城市高架线路噪声特性分析

城市高架线路噪声特性分析

黄政东

重庆交通大学 土木工程学院  重庆 400074

摘要：为研究轨道通过高架桥的噪声特性，选取某箱梁为研究对象，建立车桥耦合振动模型，通过实测桥梁模态数据，验证模型的准群性，并对列车在50km/h、70km/h、90km/h的速度下进行仿真，采集车辆通过时的噪声，对数据在时域和频域上进行分析，最后，得到总声压级在速度降低时的衰减情况。研究结果表明：速度降低，总声压级跟着降低。

关键词：轨道交通；车桥耦合振动；速度；噪声特性

0 引言

尽管城市轨道交通有效地解决了高密度客流出行问题，但是随着生活质量的提高，运营单位和广大人民群众也开始关注噪声对居民的影响。为了节约城市空间、缓解用地紧张问题，轨道交通多采用高架桥形式。列车的主要噪声源有机车动力噪声、轮轨噪声﹑高架轨道噪声、空气动力噪声等。通常,低速行驶时,机车动力噪声占主要地位。据实测,中国地面段铁路轨道交通车速多为80 km/h ﹐在7.5 m、15.0 m、30.0 m处的A计权声压级约为92 dB、87 dB、82dB[1]。

目前，国内外轨道交通噪声治理主要采用以下办法：（1）采用减振扣件[2]，（2）钢弹簧浮置板[3]，（3）橡胶减振垫[4]。轨道交通研究较多的是从结构上优化高架桥，较少研究速度影响下的噪声特性，本文研究不同速度下的轨道交通噪声特性，为相关部门的运营提供参考。

1车桥耦合振动模型构建

1.1 箱梁桥模型

重庆某箱梁桥每段长为32米，主桥梁有限元模型通过ANSYS平台建立，箱梁采用Shell181，Shell181称为4节点有限应变壳单元，适用于模拟薄壳至中等厚度壳结构，该单元的每个节点有6个自由度，即沿节点坐标系x、y 和z方向的平动位移和绕各轴的转动位移，单元SHELL181非常适用于线性分析及大转动、大应变的非线性分析，在非线性分析中计入壳体厚度的变化，该单元支持完全积分和减缩积分，该单元考虑压力荷载的随动效应，即荷载刚度。

利用ANSYS的Block Lanczos计算大桥的模态，分析桥梁结构的振动特性，得到结构的模态参数。对大桥的模态进行现场监测，对比仿真与实测的结果，验证模型的准确性，利用车辆驶离桥面后引起的桥梁结构余振信号来识别结构自振特性参数，自振频率实测结果与桥梁有限元模型结果对比如下，一阶横向对称弯曲实测频率4.78Hz、计算频率4.8Hz，一阶竖向对称弯曲实测频率5.13Hz、计算频率5.15Hz，二阶竖向反对称弯曲实测频率14.99Hz、计算频率15.2Hz，误差均控制在6%以内，模型较为准确，可用于后续的分析。

1.2 车辆模型

该线路通过的列车为地铁B型车，列车的基本部件组成为车体、轮对、转向架构架等，其中车体考虑5个方向的自由度，侧滚、摇头、点头、横向、垂向，考虑了一系及二系悬挂的影响来进行分析，六辆车为一编组。

1.3 轨道不平顺模拟

轨道不平顺是引起列车振动的主要激励，根据桥梁的线路情况及轻轨的运营速度，选取美国5级谱作为轨道不平顺输入，转换功率谱，得到不平顺不平顺测点步长0.1m、序列长1000m的样本，。

1.4 车桥耦合模型建立

车桥耦合振动模型采用多体动力学软件UM进行构建。UM软件由俄罗斯的著名计算力学专家、数学家Dmitry Pogorelov教授带领团队进行开发，可以对任意二维复杂平面和空间系统进行模拟，在机械动力系统、桥梁、轨道及航空领域得到了广泛的应用。本文通过ANSYS建立桥梁模型，并导入UM中。

