羅文俊,楊鵬奇,張子正
(華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,江西 南昌 330013)
軌道交通箱形梁產(chǎn)生的低頻噪聲會(huì)對人體的生理健康及精密儀器等有負(fù)面影響[1]。就目前而言,對該結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)及噪聲輻射的研究有待提高。橋梁結(jié)構(gòu)噪聲問題涉及領(lǐng)域廣、研究對象多,研究對象間還存在相互作用關(guān)系,是一個(gè)復(fù)雜的綜合體系。用解析方式研究復(fù)雜彈性體橋梁輻射的噪聲場較難。近年來,國內(nèi)外對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲振動(dòng)都進(jìn)行了大量詳細(xì)的研究。文獻(xiàn)[2]考慮列車有關(guān)參數(shù),結(jié)合特定的振動(dòng)和波動(dòng)方程,計(jì)算得到橋梁周圍聲場的聲壓輻射響應(yīng)。文獻(xiàn)[3]將實(shí)體單元作為基本研究對象,運(yùn)用有限元方法對高速鐵路高架箱形橋梁的局部振動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[4]將理論與試驗(yàn)結(jié)合,進(jìn)一步分析預(yù)測列車運(yùn)行狀態(tài)下橋梁產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律,以及周圍聲場的聲輻射響應(yīng)變化情況。文獻(xiàn)[5]采用車軌橋耦合振動(dòng)理論,研究橋梁豎向振動(dòng)及梁體面板聲貢獻(xiàn)量和聲功率貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[6]結(jié)合有限元和聲學(xué)軟件對軌道交通橋梁振動(dòng)噪聲進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[7]基于FE-SEA混合法,分析垂直輪軌力荷載下U形梁的局部振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲特性。有限元法、邊界元法、統(tǒng)計(jì)能量法是目前研究橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲的主要方法:在中、低頻段范圍內(nèi)運(yùn)用有限元法(FEM)計(jì)算較簡單動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)精度較高,邊界元法分析較高頻時(shí)計(jì)算量較大且耗時(shí),用有限元法和邊界元法研究橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲一般只能分析200 Hz以下的較低頻段,而統(tǒng)計(jì)能量法(SEA)在分析低頻時(shí)預(yù)測精度大幅度下降。
本文運(yùn)用FE-SEA混合法,在2.5~500 Hz范圍內(nèi)的不同頻段分別建立箱形梁各板單元的FE、FE-SEA混合與SEA模型。在頻域內(nèi)對垂向輪軌力作用下箱形梁截面各板單元在2.5~500 Hz頻率范圍的局部振動(dòng)及結(jié)構(gòu)噪聲特性進(jìn)行分析,研究結(jié)構(gòu)各板單元振動(dòng)響應(yīng)、聲壓貢獻(xiàn)量、振動(dòng)能量及箱形梁的振動(dòng)功率損失,并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。
