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地面隔聲墻高度對軌道交通高架結構噪聲影響研究

張?zhí)扃?，劉艷2，羅雁云1，周力1

(1. 同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；2. 上海材料研究所，上海 200437)

以軌道交通32 m雙線混凝土簡支箱梁為研究對象，采用現(xiàn)場實測及有限元、聲學邊界元聯(lián)合仿真的方法，分析列車運行條件下橋梁低頻結構輻射噪聲的聲場分布，在此基礎上，考慮在橋梁附近設立不同高度的地面隔聲墻，分析隔聲墻高度對橋梁結構噪聲的影響。研究結果表明：橋梁振動輻射的噪聲主要集中在底板附近，以小于250 Hz的低頻噪聲為主，全局峰值出現(xiàn)在50~63 Hz頻率段；在一些較為復雜的現(xiàn)場工況，例如居民樓距高架橋的距離較近，在居民樓和橋梁之間設立的隔聲墻，可以在一定程度上降低橋梁結構噪聲對居民生活的影響；位于橋梁附近的隔聲墻對于墻后的場點有一定的降噪效果，降噪效果與隔聲墻高度呈非線性關系，在考慮經(jīng)濟效益和美觀的情況下，可以設立2.3 m左右的隔聲墻。

軌道交通高架箱梁；橋梁低頻輻射噪聲；有限元；邊界元；隔聲墻高度

目前，我國城市軌道交通處于高速發(fā)展階段，由軌道交通高架結構振動所帶來的噪聲問題，尤其是對沿線居民的影響也愈加受到重視，目前對于軌道交通高架橋采取的解決方法往往是在橋面上設立聲屏障[1]，國內學者對橋梁結構噪聲及聲屏障降噪效果進行了相關的理論和試驗研究，并取得了一系列的成果。雷曉燕等[2]分別對解析的波頻域法、數(shù)值法、實驗法和統(tǒng)計能量法進行了比較分析，提出有限元與邊界元相結合的方法在研究軌道交通環(huán)境振動與噪聲問題中具有較高的適用性。ZHANG等[3?4]對箱梁的結構噪聲進行了計算，并將計算結果與成灌快鐵線的測試結果進行對比，結果表明基于邊界元法的噪聲計算模型能夠準確地反映結構噪聲的分布情況，并提出在結構構造上降低箱梁結構噪聲的辦法。吳小萍等[5?6]采用有限元和邊界元法，建立了高速鐵路聲屏障降噪模型，對不同高度直立型聲屏障降噪效果進行仿真模擬，分析得知在同時考慮降噪需要和聲屏障成本的情況下，高速鐵路路基區(qū)段聲屏障的合適高度為3.45~3.95 m。由此可知，采用有限元聯(lián)合邊界元的仿真方法用于計算橋梁結構噪聲具有良好的適用性，橋面設立的聲屏障具有一定的降噪效果。由于聲屏障一般設立在橋梁頂板邊緣處，對輪軌及空氣噪聲有較好的降噪效果，但并不能減弱橋梁結構振動所輻射的噪聲，參考聲屏障的降噪效果，考慮在橋梁和建筑物之間設立隔聲墻，來削弱結構噪聲對附近居民的影響?；诖?，本文采用現(xiàn)場實測的方法，對我國某城市軌道交通高架段32 m雙線簡支混凝土箱梁的底板、翼板和腹板振動和橋梁近場噪聲進行現(xiàn)場測試，利用有限元軟件Abaqus建立基于32 m跨度箱梁橋在車輛運行狀態(tài)下的車?軌?橋動力學仿真模型，分析車速60 km/h運行通過時橋梁底板、翼板和腹板的振動響應；進而將計算獲取的振動響應作為外部激勵輸入到聲學軟件Virtual.lab中，采用瞬態(tài)邊界元法預測橋梁結構振動輻射的聲場分布規(guī)律，并在橋梁和居民樓之間建立不同高度的隔聲墻，分析隔聲墻后的場點聲壓級與聲屏障高度的關系，為減少高架橋結構噪聲對沿線居民的影響提供依據(jù)。

