鐵路鋼橋的噪聲與噪聲控制

毛學鋒 中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031

鐵路鋼橋的噪聲與噪聲控制

毛學鋒 中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031

鋼橋噪聲是一個很復雜的問題，它與軌道構造，橋梁結構，周邊環境等有密切的關系。本文論述了國內外鐵路鋼橋的噪聲控制措施，為鐵路鋼橋的噪聲控制提供參考。

鐵路鋼橋；噪聲；噪聲控制

引言

20世紀50年代起，噪聲已成為一種主要的環境污染源，它不僅影響人們正常的工作、學習和休息，而且危害到人們的身體健康。

我國噪聲控制研究始于1985年，至今已成為環境保護產業的重要組成部分。歐洲共同體委員會于1996年1月4日發表了題為“未來噪聲政策”的綠皮書，指出未來環境噪聲控制的對策是進一步開展噪聲暴露評價的研究，降低道路交通、鐵路、飛機和戶外機械噪聲，重視土地使用規劃和噪聲教育，提高全民意識。[1]

對振動與噪聲干擾的治理和防護, 一直是高速鐵路工程的重要組成部分。日本、德國、法國等發達國家高速鐵路工程中, 用于降噪、減震的投資在工程總投資中占有相當大的比重。列車通過橋梁時，輪軌作用除了使車輪和軌道直接向外輻射噪聲外，還要向橋梁的各個構件傳遞振動能量，激發橋梁的各個構件產生振動，并形成噪聲的二次輻射。大量實測表明，一般情況下鐵路橋梁噪聲要比普通線路上增加約0～20dB(A)。[2]

1.鐵路橋梁的噪聲

高速列車在軌道上運行時發生的各種噪聲主要由鋼軌和車輪的轉動聲（輪軌噪聲）；車體的空氣阻力噪聲（空氣聲）；建筑物噪聲；電裝置的受電系統聲（集電噪聲）組成。這些噪聲產生后，還會通過車體傳到車內，形成車室噪聲。建筑物噪聲主要是由于車輪與鋼軌間的振動，經由軌道向建筑物而產生的第二次振動聲，主要來自橋梁的二次振動。從振動聲音的大小看，無道砟的明橋面鋼橋更突出一些。當列車通過橋梁時，由于引起橋梁上的各種構件的振動而向外輻射噪聲，此聲源稱為橋梁結構噪聲，其發生機理如圖1。[3]

高架軌道分為三類：第一類，輕型高架鋼結構，鋼板梁、鋼軌直接固定在鋼板道床上；第二類，混凝土梁支撐的混凝土高架結構，采用彈性扣件直接將鋼軌固定在混凝土道床上；第三類，碎石枕木道床高架結構。

由于共振作用鋼結構橋對路旁的輻射噪聲最大，傳播范圍廣，主要成分是結構噪聲。混凝土橋的橋梁構件自重大，當列車通過時受到的振動激勵響應比鋼結構要小得多，因此輻射噪聲比較小。主要噪聲成分是輪軌噪聲。

圖1 橋梁結構噪聲產生機理

2.鐵路橋梁的噪聲控制措施

由于鐵路橋梁的振動和輻射噪聲聲場分布復雜，要根據橋梁結構不同采用不同的控制措施。主要從噪聲源研究降低源強的方法，使其向外輻射的振波和聲波能量盡可能低。

2.1 橋上線路方面[2]

(1) 線路平順，鋼軌接縫要小，采用重型焊接長鋼軌（一般長度為1-2 km），較普通短軌（25m）可降噪8-10dB(A);(2) 修整、研磨軌面波形磨耗，保持鋼軌表面處于良好的工作狀態，可降噪2-9 dB(A)；經常維修軌縫，使之符合標準，可降噪2-5 dB(A)；(3)采用有碴道床，隔振吸聲性能好；(4) 鋼軌與輪枕間、鋼軌與鋼軌間采用彈性緊固件，可以減弱振動，降噪3-5 dB(A)；(5) 在鋼軌和輪軌下增加彈性防振墊；(6) 國外試用防振鋼軌，在鋼軌軌腰兩側用橡膠包覆，并用螺栓、支撐件壓緊。防振橡膠除阻尼振動、降噪外，還與鋼軌一起承受縱、橫方向方向荷載。用在高架鐵路上，可降噪3-4 d B(A)；(7) 在橋梁兩側建聲屏障。可降噪8-10dB(A)。

