混凝土箱梁的結構噪聲及其影響因素

第48卷第3期2013年6月西南交通大學學報JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITYVol.48No.3Jun. 2013

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（51008250）； 新世紀優秀人才支持計劃資助項目（NCET-10-0701）； 國家863計劃資助項目（2011AA11A103）； 高等學校博士點基金資助項目（20110184110020）

作者簡介： 張迅（1985-），男，講師，博士，研究方向為橋梁結構減振降噪，電話：15902820405，E-mail：zhxunxun@126.com

通訊作者： 李小珍（1970-），男，教授，博士生導師，研究方向為車橋耦合振動，電話：13880808086，E-mail：xzhli@swjtu.cn

文章編號： 0258-2724（2013）03-0409-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.003

摘要：為探討箱梁的結構噪聲及其影響因素，以跨度32 m的混凝土簡支箱梁為研究對象，采用混合有限元-邊界元法進行數值仿真，并進行了現場試驗驗證.在此基礎上，探討了板厚和腹板傾角對箱梁結構噪聲的影響規律.研究結果表明：混合有限元-邊界元法適用于箱梁的結構噪聲分析；箱梁振動和結構噪聲的主要頻率范圍分別為40.0～125.0 Hz和31.5～100.0 Hz，底板附近在63.0 Hz出現噪聲峰值；增大板厚能降低箱梁結構噪聲，且增大頂板厚度最有效；當腹板傾角為0°～12°時，箱梁的結構噪聲較小.

關鍵詞：箱梁；結構噪聲；振動；數值仿真；現場試驗；影響因素

中圖分類號： U24； TB53文獻標志碼： A

列車通過橋梁時，振動能量經過軌道結構傳遞到橋面及其他橋梁構件，并激發其振動，形成一個個“聲板”，這部分噪聲源稱之為“結構噪聲”.橋梁結構噪聲頻率較低，在空氣中傳播時，具有衰減慢、穿透力強，難以隔斷等特點，長期處于低頻噪聲環境中的人容易產生莫名其妙的失眠、頭痛、耳鳴、胸悶等癥狀，對人的身心健康帶來極大的危害.

國外對橋梁結構噪聲的研究較早，并進行了一系列理論和現場實測研究，其中以英國南安普頓大學聲振研究所的研究最具代表性[1].日本學者研究了公路橋梁低頻噪聲（包括次聲）帶來的危害，并制定了相關法律法規[2].在國內，謝旭等研究了公路鋼橋在汽車荷載作用下的振動聲輻射問題，并從改善路面粗糙度、提高橋面板剛度等角度探討了降噪措施[3-5].謝偉平等為探討軌道箱形梁結構噪聲產生的機理，對空氣中混凝土圓柱殼在簡諧荷載作用下的結構噪聲進行了理論研究[6-7].李奇等通過車-線-橋耦合振動分析研究了橋梁的振動響應，基于邊界元法求得了模態聲傳遞向量，研究了軌道交通混凝土U形梁的聲輻射特性[8].夏禾等以北京地鐵高架橋為研究對象，進行了橋梁結構噪聲的試驗研究，推導了結構振動加速度與輻射聲壓之間的關系，實現了軌道交通高架結構輻射噪聲的預測[9-11].李小珍等采用邊界元法對混凝土簡支箱梁的結構噪聲進行了理論分析，得到了地面聲反射、聲屏障、列車速度、墩高等外界因素及箱梁縱隔板對橋梁結構噪聲的影響規律[12-13].

不同結構形式的橋梁，其振動聲輻射特性不同，由此可以考慮通過改變橋梁結構形式達到減振、降噪的目的.如果能找出最“安靜”的橋梁結構或截面形式等，將是橋梁工程師最樂意看到的結果.為此，本文以某城際鐵路跨度32 m的混凝土簡支箱梁為研究對象，通過混合有限元-邊界元法進行箱梁結構噪聲的理論求解，并進行了現場試驗驗證.在此基礎上，分析了板厚和腹板傾角這2個重要設計參數對箱梁結構噪聲的影響規律，研究結果可供降低橋梁噪聲參考.