1 橋梁結構振動和噪聲實測

1.1 試驗概況

以我國某城市軌道交通高架線路32 m跨度雙線簡支箱梁為研究對象[7?9]，測試上行方向過路車以60 km/h時速通過時的橋梁結構振動及輻射噪聲。橋上無聲屏障，橋梁底板距地面約6.1 m，在距離橋梁中心線8 m處建有約4.5 m高的隔聲墻；該橋附近有雙向2車道公路，來往車輛較少，距橋梁中心線約20 m處有一獨棟4層居民樓，因測試時間為工作時間，居民生活噪聲較小，不會對測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。如圖1所示為現(xiàn)場測試全景圖，圖2為振動和噪聲測點布置示意圖，其中實心圓形標記為梁體底板、翼板和腹板的振動測點，柱狀標記為噪聲測點。橋梁尺寸見圖2。

圖1 試驗現(xiàn)場工況全景圖

1.2 噪聲結果頻域分析

因采用A計權會削弱噪聲的低頻部分，而高架箱橋的輻射噪聲主要集中在250 Hz以下[8]，因此，為了客觀分析橋梁低頻輻射噪聲的頻域特征，在此采用線性計權進行分析。為了分析橋梁結構噪聲的聲場分布對沿線居民的影響，在此僅分析橋梁結構振動聲輻射在水平方向的傳遞規(guī)律，如圖3所示為試驗獲取的各噪聲測點的線性計權1/3倍頻程曲線。由圖3可見：

1) 所有測點噪聲聲壓級主要集中250 Hz以下，且在全頻段均存在有3個峰值頻率段，分別是6.3~10 Hz，幅值均在65 dB左右；50~63 Hz，峰值特性明顯，幅值均大于80 dB；以及315~800 Hz，幅值為70 dB左右；可見低頻噪聲占主要成分。

2) 位于隔聲墻后的場點聲壓級在中高頻段(250~6 300 Hz)與隔聲墻前的場點相比有所增加，而在250 Hz以下的低頻段，尤其是峰值頻率63 Hz左右，場點聲壓級有較為明顯的降低[8]。

由此可見，隔聲墻的存在對于某些特定的頻率段有較好的降噪效果，因此在一些較為復雜的現(xiàn)場工況，例如，本文試驗中居民樓距高架橋的距離僅為20 m，可以考慮在居民樓和橋梁之間設立隔聲墻，以此來降低橋梁結構噪聲對居民生活的影響。

單位：m

(a) 測點9-測點5-測點1(線性計權)；(b) 測點10-測點6-測點2(線性計權)；(c) 測點11-測點7-測點3(線性計權)；(d) 測點8-測點4(線性計權)

2 振動聲輻射仿真模型

現(xiàn)場實測分析所得到的振動噪聲數(shù)據(jù)均為實測數(shù)據(jù)，為理論分析提供了依據(jù)，但由于條件所限，現(xiàn)場測試的工況較為單一，而影響隔聲墻降噪效果的因素多種多樣，無法全部通過現(xiàn)場實測獲得，因此，本文采用有限元聯(lián)合邊界元仿真分析的方法，研究列車運行時橋梁的結構振動響應，得到結構輻射噪聲的聲場分布情況，對不同高度隔聲墻的降噪效果予以分析。

2.1 高架結構振動有限元模型

采用Abaqus有限元分析軟件，依據(jù)試驗對象32 m跨度簡支箱梁建立車輛?軌道?橋梁有限元仿真計算模型，模型包括車輛，鋼軌，無砟軌道板，梁體和墩體結構，計算列車通過時的橋梁系統(tǒng)振動響應。

模型中車輛采用單節(jié)B型車進行模擬。鋼軌采用梁單元，截面屬性為60軌；為了能夠模擬單節(jié)列車通過橋梁跨中截面的全過程，建立兩跨度64 m的廣義截面梁；采用Cartesian連接單元模擬扣件系統(tǒng)；橋上無砟軌道板單塊板長6.4 m，寬2.55 m，厚0.2 m，等間距裝配10個軌道板；梁體橫截面幾何尺寸與圖2中實測橋梁幾何一致，材料屬性為C50混凝土；模型中的截面材料屬性如表1所示；梁體與橋墩之間采用彈簧阻尼單元連接。此外，本文選用美國6級高低不平順譜作為模型的激勵。高架橋梁結構振動有限元模型如圖4所示，以圖中第1跨橋梁為研究對象。

表1 模型中的材料參數(shù)