2.2 橋梁結構方面

橋梁結構要有較高的強度和較大的抗撓抗扭剛度，一般不采用柔性結構，梁部選用混凝土或預應力混凝土等感熱遲鈍的材料。因鋼支座產生較大的噪聲和振動，因此橋梁宜采用橡膠支座。對于鋼桁橋，可用混凝土層（約150mm厚）包覆或用阻尼涂料覆蓋，或將橡膠—瀝青系列材料用環氧樹脂粘貼與外表面。這些措施降噪效果約在10d B(A)以內[2]。

3.鋼橋的防噪聲措施

鋼橋由于其重量較混凝土輕，可以使下部結構設計經濟，尤其對軟弱地基及地震區更為有利。另外，鋼橋桿件可在工廠預制，運到工地后，可在短時間內架設，且加工、維修、更換起來也容易，所以它是鐵路橋的常用形式。但鐵路鋼橋因噪聲過大，是其讓位于混凝土橋的主要原因之一。

3.1 我國減少橋梁增噪的措施[4]

我國采用道砟橋面的結合梁來克服明橋面噪音大的缺點，即由鋼筋混凝土道砟槽板和鋼板梁組合成一個整體來工作，利用道砟的吸振和吸音作用使行車噪聲減弱。

3.2 日本減少橋梁增噪的措施[3]

日本的低噪音鋼橋，就是鋼橋的道床為鋪設有長鋼軌的有碴道床，并在有碴道床下埋置道砟底板，而在橋跨兩側走道上設置隔音墻。道砟底板（厚25m m的橡膠底板）的埋設施工簡單，成本也低，減小噪音效果卻很好，而且它還有防止道床下翻碴的作用。

日本低噪音鋼橋的防噪音結構措施，主要是在道床上，其常用的道床有：上承板梁道床；下承板梁道床；結合梁道床；下承桁梁道床；其他板式道床。

（1）上承板梁

主梁為型或箱型截面的上承板梁，為減小其腹板和下翼緣的振動在腹板上安設瀝青橡膠材料的減振件，而在下翼緣上則采用灌注混凝土的方式減振。

（2）下承板梁

對于下承板梁鋼橋面板，是在主梁和橫肋上安裝減振件。若對噪音要求較嚴，且橋下凈空有限制時，如日本八戶線柏崎橋（跨度35.6m）,可在箱形截面的主梁外側的腹板上安設減振件，并在下翼緣上灌注混凝土減振。另外，為減小橫肋和縱肋等因振動而產生的噪音，在橫肋下面的翼緣上設置消音鋼板。

在H型鋼梁形式中，在縱橋向以60cm間距設置H型鋼，并配置鋼筋灌筑混凝土。H型鋼與混凝土結合構成組合截面的橋面系。這種結構形式多用于復線鐵路橋。

對于用混凝土外包橋面系做成的下承板梁混凝土橋面板形式，是除橫梁的下翼緣外，縱梁和橫梁全外包混凝土，以達到減震的目的。這種結構形式的防噪音效果比僅在腹板上安裝減振件的鋼橋面板形式要好。

（3）下承桁梁

對于鋼橋面板形式在梁下安裝隔音板。對于混凝土橋面板形式，處理方法同鋼橋面板形式。

（4）其他板式軌道

(1)-(3)所介紹的方法，均為有碴道床，在有碴道床中埋置碴床底板的結構形式，其梁正下方的噪音響度比明橋面結構低20-30方，因而是一種降低噪音的基本方法。但當梁下凈空受到限制，而必須采用板式道床或鋼梁直接聯結軌道時，由于這時的振動都是直接傳遞，防噪音工作比有碴道床困難。

對于下承鋼板梁，采用混凝土外包橋面系，在其結構下還可加設隔音板。

對于采用板式軌道的結合梁，當其梁下凈空較寬余時，在梁下安設隔音板的結構形式。當其梁下凈空有限制時，可在主梁下翼緣的上面灌筑混凝土，而在梁側加設隔音板。

對于混凝土橋面板的桁梁，在梁側用隔音板作成反L形隔音墻，對其縱、橫梁，可采用外包混凝土方法減振。若橋位于對噪音有嚴格限制的地區，還應在梁下加設隔音板。

3.3 荷蘭的低噪聲鋼橋

M.H.A.Janssens 和D.J.Thom pson[5]提出了低噪音鋼橋設計的幾點建議：

1）扣件系統

扣件系統對于橋梁上的滾動噪聲和橋梁本身的結構噪聲都很重要。降低它的振動剛度一方面可以增加軌道和橋梁的隔振效果，另一方面，還可以減少軌道中隔振效果隨距離的衰減。降低扣件系統的振動剛度可以提高軌道的振動水平，但同時增大了滾動噪聲，從而部分地削減了更高隔振的效果。較好的做法是聯合使用柔性軌道支座和添加軌道阻尼裝置。

