基于實測數據的典型高速鐵路橋梁區段噪聲對比

李 茜,張 迅,張金瑞,劉子琦,劉付妙真,汪 燚

(西南交通大學橋梁工程系,成都 610031)

高速鐵路是交通運輸領域的重大創新成果，并已成為中國現代化交通體系的主干。截止2020年底，我國高速鐵路營業總里程約3.9萬km，高居世界第一，實現了世界上最發達的高速鐵路網。

綜合考慮地形地質條件、軌道平順性、建設工期、全壽命周期成本等因素，我國高速鐵路的橋梁比例非常高，遠大于法國、德國等國家。高速鐵路發展帶來的環境噪聲問題隨著列車速度的不斷增大愈發嚴峻，且降噪難度大、成本高，是公認的國際性難題。高速鐵路噪聲是多種聲源構成的混合噪聲，主要包括輪軌噪聲、弓網噪聲、空氣動力噪聲、橋梁結構噪聲等，因此，噪聲源分布及頻譜成分極為復雜[1-2]。

許多學者對我國高速鐵路橋梁區段的車外噪聲進行了一系列的現場實測。LI和ZHANG等[3-4]通過對32 m混凝土簡支箱形梁進行現場測試，驗證了其提出的橋梁結構噪聲預測方法的可靠性；何賓等[5]對有/無聲屏障區段的列車運行噪聲進行了測量，以驗證聲屏障插入損失預測模型的可靠性。為開發預測模型計算車外難以測量的任意位置聲級，DENG等[6]對高速鐵路車外噪聲進行了一系列的現場實測；HE和楊妍等[7-8]對高速列車分別通過路基和橋梁區段的環境噪聲進行了實測和對比；劉華蘭等[9]通過現場試驗獲得了我國高速鐵路不同速度區間下的噪聲源強特性變化規律，并與普通鐵路進行了對比；ZHANG等[10]對高速列車以200～350 km/h運行時的列車運行輻射噪聲進行了測試，得到了等效連續A聲級隨速度變化的擬合曲線；劉全民等[11]對鋼-混結合板梁橋在敷設約束阻尼層前后分別進行了現場測試，獲得了約束阻尼層的降噪效果。

盡管高速鐵路中橋梁的占比越來越高，但當前有針對性的振動噪聲試驗卻非常有限，且缺乏對不同橋型實測結果的綜合對比分析。為此，基于4座高速鐵路橋梁的噪聲實測數據，對路旁噪聲的頻譜特性和衰減規律進行對比分析。4座橋梁分別為設計速度200 km/h的混凝土簡支箱形梁橋(簡稱“橋1”)、設計速度350 km/h的混凝土簡支箱形梁橋(簡稱“橋2”)、設計速度350 km/h的混凝土簡支槽形梁橋(簡稱“橋3”)、設計速度250 km/h的鋼-混組合連續板梁橋(簡稱“橋4”)。研究結果可為基于聲學性能的橋梁結構選型和高速鐵路橋梁區段減振降噪設計提供依據，同時也可為今后進一步的理論研究提供參考。

1 噪聲測量點及評價量

結合現有文獻，將高速鐵路橋梁區段的噪聲測點布置歸納為5類，如圖1所示。

根據國際標準ISO 3095—2013[12]，測量列車運行輻射噪聲的標準測點通常布置在水平向距軌道中心線7.5 m、垂向距軌面1.2 m的M1處；當速度≥200 km/h時，將標準測點布置在水平向距軌道中心線25 m、垂向距軌面3.5 m的M3處；當上部結構有重要聲源時，應在水平向距軌道中心線7.5 m、垂向距軌面3.5 m的M2處增設測點。

目前，我國鐵路環境噪聲排放標準執行GB 12525—1990《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》[13]及其修改方案[14]。根據規定，鐵路邊界噪聲是指機車車輛運行時，在距鐵路外側軌道中心30 m、高于地面1.2 m處的噪聲，即圖1中的P1。

聲屏障是我國高速鐵路降噪的主要措施，其中，傳統直立式聲屏障最為常見，高度一般為2.15～3.15 m[15]。考慮到聲屏障的高度，聲屏障降噪效果評價測點通常布置在軌面以上1.5 m、距軌道中心線30 m處[16]，見圖1中的D1。