FEM適用于低頻,在單元足夠多的情況下對低頻的計(jì)算效率高;SEA適用于高頻,在模態(tài)數(shù)足夠多時(shí),對高頻的計(jì)算精度高。FE-SEA綜合了FEM和SEA的優(yōu)勢,提高了FEM的高頻計(jì)算效率同時(shí)也擴(kuò)展了SEA的低頻應(yīng)用頻率,可以進(jìn)行全頻段分析。可以將FE-SEA混合法[8]看做由若干子系統(tǒng)組合而成,應(yīng)用時(shí)需確定組合系統(tǒng)中的FE子系統(tǒng)和SEA子系統(tǒng)。
在分析結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)聲壓輻射響應(yīng)過程中,根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的帶寬Δf及模態(tài)數(shù)n的關(guān)系,將分析的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)頻段劃分為不同的頻段區(qū):低頻區(qū)、中頻區(qū)和高頻區(qū)。以模態(tài)密度1和5為界限,模態(tài)密度n不大于1為低頻區(qū);模態(tài)密度n不小于5為高頻區(qū);模態(tài)密度在1和5之間為中頻區(qū)。
根據(jù)FEM和SEA的優(yōu)勢,分別在低頻區(qū)建立FE模型、高頻區(qū)建立SEA模型、中頻區(qū)建立FE-SEA模型。FE子系統(tǒng)邊界上的位移自由度定義為q,自由度q與作用在FE子系統(tǒng)邊界上的外力f的關(guān)系方程式可以定義為
f=Dq
(1)
式中:D為動(dòng)態(tài)剛度矩陣,其與頻率有密切的聯(lián)系。
frev=Ddirq-Dq
(2)
式中:Ddir為FE子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)剛度矩陣;frev為FE子系統(tǒng)的附加力。
將式(2)代入式(1)可得
frev+f=Ddirq
(3)
則節(jié)點(diǎn)之間的位移響應(yīng)q滿足
(4)
式中:Hdir為FE子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)剛度矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣;E為研究分析結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中FE子系統(tǒng)和SEA子系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動(dòng)能量;G為格林函數(shù);rjk為網(wǎng)格點(diǎn)j和k之間的距離;ω為角頻率;n為FE子系統(tǒng)和SEA子系統(tǒng)的模態(tài)密度。
FE-SEA混合方程可以寫成
(5)
(6)
(7)
(8)
由式(5)~式(8),可以求得統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)的振動(dòng)能量值。再由式(4)求得確定性子系統(tǒng)的位移響應(yīng)后,進(jìn)而可求得子系統(tǒng)的速度、加速度等物理量。在此基礎(chǔ)上,由聲輻射理論即可求得任意場點(diǎn)的傳播聲壓。
以32 m高速鐵路雙線混凝土箱形梁為研究分析對象。梁體全長為32.6 m,寬度為11.4 m,梁高2.354 m;箱形梁左右腹板、左右翼板、頂板和底板厚度分別為0.28、0.28、0.35和3.946 m。采用FE-SEA混合法建立模型進(jìn)行仿真計(jì)算,本文仿真計(jì)算分析頻段為2.5~500 Hz,運(yùn)用板單元提高了仿真分析模型仿真分析的精度與效率。根據(jù)各板單元的彎曲模態(tài)密度,以5為界限在不同的頻段建立仿真分析計(jì)算模型。