻率范圍集中在80 Hz～90 Hz，由此可知過車激勵引起的主要振動模態(tài)位于82.6 Hz、82.8 Hz和91.4 Hz，其等價質(zhì)量分別為20.13噸、17.13 噸和12.64 噸。本文針對這三種模態(tài)的振動控制進行TMD設(shè)計。根據(jù)多自由度系統(tǒng)TMD設(shè)計方法，并考慮TMD 設(shè)計安裝尺寸及橋梁承重能力，首先確定TMD質(zhì)量，然后根據(jù)TMD的理論最優(yōu)頻率與阻尼比進行彈簧和阻尼設(shè)計，TMD安裝位置位于3階模態(tài)振型的波腹處。

傳統(tǒng)的螺旋鋼彈簧難以實現(xiàn)頻率位于80 Hz～90 Hz 的TMD 設(shè)計要求，因此，本文提出了將固定-固定梁作為彈簧元件，質(zhì)量元件設(shè)置在梁中間的TMD結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖13所示。

通過改變梁的長度和截面尺寸調(diào)整TMD頻率，TMD 通過螺栓與橋梁固定。根據(jù)上述三種控制模態(tài)振型，在連續(xù)3 跨30 m 簡支式軌道高架橋梁安裝了TMD，圖14 為箱梁內(nèi)TMD 安裝后現(xiàn)場照片。在橋梁兩側(cè)翼緣各布置了24 個50 kg 的TMD；沿橋面中心線布置了20個100 kg的TMD；在箱梁內(nèi)沿底板中心線布置了24個100 kg的TMD。

圖13 TMD結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 箱梁內(nèi)底板TMD安裝現(xiàn)場照片

2.2 結(jié)構(gòu)噪聲控制效果

在連續(xù)3 跨橋梁安裝TMD 后，按照圖1 所示的噪聲測點布置方式，在安裝TMD橋梁的中間一跨與連續(xù)3 跨未安裝TMD 的中間一跨高架橋進行了過車噪聲對比測試。取10組測試數(shù)據(jù)進行對比，TMD安裝段和未安裝段噪聲對比如表2所示。

表2 降噪效果對比/dB(A)

除第5 次過車噪聲聲壓級較高以外，10 次過車TMD未安裝段橋下噪聲水平大部分在81.0 dB(A)～82.8 dB(A)。相較于未安裝TMD 的高架橋梁噪聲，安裝TMD的高架橋下噪聲水平差別較大，10次過車的降噪效果可以分3種情況：

（1）第1次、第5次和第7次降噪效果不明顯；

（2）第3次、第9次和第10次降噪效果一般；

（3）第2次、第4次、第6次和第8次降噪效果非常好。

雖然降噪效果存在差別，但是TMD控制頻帶在80 Hz 降噪效果明顯且一致，達到了9.3 dB(A)～12.4 dB(A)。

通過分析10次過車聲壓級頻譜發(fā)現(xiàn)存在2種典型的噪聲對比結(jié)果，這里給出了第4次和第5次過車時2組噪聲對比結(jié)果，分別如圖15至圖16所示。

圖15 第4次過車時噪聲A計權(quán)聲壓級對比

圖16 第5次過車時噪聲A計權(quán)聲壓級對比

第4次過車時未安裝TMD段的橋下噪聲存在2處峰值，為80 Hz 和500 Hz，安裝TMD 的高架橋下噪聲頻率在63 Hz～250 Hz和500 Hz以上的頻帶聲壓值均明顯降低。在80Hz 和500 Hz 頻帶聲壓值分別降低12.4 dB(A)和13.8 dB(A)。第5次過車時未安裝TMD 段的橋下噪聲只在80 Hz 頻帶存在峰值，安裝TMD 段的高架橋下噪聲頻率在63 Hz～80 Hz 和1 000 Hz 以上頻帶范圍聲壓值降低，但在125 Hz～400 Hz 頻帶聲壓級反而升高，這是降噪效果差別的根源所在。廣州地鐵4 號線振動噪聲測試對比表明，橋下噪聲測點上、下行降噪效果存在一定差別，上行線降噪效果為3.12 dB(A)，下行線降噪效果為2.83 dB(A)[7]。這種差別主要是由上、下行列車經(jīng)過測點位置速度不同產(chǎn)生的。

3 結(jié)語

(1)廣州地鐵4 號線簡支式30 m 跨箱梁高架橋梁過車噪聲超標(biāo)是由高架橋梁共振輻射噪聲引起，振動噪聲主要頻率范圍位于60 Hz～100 Hz，峰值頻率主要位于80 Hz 和90 Hz。在這一頻率范圍內(nèi)橋梁共振模態(tài)表現(xiàn)為橋梁各部件局部振動。

(2)研發(fā)設(shè)計了高頻梁式TMD 結(jié)構(gòu)，應(yīng)用多自由度TMD 控制理論在3 跨30 m 軌道高架橋安裝了控制多階模態(tài)的TMD。

(3) 噪聲測試結(jié)果表明，TMD 控制頻帶降噪效果明確且穩(wěn)定，達到9.3 dB(A)～12.4 dB(A)。高架橋下1.5 m 處測點總體降效果最大能達到4.8 dB(A)，10 次過車平均降噪效果為2.1 dB(A)，但多次過車時降噪效果差別較大，這主要是由于上、下行列車經(jīng)過測點速度不同導(dǎo)致降噪效果產(chǎn)生差異。