2.2 有限元動力響應分析

圖5為列車通過時橋梁底板、腹板的實測與仿真振動1/3倍頻程結果的對比。從圖中可以看出，仿真計算結果與實測數(shù)據(jù)具有較好的一致性，梁體結構振動響應的頻率特征和幅值特征基本吻合，且均在40~63 Hz和400~500 Hz附近出現(xiàn)峰值，峰值振級為107 dB左右。綜上所述，該有限元模型得到了實測數(shù)據(jù)的有效驗證，可用于預測梁體在不同測試工況下的振動響應，為后文研究復雜工況下結構輻射噪聲問題提供了模型基礎。

圖4 高架結構振動有限元模型

(a) 底板；(b) 腹板；(c) 翼板

2.3 結構輻射噪聲仿真分析

2.3.1 結構輻射噪聲仿真模型

將上述有限元仿真模型計算得到的梁體振動響應結果作為激勵，輸入至Virtual.lab Acoustics模塊下建立的聲學仿真模型中，采用瞬態(tài)邊界元法進行聲輻射預測，計算場點聲壓級，進而與實測結果進行對比分析。

三維聲學仿真模型如圖6所示，圖中箱梁為結構網(wǎng)格，箱梁輪廓包絡線為聲學網(wǎng)格，場點網(wǎng)格位于橋梁跨中截面，為圖中深色區(qū)域，同時在面場點網(wǎng)格上呈網(wǎng)狀布置了對應于試驗測點的11個點場點(球狀散點)。為與測試工況保持一致，模型中考慮隔聲墻和地面對噪聲的反射作用。

圖6 聲學仿真模型(結構網(wǎng)格、聲學網(wǎng)格和面場點網(wǎng)格及點場點相對位置)

2.3.2 結構輻射噪聲頻域分析

如圖7所示為橋梁中心線截面測點9~11的仿真和實測噪聲聲壓級1/3倍頻程對比。由于篇幅所限，其余測點的對比圖及對比分析此處不再贅述。

由圖7可知：所有測點的仿真和實測結果均在50~80 Hz頻段內達到峰值，峰值聲壓級均在85 dB左右，且所有測點的仿真聲壓級在不同頻率段的分布趨勢與實測聲壓級變化基本一致；但在16~40 Hz及100~200 Hz的頻帶內仿真聲壓級略低于實測值，這可能與模型的簡化有關。

(a) 測點9；(b) 測點10；(c) 測點11

總的來說，本文建立的結構振動輻射噪聲邊界元模型能很好地反映場點聲壓級在8~250 Hz頻帶內的變化趨勢及聲壓級值。

3 不同高度隔聲墻降噪效果仿真分析

3.1 不同高度隔聲墻降噪效果時域分析

在噪聲傳播路徑中采用隔聲措施是控制噪聲最常見且有效的方法之一，隔聲墻作為一種在城市交通常用的降噪措施，研究其在不同應用場合下的降噪效果具有較重要的意義。為了分析隔聲墻的降噪效果，本文計算了無隔聲墻以及與實測相對應的4.5 m高度隔聲墻的噪聲分布；此外，由于橋梁底板距地面高度為6.1 m，考慮設立略高于橋梁底板的隔聲墻(6.7 m)；且由于隔聲墻從0~4.5 m高度跨度較大，在其中增加仿真2.2 m高度的隔聲墻。基于上述分析，本文改變隔聲墻高度分別為0，2.2和6.7 m，進行仿真計算和對比分析，來研究隔聲墻高度對高架軌道結構噪聲的影響規(guī)律。如圖8所示，在水平距離30 m范圍內，隨著場點與橋梁中心線距離的增加，聲壓級呈現(xiàn)出外凸的近似波面衰減，可見在此空間范圍內，結構振動激勵直接引起的聲壓變化占主導地位[10]。分別對比圖8(a)，圖8(b)，圖8(c)和圖8(d)，可以看出，噪聲傳遞至隔聲墻時，在墻面處發(fā)生反射，在墻體頂端發(fā)生繞射，使得隔聲墻后聲壓的分布變得較為復雜，其他高度隔聲墻對噪聲時域聲場分布的影響與4.5 m隔聲墻類似。

(a) 無隔聲墻時列車位于橋梁中間場點聲壓云圖；(b) 4.5 m隔聲墻時列車位于橋梁中間場點聲壓云圖；(c) 無隔聲墻時列車前轉向架剛要離開橋梁場點聲壓云圖；(d) 4.5 m隔聲墻時列車前轉向架剛要離開橋梁場點聲壓云圖