该模型实现原理为将轨道简化为连续支撑的无质量粘弹性力元，轮轨接触点的力取决于最近时刻的速度和位置。

横向力和垂向力计算公式见式1和2：

式中，Ry和Rz分别是横向和垂向轮轨力；cry和crz分别是轨道横向和垂向刚度系数；dry和drz分别是轨道横向和垂向阻尼系数，Δyr和Δzr分别是轨道横向和垂向弹性变形。这里的刚度为轨道及下部结构的整体（等效）刚度，包括轨枕、扣件、道砟、轨道板、道床、桥梁以及各层橡胶元件。

车辆系统和桥梁系统是耦合交互作用的。当车辆从桥梁上通过时，车辆荷载会使车轮以下的结构发生位移和变形，形成总的钢轨位移，随着钢轨位移和速度的变化，作用在车轮上的接触力也跟着发生改变，该接触力又反作用于钢轨，车轮上的力会传递到轨下结构，引起新的动态响应，该过程即为车辆和桥梁的相互作用。

2噪声特性分析

早高峰时期及晚高峰时期，是乘客及居民一天中最为疲惫的时刻，对外界的干扰最为敏感，此时车厢里挤满了人。该论文考虑车体载重为42.385吨，速度为50km/h、70km/h、90km/h下的噪声特性，且由于地铁行车速度较慢，主要噪声为轮轨噪声。

为了分析噪声，选取正常运营时期的箱梁跨中路段进行分析。通过倍频程分析，可以看到12Hz~63Hz短声压级呈上升趋势，然后在63Hz~500Hz附近噪声声压级呈下降趋势，在500Hz~630Hz附近噪声呈上升趋势，630Hz~20000Hz声压级急剧下降。可以看到噪声峰值为63Hz和630Hz，其中63Hz为低频段噪声，属于桥梁结构二次噪声，630Hz为高频噪声，主要为轮轨噪声。

现场安装有声屏障，为了分析声屏障的效果，对结果进行了对比，可以看到1/3倍频程声压级趋势较为一致，其中低频段噪声声压级大小相差较小，高频段噪声声压级相差较大，可以知道声屏障对高频噪声有较好的抑制效果，城市主要地铁噪声为高频噪声，声屏障的安装能有效减小噪声。

时域噪声测量为列车经过时的噪声，趋势为先变大再变小，无声屏障段噪声为73dB，有声屏障段噪声为69dB。正常行驶车速为80km/h，在降低速度到60km/m时，噪声可以降到65dB，所以为了更好的降低噪声，可以在离居民区较近的轨道线路降低速度。

3 结论

本文建立了箱梁桥的车桥耦合振动模型，分析了在超载情况下不同速度的轮轨噪声特性，经过对比分析得到以下结论：

（1）根据设计资料建立了车桥耦合振动模型，对比了现场桥梁实测的桥梁模态数据，验证了模型的准确性，可以为后续更多工况的分析提供保证。

（2）分析了时域及频域下的噪声，可知，速度下降总声压级降低，且轮轨主要频率为630Hz，可以针对该频率范围进行降噪，可用的措施为TMD简谐阻尼器、阻尼钢轨。

（3）分析了速度降低对噪声的影响，可以看到在60km/h时，噪声能降低4dB。

参考文献:

 [1] 俞悟周, 王 晨, 毛东兴, 等. 高速铁路动车组列车的噪声特性[J]. 环境污染与防治, 2009, 31（1）: 74-77.

[2] 迅, 苏 斌, 李小珍. 扣件刚度与阻尼对铁路箱梁车致振动噪声的影响研究[J]．振动与冲击, 2015, 34（15）:150-155．

[3] 李小珍,梁 林, 赵秋晨等. 不同轨道结构形式对高架箱梁结构噪声的影响[J]土木工程学报, 2018, 51(10); 78-87, 106.

[4] 易 强, 王 平, 赵才友等. 高架铁路环境噪声空间分布特性及控制措施效果研究[J].铁道学报, 2017, 39(3): 120-127.

基金项目：重庆交通大学研究生科研创新项目资助（2021S0013）。

通讯记者：黄政东(1994-)，男，硕士研究生，主要研究方向：轨道噪声。