1

混合有限元-邊界元法

振動為噪聲之源，對于橋梁結構振動聲輻射問題，橋梁振動響應可基于有限元法，通過車-線-橋耦合振動分析求得，這已成為一種成熟的方法[14-15].但是，對于無限域的外場聲輻射問題，聲學有限元法的剖分截止邊界難以確定，且計算量極大，故其主要用于研究簡單結構在中、低頻激勵下的內場聲輻射問題.邊界元法基于格林公式，把一個區域上的積分轉化為該區域邊界上的積分，具有降維、誤差小和適用于無窮域等優點，并逐漸被用來求解聲學問題.因此，將兩者有機結合起來的混合有限元-邊界元法成為目前工程中最常用的數值方法，該方法在理論上可以求解具有任意表面形狀的復雜彈性結構的振動聲輻射問題.

2

數值算例及試驗驗證

2.1

試驗概況

某城際鐵路跨度32 m的混凝土簡支箱梁為單箱單室結構，梁體全長32.600 m，高2.354 m，寬7.150 m.頂板厚0.30～0.40 m，腹板厚0.30～0.60 m，底板厚0.28～0.60 m；設計活載ZC活載，設計速度200 km/h；采用C50混凝土，二期恒載97.1 kN/m；橋上裝有遮板，高1.65 m，無聲屏障.

試驗橋位于空曠的鄉村田野中，背景噪聲可忽略不計，且周圍無明顯的聲反射障礙物.

振動及噪聲測點布置在跨中橫斷面（圖1），其中，A1～A3為加速度傳感器，分別垂直緊貼于底板、腹板和翼板中心；N1～N3為麥克風，分別距底板、腹板和翼板中心0.3 m；底板底面距地面的高度為3.5 m.實測車速為198 km/h.

2.2

試驗比較

將箱梁采用四節點板單元模擬，采用自編車-線-橋耦合振動分析程序BDAP 2.0分析橋梁振動響應[14-15].在此基礎上，將橋梁振動響應作為結構噪聲的振動邊界輸入，采用邊界元法分析該箱梁的結構噪聲.

振動加速度級（簡稱“振級”）是描述結構振動強弱的指標.圖2給出了測點A1～A3的實測法向振級，可見：

（1） 各測點的振動在63.0 Hz附近出現振動峰值，40.0～125.0 Hz為結構振動的主要頻率范圍；

（2） 隨頻率增大，振級逐漸降低；

（3） 總體而言，底板的法向振級最大，翼板次之，腹板最小.

圖3給出了測點N1～N3聲壓級的實測值與理論值的比較.可見：

（1） 各測點的聲壓級頻譜曲線理論值與實測值比較接近；

（2） 箱梁結構噪聲的頻率較低，主要分布在31.5～100.0 Hz范圍內；

（3） 總體而言，底板附近的聲壓級最大，翼板次之，腹板最小，這與振級的相對大小一致；

（4） 腹板與翼板附近的聲壓級頻譜曲線比較一致，這是由于聲波在此范圍可以自由傳播，而在底板附近，聲壓級則完全是由于底板的振動引起的；

（5） 底板附近在63.0 Hz的聲壓級最大，主要原因是振動與輻射效率均較高[1].

3

影響參數分析

為了考察結構參數對箱梁結構噪聲的影響規律，以該箱梁為研究對象，假設梁底距地面10 m.采用國產CRH2動車組進行分析，列車編組為6節動車與2節拖車（6M2T），共8節，速度200 km/h，軌道不平順取德國低干擾譜.圖4給出了考察場點的位置.