3.2 不同高度隔聲墻降噪效果頻域分析

圖9和圖10為不同隔聲墻高度下噪聲測點1~250 Hz等效連續(xù)線性聲壓級和倍頻程。由圖9~10可以看出，不同高度的隔聲墻對于不同位置處噪聲聲壓級的影響有所區(qū)別：

1) 位于隔聲墻后的場點1~3聲壓受隔聲墻高度的影響較為顯著，相對距離橋面較近的場點4變化不大，即同一高度的隔聲墻在不同場點處的降噪效果不同；

2) 隔聲墻的降噪效果并不是隨著墻高度的增加而單調增加，場點聲壓級先隨著隔聲墻高度的增加而減小，但在4.5 m高度處有所增加，在6.7 m處繼續(xù)減??；因此在考慮經(jīng)濟及美觀的情況下，可以設立2.3 m左右的隔聲墻，在不考慮經(jīng)濟及美觀的情況下，可以設立6.7 m左右的隔聲墻。

圖9 不同隔聲墻高度下噪聲測點8~250 Hz等效連續(xù)線性聲壓級

(a) 測點1；(b) 測點2；(c) 測點3；(d) 測點4

綜上所述，隔聲墻對于位于隔聲墻后的場點有一定的降噪效果，需要注意的是，降噪效果與隔聲墻高度之間呈現(xiàn)非線性關系，若橋梁附近敏感區(qū)有高等級降噪要求，可以考慮在橋梁和敏感區(qū)之間設立一定高度的隔聲墻，墻體高度根據(jù)降噪的總體和分頻聲壓級要求加以確定。

4 結論

1) 橋梁振動輻射的噪聲主要集中在底板附近，以小于250 Hz的低頻噪聲為主，全局峰值出現(xiàn)在50~63 Hz頻率段。

2) 在一些較為復雜的現(xiàn)場工況，例如，本文試驗中居民樓距高架橋的距離僅為20 m，可以考慮在居民樓和橋梁之間設立隔聲墻，以此來降低橋梁結構噪聲對居民生活的影響。

3) 隔聲墻對于其后的場點有一定的降噪效果，且降噪效果與隔聲墻高度并不呈簡單的線性關系，隨著隔聲墻高度的增加，降噪效果呈現(xiàn)出先增大，再減小然后增大的趨勢；若橋梁附近敏感區(qū)有降噪需要，可以根據(jù)降噪的頻率和聲壓級要求在橋梁和敏感區(qū)之間設立一定高度的隔聲墻，在考慮經(jīng)濟及美觀的情況下，可以設立2.3 m左右的隔聲墻。

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Research on the influence of ground acoustic wall height on elevated structure noise of rail transit

ZHANG Tianqi1, LIU Yan2, LUO Yanyun1, ZHOU Li1

(1. Institute of Rail Transit, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

Based on the method of field measurement, structural finite element method and acoustic boundary element simulation, the sound pressure distribution of noise radiated by 32 m double-span concrete box bridge structure vibration was analyzed under the train operating condition. On this basis, considering the establishment of different height insulation wall on the ground near the bridge, the impact of sound insulation wall height on the bridge structure noise was analyzed. The results show that the radiation noise of bridge vibration is mainly concentrated in the vicinity of the bottom plate, the web and the wing, with the noise near the bottom being most significant. The structural noise is dominated by low frequency, with less than 250 Hz frequency noise as the main component and the peak of 50~63 Hz. In some more complicated conditions, such as the closer distance between the residential building and the viaduct, sound insulation walls between residential buildings and bridges can reduce the impact of bridge structural noise on the residents’ life. The sound insulation wall has a certain noise reduction effect on the field point after the wall, but the noise reduction effect is not linearly related to the height of the insulation wall. Considering the economic benefits and beautiful circumstances, sound insulation wall with the height of 2.3 m is suitable.

rail transit overhead box girder; bridge low-frequency radiation noise; finite element; boundary element; height of sound insulation wall

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.023

U24；O421

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0168 ? 08

2018?01?02

國家自然科學基金資助項目(51678446，51708422)

劉艷(1985?)，女，遼寧康平人，博士，從事軌道結構工程、振動與噪聲控制研究；E?mail：lys_20170@163.com

(編輯 陽麗霞)