圖1中B類測點布置在橋梁各板件附近，通常距離板件0.3 m，用于測量梁體各板件的聲振特性[3-4，11]。例如，圖1中B1、B2處的傳聲器可分別測量箱形梁腹板和底板附近的噪聲。

為研究噪聲的空間分布規律，可在鐵路兩側根據需要布置一系列測點。例如，圖1中的F1～F4可用于測量噪聲隨高度的變化規律。本研究目的是獲得不同橋型的路旁噪聲差異性，故主要以F類測點為依據。

圖1 高速鐵路橋梁區段噪聲測點布置示意(單位：m)

2 混凝土簡支箱形梁橋

2.1 橋1

圖2為某設計速度200 km/h的32 m雙線混凝土簡支箱形梁橋。梁體全長32.6 m，梁高2.354 m，梁寬11.4 m。頂板厚0.3～0.4 m，腹板為圓弧形，板厚0.28～0.7 m，底板厚0.28～0.7 m。梁體采用C55混凝土，二期恒載為153.6 kN/m，設計活載為ZC，線間距為4.4 m。

圖2 橋1測試現場

橋上采用CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道，扣件為WJ-8型。橋上設高1.65 m的預制混凝土遮板，無聲屏障。橋梁跨中底面至地面高3.7 m，軌面至地面高6.8 m，軌面至遮板頂面高0.9 m。

噪聲試驗中，在軌面以上2.2 m和地面以上1.5 m，距離外軌中心線7.5，16.25，25，50 m處分別布置測點。列車車型為CRH1，均為過路車。3種速度工況(120、140、160 km/h)的聲壓級頻譜曲線見圖3、圖4。

圖3 軌面以上2.2 m測點的實測噪聲

圖4 地面以上1.5 m測點的實測噪聲

以實測聲壓級峰值10 dB(A)動態范圍定義為噪聲的顯著頻率區段。綜合3種工況，得到在軌面以上2.2 m和地面以上1.5 m高度處的噪聲顯著頻段分別為315～3 150 Hz、200～3 150 Hz。顯然，地面以上1.5 m處的噪聲顯著頻段更寬，主要原因是橋梁側下方區域由混凝土箱形梁產生的低頻結構噪聲成分更多。

從圖3可知，同一測點在不同車速下的聲壓級頻譜曲線呈現出相同的變化趨勢；顯著頻段315～3 150 Hz的噪聲主要由輪軌噪聲引起，在50～63 Hz附近存在一個由箱形梁結構噪聲產生的峰值；同一速度下，聲壓級隨著水平距離增加而逐漸下降，且高頻噪聲衰減更明顯；當水平距離由25 m增加至50 m時，聲壓級衰減不明顯，即噪聲隨水平距離的衰減呈“先快后慢”趨勢。

從圖4可知，相比軌面以上2.2 m處，地面以上1.5 m處的噪聲衰減規律復雜。這是因為由混凝土箱形梁產生的低頻結構噪聲隨距離的衰減較弱，且橋上遮板大大減少了輪軌噪聲向橋梁側下方區域的傳播，導致不同測點位置在不同頻段形成了有差異的“聲影區”。

各測點在不同速度下的實測總聲級見表1。

表1 橋1的實測總聲級 dB(A)

同一速度下，軌面以上2.2 m各測點總聲級隨著水平距離的增大逐漸減小，水平距離由7.5 m增加到50 m時，總聲級降低10.2～11.2 dB(A)。在7.5～16.25 m范圍(近場區)，軌面以上2.2 m測得的總聲級比地面以上1.5 m處高8.3～11.4 dB(A)。在水平距離25 m處，地面以上1.5 m測得的總聲級比軌面以上2.2 m處略大。在25～50 m范圍(遠場區)，由于遮板和箱形梁自身輪廓對輪軌噪聲傳播的影響有限，此時兩種高度下測得的總聲級差值較小。