箱形梁各板單元的彎曲模態(tài)密度隨頻率變化的的規(guī)律如圖1所示,結(jié)合寬頻帶激勵(lì)完成分頻段建模[9-10]。在2.5~160 Hz頻段內(nèi)建立FE模型,為提高仿真計(jì)算分析精度,F(xiàn)E子系統(tǒng)單元邊長取0.2 m;在160~315 Hz頻域內(nèi),箱形梁翼板單元建立FE子系統(tǒng)模型,腹板、頂板和底板建立SEA子系統(tǒng)模型;在315~500 Hz頻段內(nèi),箱形梁各板單元模態(tài)密度均大于5,因此建為SEA子系統(tǒng)模型。在不同頻段建立的仿真計(jì)算分析模型如圖2所示。箱形梁各板單元在不同頻段內(nèi)的子系統(tǒng)分類見表1。
圖1 箱形梁各板單元彎曲模態(tài)密度隨頻率的變化關(guān)系
圖2 箱形梁FE-SEA模型
表1 箱形梁板單元子系統(tǒng)分類
箱形梁各個(gè)板單元結(jié)構(gòu)可分別視為具有不同寬度(a)和長度(b)的矩形梁板結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)輻射聲功率為[4]
(9)
本研究的仿真計(jì)算分析技術(shù)如圖3所示,通過SIMPACK建立車軌耦合模型,所建模型如圖4所示,通過計(jì)算得到時(shí)域垂向輪軌力。在2.5~500 Hz范圍內(nèi),分別在不同的頻段建立FE、FE-SEA和SEA橋梁模型:在板單元模態(tài)密度數(shù)都小于5的頻段內(nèi)建立FE模型,板單元模態(tài)密度數(shù)都大于5的頻段內(nèi)建立SEA模型,在其余頻段建立FE-SEA模型。根據(jù)箱形梁長度、輪距與車距,將頻域內(nèi)的輪軌力以最不利的形式施加于箱形梁中部位置,并在此基礎(chǔ)上分析箱形梁的振動(dòng)能量、預(yù)測箱形梁的振動(dòng)及聲壓輻射響應(yīng)的一般規(guī)律。
圖3 仿真計(jì)算分析技術(shù)流程
圖4 列車-無砟軌道-橋梁耦合系統(tǒng)(單位:m)
選用CRH2動(dòng)車組,車輛具體參數(shù)見表2。選用德國高干擾高低不平順譜,鋼軌選擇UIC60型,輪軌為單點(diǎn)剛性接觸,車速為140 km/h。在列車車輪與軌道模型中引入列車車輪和軌道的有關(guān)參數(shù)以及輪軌之間接觸等相關(guān)因素,用來詳細(xì)闡述軌道與列車車輛各個(gè)剛體之間的運(yùn)動(dòng)及受力關(guān)系。通過計(jì)算時(shí)域輪軌力,運(yùn)用傅里葉變換將其轉(zhuǎn)化為頻域內(nèi)輪軌力有效值,如圖5(a)所示,再轉(zhuǎn)換為1/3倍頻程輪軌力,轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖5(b)所示,輪軌力最大幅值所在頻率均為50 Hz。
表2 CRH2動(dòng)車組部分參數(shù)
(a)輪軌力有效值
(b)1/3倍頻程輪軌力
利用VAOne軟件分別建立32 m雙線箱形梁FE、FE-SEA混合和SEA模型。高架箱形梁建造所使用的混凝土強(qiáng)度等級為C55,其物理性質(zhì)參數(shù)見表3。
表3 混凝土物理性質(zhì)參數(shù)
在梁體結(jié)構(gòu)支座處用點(diǎn)約束模擬簡支邊界條件[4]。仿真計(jì)算的箱形梁模型橫截面及激勵(lì)施加在橋梁的位置情況如圖6所示,激勵(lì)以最不利的方式加載,即施加在箱形梁正中部位置。
(a)跨中截面
(b)激勵(lì)加載示意
本文激勵(lì)計(jì)算采用德國不平順譜(波長為0.07~30 m),車速為140 km/h,箱形梁的振動(dòng)與聲輻射分析頻率為2.5~500 Hz。計(jì)算連續(xù)頻率荷載和1/3倍頻程荷載作用下橋梁各板單元的振動(dòng)響應(yīng),如圖7所示。由圖7可以看出橋梁各板振動(dòng)響應(yīng)均在50 Hz處到達(dá)最大值。由于本文關(guān)注的橋梁結(jié)構(gòu)噪聲與橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量分布有直接關(guān)系,1/3倍頻程的計(jì)算方式能夠很好地反映能量的分布,且1/3倍頻程譜線少、頻帶寬,所以在后續(xù)的仿真計(jì)算分析過程中均采用1/3倍頻程計(jì)算方式[11]。
