高架軌道輪軌噪聲預測分析?

曾欽娥雷曉燕

(1.北京市勞動保護科學研究所,100054,北京; 2.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥第一作者,助理研究員)

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高架軌道輪軌噪聲預測分析?

曾欽娥1雷曉燕2

(1.北京市勞動保護科學研究所,100054,北京; 2.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥第一作者,助理研究員)

摘 要隨著我國城市軌道交通的快速發展,高架軌道作為一種經濟、實用、安全、快速的交通模式,在城市軌道交通建設中得到越來越廣泛的運用,但由此帶來的振動噪聲對周圍環境的影響也變得十分突出。通過建立輪軌噪聲預測模型,運用有限元法分析箱型梁、U型梁阻抗,對高架軌道輪軌噪聲進行預測分析。討論了橋梁截面型式、行車速度、軌道扣件剛度、橋梁結構阻尼、橋梁支座剛度對高架軌道輪軌噪聲的影響。分析結果表明,行車速度和扣件剛度對輪軌噪聲有較大影響,在200 Hz以下,輪軌噪聲總體上隨著扣件剛度的增大而增大;在200～800 Hz范圍內,輪軌噪聲隨著扣件剛度的增大反而減小;在800 Hz以上,扣件剛度對輪軌噪聲無明顯影響。橋梁截面型式僅在低頻部分對輪軌噪聲有較大影響,而橋梁結構阻尼、橋梁支座剛度則對高架軌道輪軌噪聲影響甚微。

關鍵詞高架軌道;輪軌噪聲;噪聲預測;參數分析

?國家自然科學基金項目(U1134107);江西普通高校科技落地計劃項目(KJLD11002)

First author′s address Beijing Municipal Institute of Labour Protection,100054,Beijing,China

隨著我國城市軌道交通的迅速發展,出于對路基工后沉降控制、地基條件、節約土地、工程造價、環境保護等多種因素的考慮,高速鐵路和城市軌道大多采用“以橋代路”的策略,因此高架軌道所占的比例越來越大。與路面線路相比,列車駛經高架線路時道路兩側噪聲級增加2～20 dBA[1]。由于高架軌道交通大多穿越或位于鬧市區和居民區,輪軌噪聲、車輛噪聲及橋梁結構產生的鐵路振動噪聲對周圍環境的影響變得十分突出。輪軌噪聲是鐵路噪聲的主要噪聲源[2-3],因此有必要對高架軌道輪軌噪聲進行理論分析。

1　高架軌道輪軌噪聲預測模型

輪軌表面不平順[4]是產生輪軌振動和噪聲的直接原因,定義為車輪(或鋼軌)實際表面相對于理想運行基面的局部幅度。當車輪在鋼軌不平順表面上滾動時,會沖擊鋼軌,結果使得軌道與列車間產生受迫振動,向外輻射出聲波而產生噪聲,稱為輪軌噪聲。預測高架軌道的輪軌噪聲,需將輪軌不平順作為激勵輸入,首先分析輪軌系統的振動響應,再根據振動對輪軌噪聲進行預測。圖1為高架軌道輪軌噪聲預測示意圖。

圖1　高架軌道輪軌噪聲預測示意圖

根據圖1,建立輪軌噪聲預測模型。模型中把鋼軌假設為以列車速度v運動著的有限長線聲源,車輪則假設為點聲源[5],即輻射的聲波在自由場中以球面波傳播,為單極子球面聲源。不考慮地面反射的影響,則車輪軸數為N速度為v的列車通過時,高架軌道輪軌噪聲總聲壓級譜

式中:

d——噪聲觀察點到鋼軌的垂直距離;

rF——鋼軌底部寬度;

rH——鋼軌頭部寬度;

σR——鋼軌豎向振動輻射效率;

SR,A(ω)——高架軌道鋼軌豎向振動平均功率譜,其中ω為圓頻率;

P0——標準參考聲壓,為2×10-5Pa;

AW——車輪徑向輻射面積;

σW——車輪徑向輻射效率;

SW,A(ω)——車輪徑向振動的平均功率譜,采用有限元法計算得到;

T——列車通過時間;

ρ——空氣的密度;

c——空氣中的聲速。

2　高架軌道鋼軌豎向振動平均功率譜的計算

2.1高架軌道阻抗計算

利用有限元軟件ANSYS建立軌道-箱梁耦合系統模型。為了能較好地預測高架軌道結構的振動特性,建立有限元模型時,將鋼軌視為Euler梁,采用Beam188梁單元進行模擬,鋼軌扣件和橋梁支座采用線性彈簧-阻尼單元(Combin14)模擬;道床結構和橋梁均采用實體單元(Soild45)模擬,采用映射網格劃分將其劃分為六面體單元,由于本文忽略橋墩對軌道結構振動的影響,因此采用固定約束模擬橋墩。梁體、軌道板均采用實際尺寸;鋼軌采用60 kg/m鋼軌,彈性模量為206 GPa,密度為7 830 kg/m3;扣件間距為0.625 m,扣件剛度為60 MN/m;軌道板為鋼筋混凝土結構,彈性模量為39 GPa,密度為2 500 kg/m3;高架橋梁采用長度為32 m的箱梁結構,彈性模量為36.2 GPa,密度為2 500 kg/m3;橋梁支座為橡膠支座,剛度為3.38×109N/m。