2.2 橋2

圖5為某設計速度350 km/h的32 m雙線混凝土簡支箱形梁橋。梁體全長32.6 m，梁高3.09 m，梁寬12 m。頂板厚0.34～0.65 m，腹板斜度為1∶4，板厚0.45～1.05 m，底板厚0.28～0.7 m。梁體采用C50混凝土，二期恒載為140 kN/m，設計活載為ZK，線間距為5.0 m。

圖5 橋2測試現場

橋上采用CRTS-Ⅱ型板式無砟軌道，扣件為WJ-8C型。橋上無聲屏障，橋梁兩側設有人行道欄桿。橋梁跨中底面至地面高3.3 m，軌面至地面高7.1 m。

對CRH380B和CRH380A兩種型號的高速列車以不同速度通過該區段時的噪聲進行測量，時間為聯調聯試期間。在地面以上1.5 m，距外軌中心線7.5，25，50 m處分別布置測點。在不同測點和不同速度下，兩種車型測得的聲壓級頻譜圖見圖6、圖7，實測總聲級見表2。

圖6 開行CRH380B時地面以上1.5 m測點的實測噪聲

圖7 開行CRH380A時地面以上1.5 m測點的實測噪聲

表2 橋2的實測總聲級 dB(A)

CRH380B和CRH380A以不同速度通過時，實測噪聲的顯著頻段分別為315～5 000，125～6 300 Hz；同時，隨著列車速度的增大，顯著頻段有變寬的趨勢。同一測點在不同車速下的聲壓級均符合隨速度增加而增大的規律。

當車速為200～300 km/h時(圖6)，噪聲在2 000 Hz左右的高頻區存在顯著峰值。當車速為300 km/h時，在25 m處峰值聲壓級達到83.7 dB(A)。

當車速從320 km/h逐漸增大時(圖7)，2 000 Hz頻段附近的局部峰值減弱，同時在1 000 Hz頻段附近出現新的峰值，這一方面是車型的影響，但另一方面是車速大于300 km/h時氣動噪聲的增加速度大于輪軌噪聲的增加速度[17]，而氣動噪聲的峰值頻率一般低于輪軌噪聲的峰值頻率[18]。

由表2可知，受混凝土箱梁自身輪廓對輪軌噪聲等上部噪聲的遮擋作用，在7.5 m處測得的噪聲與25 m處的噪聲比較接近甚至更小。例如，當列車運行速度為350 km/h時，總聲級差值達到最大值2.6 dB(A)。此外，車型也會對噪聲產生一定的影響。以25 m處測點為例，CRH380B以300 km/h的速度運行與CRH380A以320 km/h運行測得的噪聲分別為88.1，85.7 dB(A)，即車速增大而實測總聲級下降。盡管如此，從表2可以看出，同一車型下車速是影響噪聲的主要因素。

3 混凝土簡支槽形梁橋

文獻[19]對設計速度350 km/h的32 m雙線混凝土簡支槽形梁橋進行了噪聲實測。槽形梁跨中橫截面見圖8。

圖8 橋3的梁體橫截面[19](單位：cm)

梁體全長32.6 m，梁高3.4 m，頂寬13.8 m，底寬11.1 m，腹板厚0.6 m，底板厚0.35 m。為增加梁體剛度，底板設有縱梁和橫梁，腹板設有豎肋。梁體采用C55混凝土，二期恒載為140 kN/m，設計活載為ZK，線間距為5 m。跨中底板到地面高6.3 m。

當車速為300 km/h時，在地面以上1.2 m，距外軌中心線12.5，25，50 m處分別布置測點，測得聲壓級頻譜曲線見圖9。

圖9 地面以上1.2 m測點的實測噪聲(車速300 km/h)

槽形梁在地面以上1.2 m處的噪聲顯著頻段為63～5 000 Hz。在100 Hz以內的低頻區，3個測點處的聲壓級十分接近，這是因為低頻噪聲主要由槽形梁的結構噪聲產生，而低頻噪聲傳播遠且隨距離衰減慢。