(a)連續(xù)頻率荷載
(b)1/3倍頻程荷載
由圖7(b)可知:小于6.3 Hz頻段內(nèi)箱形梁整體振動(dòng)明顯,峰值出現(xiàn)在4~5 Hz。在2.5~500 Hz頻段內(nèi)左右腹板振動(dòng)幾乎一致,左右翼板振動(dòng)規(guī)律相同。箱形梁各板單元產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)最大幅值均在50 Hz處,振動(dòng)響應(yīng)最大幅值對應(yīng)的頻率與頻域內(nèi)輪軌力最大值對應(yīng)的頻率吻合。箱形梁的左右翼板、左右腹板、底板、頂板單元中點(diǎn)的最大加速度級分別為120.6、117.9、118.3、116.9、113、116 dB。在整個(gè)分析頻段,箱形梁產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)明顯的頻段為40~80 Hz,因此在40~80 Hz頻段內(nèi)首先應(yīng)考慮采取減振措施,達(dá)到減振的目的;在整個(gè)分析頻段內(nèi),最大加速度級出現(xiàn)在左翼板,這是由于翼板寬度和厚度均較小,且荷載作用在左側(cè)。如圖7所示,在2.5~50 Hz頻段內(nèi),各個(gè)板振動(dòng)加速度級幾乎在5、20、50 Hz均出現(xiàn)峰值,這3個(gè)頻帶為主要的減振頻帶;10~40 Hz和100~200 Hz頻段內(nèi),頂板產(chǎn)生的振動(dòng)加速度級比其余板單元大,即頂板起主要的振動(dòng)作用,因此頻段內(nèi)對頂板減振能為整體減振帶來良好的效果;在200~500 Hz頻段內(nèi),各板單元的振動(dòng)加速度級逐漸增大,左右翼板和頂板增加較明顯,因此應(yīng)將其作為主要的減振對象。
為驗(yàn)證本文箱形梁模型的準(zhǔn)確性,在相同工況下進(jìn)行實(shí)地測試。車速為140 km/h,測得箱形梁頂板振動(dòng)響應(yīng)的最大值為112.9 dB,通過軟件進(jìn)行仿真計(jì)算分析得到理論值為111.5 dB,可以認(rèn)為:實(shí)地測量值與理論計(jì)算值相差較小。由于仿真計(jì)算分析中不包括鐵路軌道及橋墩等其他結(jié)構(gòu)因素的間接減振作用,因此遠(yuǎn)聲場點(diǎn)(距離左線中線25 m)的聲壓輻射響應(yīng)模擬數(shù)值比實(shí)地測量數(shù)值偏大,如圖8所示。由橋梁振動(dòng)及遠(yuǎn)聲場點(diǎn)聲壓級的模擬值與現(xiàn)場實(shí)測值對照可知本文模型是正確的。
圖8 底板加速度仿真值與實(shí)測值對比
將本文仿真計(jì)算分析的效率與文獻(xiàn)[12]進(jìn)行比較,結(jié)果見表4,可以看出:本研究模型在保證預(yù)測準(zhǔn)確度的前提下,計(jì)算效率也有大幅度提升。
表4 計(jì)算方法效率對比
振動(dòng)功率L由各子系統(tǒng)的阻尼及相鄰子系統(tǒng)間耦合,由輪軌力輸入能量w根據(jù)L=lg(w/wref)(wref=10-12W)計(jì)算求得。箱形梁整體振動(dòng)功率損失如圖9所示,其振動(dòng)功率級損失出現(xiàn)在整個(gè)仿真分析的頻段內(nèi)。在2.5~6.3 Hz頻段內(nèi),箱形梁產(chǎn)生的振動(dòng)功率級損失隨著頻率增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢;在6.3~63 Hz頻段內(nèi),箱形梁產(chǎn)生的振動(dòng)功率級損失值約為12.9~18.4 dB;在63~500 Hz頻段內(nèi)箱形梁產(chǎn)生的振動(dòng)功率損失隨著頻率的增加而上升。