3.1

板厚

設該混凝土簡支箱梁的頂板、底板和腹板厚度分別為t1、t2和t3.圖5給出了頂板、底板和腹板厚度變化時，箱梁前10階自振頻率的變化曲線.

由于板厚增大，一方面結構的剛度增大，另一方面結構的自重增大，使得結構自振頻率的變化較為復雜.對于高階次自振頻率，主要為箱梁頂板、底板的局部振動；板越厚，結構的自振頻率越大，此時，自重對振動頻率的影響弱于剛度的影響.

圖6給出了頂板、底板和腹板厚度分別變化時，場點S01～S12總體聲壓級的變化曲線.總體聲壓級是對各頻率成分的噪聲進行疊加的結果，反映噪聲的總體大小.從圖6可見：

（1） 隨頂板、底板和腹板厚度增大，場點總體聲壓級降低，但降低幅度隨板厚增大而逐漸減小.

（2） 場點總體聲壓級對頂板厚度最敏感，對腹板次之，對底板最不敏感，原因是頂板直接承受車輛荷載，然后傳遞給腹板，最后到達底板.頂板剛度（板厚）對列車作用下結構的振動響應影響最大，因而對結構噪聲的影響最大.

（3） 根據板厚對結構輻射噪聲的影響規律，可以適當增大箱梁頂板厚度，這樣能顯著降低結構噪聲.同時，在滿足結構靜、動力受力性能的前提下，可以適當減小腹板和底板（特別是底板）的厚度，以減輕結構自重，而又對結構噪聲的影響較小.

3.2

腹板傾角

該混凝土簡支箱梁的腹板傾角為24°.保持底板橫向寬度不變，考察腹板傾角分別為12°和0°時（此時翼板變寬，頂板變窄），箱梁結構噪聲的變化.表1給出了腹板傾角變化時，箱梁前8階自振頻率.可見：腹板傾角改變后，結構的一階豎彎頻率變化較小.

圖7～8分別給出了腹板傾角變化時，場點的總體聲壓級、箱梁平均法向振動速度變化曲線.可見：

（1） 腹板傾角為24°時，箱梁結構噪聲最大，結構的平均法向振動速度也最大.

（2） 腹板傾角為12°和0°時，場點總體聲壓級降低較多；總體而言，腹板傾角越小，場點總體聲壓級越低.腹板傾角為0°和12°時，場點聲壓級相差較小，即降噪效果相當.

（3） 腹板傾角越小，腹板對頂板的“支承”作用越好，箱梁的整體阻抗隨之增大，導納降低.由此可以推測，如果2個腹板恰好位于2股鋼軌（單線）的中心線下時，箱梁的整體阻抗最大，其降噪效果也會最好.

（4） 設計時，應對箱梁腹板參數，如位置、厚度、角度等進行重點分析，在滿足結構靜、動力受力性能以及美觀、節省材料的基礎上，設計出更“安靜”的橋梁.

4

結論

通過對跨度32 m的混凝土簡支箱梁結構噪聲的理論分析和試驗研究，可以得到以下結論：

（1） 對于箱梁結構噪聲問題，以車-線-橋耦合振動為基礎求解橋梁振動響應，并將其作為邊界元分析的振動邊界輸入，這種混合有限元-邊界元法適用于箱梁結構的噪聲分析.

（2） 箱梁振動和結構噪聲的主要頻率范圍分別是40.0～125.0 Hz和31.5～100.0 Hz.底板附近的聲壓級最大，翼板次之，腹板最小.底板附近在63.0 Hz出現噪聲峰值，降噪時可優先考慮削弱此頻段的結構噪聲.

（3） 板厚是影響結構噪聲的重要因素，為減小箱梁振動和降低結構噪聲，應增大頂板厚度，減小底板厚度.

（4） 腹板傾角越小，對頂板的支撐效果越好，結構噪聲越低.腹板傾角為0°～12°時，箱梁的結構噪聲較小.

致謝：感謝西南交通大學揚華之星項目資助.

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