由于槽形梁兩側腹板對輪軌噪聲等上部聲源有良好的降噪效果，因此，在整個頻段內12.5 m和25 m處測點的聲壓級差別較小。但正是由于槽形梁的腹板高度有限，其對50 m處的降噪效果有限。例如，在400～3 150 Hz，50 m處比25 m處的聲壓級更大，在2 000 Hz附近二者的差值達到最大值3.7 dB(A)。

就總聲級而言，由于槽形梁腹板對上部噪聲的降噪作用，12.5 m和25 m處的總聲級均為75.2 dB(A)；由于槽形梁的腹板對50 m處降噪效果減弱，故總聲級達到77.0 dB(A)。

除此之外，文獻[19]對同一線路上與槽形梁相距約500 m處的箱形梁橋進行了測試，車型和車速相同，測點布置一致。箱形梁截面尺寸與橋2完全相同，跨中底面至地面高4 m。兩種橋型下測得的聲壓級差值頻譜曲線見圖10，其中，差值為正代表槽形梁在該頻率的聲壓級大于箱形梁。

圖10 槽形梁與箱形梁的噪聲差值(車速300 km/h)

從圖10可以看出，在80 Hz以下頻段，槽形梁各測點處的聲壓級均明顯大于箱形梁，即槽形梁的結構噪聲比箱形梁更大，例如，在12.5 m處差值最大可達7.4 dB(A)。對于1 000 Hz以上頻段，箱形梁測得的噪聲明顯大于槽形梁，這是由于槽形梁對輪軌噪聲等高頻噪聲有明顯的降噪效果。

4 鋼-混組合連續板梁橋

圖11為某設計速度250 km/h的雙線鋼-混組合連續板梁橋。橋跨布置為(32+40+32) m，橋面寬為12.4 m，設計活載為ZK，二期恒載為160 kN/m。兩片縱梁采用工字形截面，橫向間距6m，縱梁高2.5 m，翼緣寬1.2 m，腹板厚24 mm，翼緣厚50 mm。橋面板采用C50混凝土，橋中心處板厚0.487 m。

圖11 橋4測試現場

橋上采用有砟軌道、Ⅲ型鋼筋混凝土軌枕、Ⅱ型扣件。橋梁兩側設置人行道欄桿，無聲屏障。縱梁底板距地面高5.5 m。

在地面以上1.5 m，距外軌中心線7.5，15，30 m處分別布置測點。圖12為CRH5型列車以速度199 km/h、CRH380B型列車以速度207 km/h運行時的聲壓級頻譜圖，相應的實測總聲級見表3。

圖12 不同列車運行時地面以上1.5 m測點的實測噪聲

表3 橋4的實測總聲級 dB(A)

地面以上1.5 m各測點的噪聲顯著頻段為80～5 000 Hz。兩種工況在100 Hz都出現一個局部峰值，這與輪軌力的峰值頻段有關，對應于橋梁結構噪聲[20]。在20～63 Hz的低頻區，不同測點處的噪聲相差較小；在63～1 000 Hz的中高頻區，噪聲隨距離衰減比較明顯；在1 250 Hz以上頻段， 30 m處的聲壓級最大，這主要是受到輪軌噪聲等聲源的影響。由于兩種工況下列車的運行速度相似，因此，各測點的總聲級比較接近。

5 討論

5.1 噪聲頻譜特性

對比各線路的噪聲頻譜曲線可以發現：高速列車運行時，車外噪聲呈現出寬頻特性；不同橋型、車型和速度下測得的顯著頻率有所差異，且測點位置對顯著頻段也有一定影響。

各測試區段的顯著頻段匯總于表4。文中4座橋梁測得的共同顯著頻率為200～3 150 Hz，且鋼-混組合梁的噪聲顯著頻段最寬。A計權聲壓級曲線均呈現出“中間高、兩邊低”的譜型，其中，低頻噪聲主要由橋梁結構噪聲主導，且在該頻段產生一個局部峰值；高頻噪聲主要由輪軌噪聲等列車上部聲源產生，在量值上遠大于混凝土梁的低頻噪聲，但鋼-混組合梁的低頻噪聲較大。