圖9 箱形梁振動(dòng)功率損失
利用FE-SEA混合方程計(jì)算得到箱形梁SEA子系統(tǒng)產(chǎn)生的共振能量,F(xiàn)E子系統(tǒng)的求解則是通過將子系統(tǒng)局部質(zhì)量與箱形梁的振動(dòng)速度結(jié)合得到。計(jì)算得到的箱形梁振動(dòng)能量級如圖10所示。由圖10可知:箱形梁各板單元產(chǎn)生的振動(dòng)能量級隨頻率的變化與其產(chǎn)生的聲壓輻射響應(yīng)規(guī)律大致相同,在2.5~500 Hz頻段內(nèi),5 Hz和50 Hz處箱形梁產(chǎn)生的振動(dòng)能量最大。對箱形梁進(jìn)行模態(tài)分析,如圖11所示,圖11中顏色由紅至藍(lán),代表振動(dòng)能量由高到低。將箱形梁1階振型與40階振型對比可知,在50 Hz處箱形梁各個(gè)板的局部振動(dòng)明顯大于5 Hz處對應(yīng)的整體振動(dòng)。將40階振型與239階振型對比可知,200 Hz對應(yīng)的局部振動(dòng)小于50 Hz處的局部振動(dòng)。這與圖10箱形梁振動(dòng)能量級的結(jié)果基本一致。
圖10 箱形梁各板單元振動(dòng)能量級
圖11 箱形梁振型
分析箱形梁各板單元在近場點(diǎn)(各板單元中心垂直向外0.3 m范圍)的噪聲聲壓輻射響應(yīng)分布規(guī)律,同時(shí)分析箱梁各板單元結(jié)構(gòu)在場點(diǎn)處的聲壓輻射響應(yīng),在箱梁跨中設(shè)置考察場點(diǎn)M1、M2和M3,如圖12所示。其中M1和M2到橋面的豎向距離分別為1.2 m和3.5 m,M3與地面的豎向距離為1.5 m,3個(gè)場點(diǎn)距左線中線的水平距離均為25 m。
圖12 遠(yuǎn)場位置示意(單位:m)
圖13為梁體各板單元在近場點(diǎn)的聲壓輻射響應(yīng)值。從圖13可以看出:各板單元聲壓輻射響應(yīng)和振動(dòng)響應(yīng)最大值均出現(xiàn)在50 Hz處,這是因?yàn)檩嗆壛ψ畲蠓祵?yīng)頻率也為50 Hz;近場點(diǎn)箱形梁結(jié)構(gòu)聲輻射響應(yīng)較明顯的頻段主要為40~80 Hz。在近場點(diǎn),頂板的聲壓輻射響應(yīng)出現(xiàn)最大值128.5 dB。在2.5~50 Hz頻段內(nèi),隨著頻率的增加,各板單元聲壓級總體呈逐漸上升趨勢。在50~200 Hz頻段內(nèi)各板單元聲壓級總體上逐漸下降。但在200~500 Hz頻段內(nèi),各板單元聲壓級呈上升趨勢,且頂板占據(jù)一定優(yōu)勢,其最大值為98.0 dB,小于2.5~50 Hz頻段段內(nèi)的最大值。在整個(gè)分析頻段內(nèi),底板最大聲壓級為112.9 dB;在4~16 Hz頻段內(nèi),底板產(chǎn)生的聲壓僅次于頂板。在整個(gè)分析頻段內(nèi),頂板聲壓級占據(jù)明顯的優(yōu)勢。翼板的振動(dòng)響應(yīng)較大,但是由于翼板相對其他板單元結(jié)構(gòu)尺寸較小,因此翼板所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)聲壓輻射響應(yīng)比其他各板單元小。左右翼板聲壓級最大幅值分別為114.6、115.9 dB,在5~10 Hz頻段內(nèi)左翼板聲壓級比右翼板大,在100~500 Hz頻段內(nèi),左右翼板聲壓級幾乎一致。這是由于左右翼板寬度和厚度均較小,在低頻時(shí),靠近激勵(lì)一側(cè)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)會(huì)生較大的聲壓,高頻時(shí),結(jié)構(gòu)的對稱性會(huì)使相互對稱部位產(chǎn)生的聲壓幾乎一致。