2）新型橋梁結構的設計

橋梁結構在聲音傳播中的作用有二：吸收軌道的聲功率和將軌道的聲功率轉化為輻射聲。然而，從后者的角度來改進設計的可能性有限。如圖2，該圖為一鋼板（0.5m*5m）的輻射功率和輸入功率的平均比值是板厚h的函數，該比值適用于板厚為15-30mm,大多數鋼橋的板厚為15-30mm。因而，盡量減少輸入功率顯得更重要，這可以通過設計盡可能高的高阻抗橋梁來實現。

圖2 板內的振動功率和輻射功率的比值(功率范圍：250-1000Hz)

3）其他措施

在不改變橋梁結構的情況下的其他措施也可以降低橋梁的噪聲，并已應用于已建橋梁，包括添加橋梁的阻尼夾層，建立聲屏障等。

荷蘭低噪音鋼橋研究組測試了200多種不同的厚度組合對橋梁增噪的影響，使用荷蘭國有鐵路和旅客列車，以140km/h的速度運行通過。測試發現，增加板的厚度可顯著降低橋梁噪聲。

采用夾層阻尼也可有效地減少橋梁發出的噪聲。其原理是基于夾入結構構件與附加薄鋼板間的黏彈性層對能量的吸收。

采取通過增加阻尼或通過密封鋼軌來降低鋼軌的振動程度來減少滾動噪聲，從而減少鐵路橋梁的總噪聲。可通過埋置鋼軌的方式來實現，如圖3。

荷蘭低噪聲橋研究組開發的低噪聲橋，采用聲學上的最佳板厚組合。鋼軌被埋置在槽內并使用軟木橡膠乳劑固定，這種固定法可能為鋼軌提供最佳垂直和水平剛度，同時也可有效地封閉鋼軌，并能使建設公差最小化。

圖3 埋入軌道結構

4.結論

由于鐵路橋梁的振動和輻射噪聲聲場分布復雜，要根據橋梁結構不同采用不同的控制措施。主要從噪聲源研究降低源強的方法，使其向外輻射的振波和聲波能量盡可能低。橋梁結構要有較高的強度和較大的抗扭剛度，一般不采用柔性結構，梁部選用混凝土或預應力混凝土等感熱遲鈍的材料。因鋼支座產生較大的噪聲和振動，因此橋梁宜采用橡膠支座。對于鋼桁梁橋，可用混凝土層（約150mm厚）包覆或用阻尼涂料覆蓋，或將橡膠—瀝青系列材料用環氧樹脂粘貼于外表面。這些措施降噪效果約在10dB(A)以內。

我國采用道砟橋面的結合梁來克服明橋面噪音大的缺點，即由鋼筋混凝土道砟槽板和鋼板梁組合成一個整體來工作，利用道砟的吸振和吸音作用使行車噪聲減弱。日本的低噪音鋼橋，就是鋼橋的道床鋪設有長鋼軌的有碴道床，并在有碴道床下埋置道砟底板，而在橋跨兩側走道上設置隔音墻。荷蘭低噪聲橋研究組開發的低噪聲橋，采用聲學上的最佳板厚組合，鋼軌被埋置在槽內并使用軟木橡膠乳劑固定。

[1] European Commission.Green Paper—Future Noise Policy[J].NNI,1997,July,vol.4,No.2:73-85

[2]卜建清，等.減小鐵路振動與噪聲影響的方法[J].鐵道工程學報.2001年9月第3期，42-47

[3]周勝利，等.高速鐵路鋼桁梁橋橋面結構設計及減小噪音的結構措施[J].國外橋梁.1996年第3期 ：p22-32

[4]白寶鴻，等.高速鐵路噪聲產生原因及防治措施研究[J].噪聲與振動控制.1998年8月第4期：p35-37

[5] M.H.A.Janssens and D.J.Thompson , Journal of Sound and Vibration(1996) 193(1),p302-303

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.004

毛學鋒：男，1979年1月出生；籍貫：四川仁壽；中國中鐵二院工程集團有限責任公司；職稱：工程師；學歷：大學本科；研究方向:橋梁結構受力行為的理論研究。