低頻噪聲隨水平距離的增加衰減較小，高頻噪聲隨水平距離的增加衰減明顯。梁體自身輪廓或橋面遮板等結構物對輪軌噪聲有較強的遮擋作用，從而大大削弱了高頻噪聲向橋梁側下方區域的傳播，尤其是在近場區域。

表4 各測試區段的噪聲顯著頻段

5.2 橋梁結構噪聲

以地面以上1.5 m、距外軌中心線25 m處為考察位置，分別將橋3與橋4的測試結果與相同車型和車速下混凝土箱形梁(橋2)的相關數據進行對比，以確保測試數據的可對比性。

不同橋型與混凝土箱形梁(橋2)的聲壓級差值見圖13。圖中，“鋼-混組合梁”取車型CRH380B、車速207 km/h、距外軌中心線30 m處的數據近似替代，對比數據為橋2中車型CRH380B、車速200 km/h、距外軌中心線25 m處取得；“混凝土槽形梁”的數據取自圖10。

從圖13對比可以發現：在80 Hz以下頻段，槽形梁的低頻噪聲稍大于箱形梁，其中在20 Hz時差值最大約6 dB(A)；在400 Hz以下頻段，鋼-混組合梁的噪聲遠大于混凝箱形梁，在100 Hz時差值達到15.3 dB(A)。因此，鋼-箱組合梁的結構噪聲明顯大于混凝土箱形梁，且頻段范圍明顯寬于混凝土箱形梁，這也可通過對比圖12(b)與圖7(b)看出。在400 Hz以上頻段，鋼-混組合梁的噪聲小于混凝土箱形梁，這主要與軌道結構形式、至軌道中心線的距離、軌道不平順等因素有關。

圖13 與混凝土箱形梁(橋2)的噪聲差值

5.3 車速的影響

橋1與橋2均為混凝土簡支箱形梁，但截面尺寸稍有差異，且橋1中設有遮板。綜合表1與表2，得到地面以上1.5 m、距外軌中心線25 m處總聲級隨速度的變化曲線，見圖14。圖14中，120～160 km/h對應于車型CRH1，200～300 km/h對應于車型CRH380B，320～385 km/h對應于車型CRH380A。

由圖14可知，若忽略車型因素，實測總聲級總體上隨列車速度的增加而增大。其中，車速為120～200 km/h時，實測總聲級為74.7～81.9 dB(A)，均值為77.6 dB(A)；車速為200～300 km/h時，實測總聲級為81.9～88.1 dB(A)，均值為85.4 dB(A)；車速為320～385 km/h時，實測總聲級為85.7～91.5 dB(A)，均值為89.2 dB(A)。

圖14 地面以上1.5 m測點噪聲與速度的關系曲線

6 結論

基于4座高速鐵路橋梁的實測噪聲數據，對噪聲的頻譜特性和空間分布規律，以及與梁型、車型和車速的關系進行了分析和討論，得到主要結論如下。

(1)高速鐵路橋梁區段的路旁噪聲呈現寬頻特性，4條測試線路、3種橋型的共同顯著頻段為200～3 150 Hz，鋼-混組合梁的噪聲顯著頻段最寬。實測A計權聲壓級頻譜曲線均呈現“中間高、兩邊低”的譜型，中高頻區噪聲對總聲級起決定作用，且混凝土梁的低頻噪聲可忽略不計。

(2)對于混凝土簡支箱形梁，在地面以上1.5 m、距外軌中心線25 m處，列車速度為120～200，200～300，320～385 km/h時，平均總聲級分別為77.6，85.4，89.2 dB(A)。

(3)混凝土槽形梁的低頻噪聲(<80 Hz)大于混凝土箱形梁，但前者對輪軌噪聲有較好的降噪效果，尤其是在橋側25 m范圍內。

(4)在400 Hz以下頻段，鋼-混組合梁的結構噪聲遠大于混凝土箱形梁，差值最大可達15.3 dB(A)。

從研究結果來看，鋼-混組合梁的噪聲頻譜寬、幅值大，尤其是在由橋梁結構噪聲主導的中低頻區范圍，其噪聲遠大于其余兩種橋型(混凝土箱形梁和槽形梁)，故建議在減振降噪設計中予以重點關注。