圖13 近場點(diǎn)聲壓級
橋梁結(jié)構(gòu)的3個(gè)遠(yuǎn)場點(diǎn)聲壓值如圖14所示,可以看出,與橋梁水平距離相同、高度不同的遠(yuǎn)場點(diǎn)聲壓值基本相同。
圖14 遠(yuǎn)場點(diǎn)聲壓級
通過仿真計(jì)算分析箱形梁各板單元的聲壓貢獻(xiàn)量,能夠指導(dǎo)選擇合適的降噪措施。通過仿真分析計(jì)算得到箱梁各板單元使遠(yuǎn)場點(diǎn)M1、M2、M3產(chǎn)生的聲壓輻射響應(yīng),結(jié)果如圖15所示,由于M1、M2、M3的聲壓輻射響應(yīng)規(guī)律相同,將3點(diǎn)的變化情況用1幅圖繪出。進(jìn)一步分析計(jì)算,得到箱形梁梁體單元在遠(yuǎn)場點(diǎn)M1、M2、M3輻射的總聲壓值,通過理論計(jì)算得到箱形梁各板單元對3個(gè)遠(yuǎn)場點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)量,計(jì)算結(jié)果見表5。
圖15 橋梁整體及各板在遠(yuǎn)場點(diǎn)M1、M2、M3處產(chǎn)生的聲壓級
以遠(yuǎn)場點(diǎn)M2為例,圖15(b)為仿真計(jì)算出的遠(yuǎn)場點(diǎn)M2處的聲壓輻射響應(yīng)結(jié)果,可以看出,M2的總體聲壓輻射響應(yīng)峰值出現(xiàn)在5 Hz和50 Hz處。由表5可以看出頂板對場點(diǎn)M2的聲貢獻(xiàn)量最大,左腹板的聲貢獻(xiàn)量次之,右翼板聲貢獻(xiàn)量最小。
表5 遠(yuǎn)場點(diǎn)聲壓級及各板單元貢獻(xiàn)量
(1)在2.5~500 Hz頻段內(nèi)分別建立FE、FE-SEA混合與SEA模型,進(jìn)一步仿真計(jì)算箱形梁結(jié)構(gòu)在垂向輪軌力作用下的振動(dòng)及噪聲響應(yīng)。
(2)32 m雙線簡支箱形梁在50 Hz處局部振動(dòng)響應(yīng)幅值達(dá)到最大,加速度優(yōu)勢頻率集中在5~50 Hz。在2.5~500 Hz頻段內(nèi),頂板的聲輻射響應(yīng)明顯大于其他板單元,但是振動(dòng)響應(yīng)最大值出現(xiàn)在左翼板。
(3)箱形梁頂板單元在遠(yuǎn)近聲場點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)量均比其他板單元大,在整個(gè)分析頻段內(nèi)頂板產(chǎn)生的聲壓起主導(dǎo)作用,因此在降低噪聲輻射響應(yīng)方面應(yīng)首先考慮對箱形梁頂板采取必要的措施。
(4)箱形梁產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)以及對遠(yuǎn)近聲場點(diǎn)聲壓輻射響應(yīng)影響較明顯的頻段為40~63 Hz,通過計(jì)算得到輪軌力最大幅值頻率也在40~63 Hz,因此應(yīng)在該頻段重點(diǎn)采取必要措施,達(dá)到對箱形梁的減振降噪目的。
(5)箱形梁的振動(dòng)功率級損失值范圍為12.9~18.4 dB。箱形梁振動(dòng)能量的最大幅值頻率為50 Hz,各板單元的振動(dòng)能量級由大到小為頂板、翼板、腹板。
(6)本文模型避開了FE確定性方法在高頻段計(jì)算量大及SEA在低頻段精度差的缺點(diǎn),解決目前箱梁振動(dòng)噪聲計(jì)算效率與精度的矛盾,提高了預(yù)測精度及計(jì)算效率,擴(kuò)大了橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲頻譜特性研究的頻域范圍。