為分析高架橋結構對軌道振動特性的影響,本文分別建立了不同橋梁截面形式的軌道-橋梁振動有限元分析模型,對軌道-箱型梁和軌道-U型梁的有限元模型進行網格劃分,如圖2所示。荷載作用點位于橋梁跨中左股鋼軌處,響應點取激勵點作用處,計算高架軌道原點速度阻抗,如圖3所示。

2.2鋼軌接觸點速度功率譜

根據“輸出譜=|傳遞函數|2×輸入譜”這一基本關系式,以輪軌表面不平順譜作為輸入譜,并引入濾波函數|H(k)|2,得到鋼軌在荷載接觸點處的豎向振動速度功率譜值

2.2 PVT1在肝癌中的表達與臨床特征關系 PVT1在肝癌中的表達水平與肝癌患者腫瘤大小、腫瘤數量、BCLC分期、血管侵犯、甲胎蛋白的表達水平相關(P<0.05)；與肝癌患者性別、年齡、飲酒史、吸煙史、HBsAg表達、肝硬化、Child-Pugh分級、癌胚抗原、谷丙轉氨酶和谷草轉氨酶表達水平無關(P>0.05)。

式中:

H(k)——濾波器傳遞函數;

SW,R(k)——輪軌聯合粗糙度的波數譜。

HR(ω)——振動傳遞函數,其表達式為:

式中:

ZW——車輪徑向速度原點阻抗;

ZR——鋼軌徑向速度原點阻抗;

KC——接觸彈簧剛度。

圖2　高架軌道有限元模型

圖3　高架軌道速度阻抗

2.3鋼軌振動平均速度功率譜

式中:

ηRV——軌道振動衰減系數;

N——列車的輪對數;

kRV——鋼軌振動彎曲波數;

v——列車運行速度;

SRV,P——接觸點速度功率譜。

3　高架軌道輪軌噪聲預測分析

根據前面所建立的模型對高架軌道輪軌噪聲進行預測,測量點距軌道垂直距離為7.6 m,距離地面高度為1.9 m,v=80 km/h,列車通過時間T=8 s。計算結果如圖4所示。

圖4　高架軌道輪軌噪聲聲壓級譜

從圖4可以得出,在中心頻率為200 Hz以下及2 000 Hz以上車輪噪聲起主導作用,在3 150 Hz處出現峰值;中心頻率在200～2 000 Hz范圍內鋼軌噪聲起主要作用,在此范圍內,輪軌噪聲達到最大值。在全頻范圍內,車輪噪聲出現了較多的峰值,在1 000 Hz出現了最低值,這主要是由于有較多的自振頻率,而且在1 000 Hz處車輪的振動最小。

4　高架軌道輪軌噪聲影響參數

4.1不同截面形狀高架軌道輪軌噪聲計算

對兩種橋梁截面形狀的高架軌道輪軌噪聲進行預測,考慮到U型截面梁兩側的腹板具有阻隔噪聲的作用,對U型截面梁高架軌道輪軌噪聲的預測必須在腹板內,因此測量點距離軌道垂直距離取1 m。預測結果如圖5所示,從圖5可以看出,截面形狀對高架軌道的輪軌噪聲的影響主要集中在40 Hz以下。在40 Hz以上,兩種橋梁截面形狀的高架軌道輪軌噪聲無明顯區別。

圖5　不同橋梁截面形狀高架軌道輪軌噪聲

4.2行車速度對高架軌道輪軌噪聲影響

為分析高架軌道輪軌噪聲的速度特性,對不同速度高架軌道輪軌噪聲的1/3倍頻程進行計算,車輛運行速度分別取60 km/h、80 km/h、120 km/h、160 km/h、200 km/h,計算結果如圖6所示。

圖6　不同速度下輪軌噪聲聲壓級譜

從圖6可以看出,隨著列車運行速度的增大,各個頻率的輪軌噪聲相應增大,而且各速度輪軌噪聲的趨勢一致,沒有出現明顯的區別。另外,隨著列車運行速度的增大,各頻率的輪軌噪聲增加的幅度趨緩。由圖6可知,當列車速度從80 km/h增加到120 km/h時,各頻率范圍內的輪軌噪聲約增大3.5 d B;當列車速度從120 km/h增加到160 km/h時,各頻率范圍內的輪軌噪聲約增大2 d B;當列車速度從160 km/h增加到200 km/h時,各個頻率范圍內的輪軌噪聲約增大1.5 dB。

4.3扣件剛度對高架軌道輪軌噪聲的影響

為分析扣件剛度(k r)對高架軌道輪軌噪聲的影響,k r分別取30 MN/m、60 MN/m、100 MN/m、200 MN/m時的計算結果如圖7所示。從圖7中可以看出,在200 Hz以下,輪軌噪聲總體上隨著扣件剛度的增大而增大,這主要是車輪相應的頻帶聲壓級譜的影響結果;而在200～800 Hz范圍內,剛度增大,則輪軌噪聲減小,該頻段內鋼軌輻射噪聲占主導地位,扣件剛度的變化直接影響鋼軌的振動。在800 Hz以上,四種扣件剛度條件下的曲線基本重合,說明扣件剛度對輪軌噪聲無明顯影響。

圖7　不同扣件剛度下輪軌噪聲聲壓級譜

4.4橋梁結構阻尼對高架軌道輪軌噪聲的影響

為分析橋梁結構阻尼對輪軌噪聲的影響,ξ分別取0.01、0.03、0.05時的計算結果如圖8所示。

從圖8可以得出,在160～2 000 Hz范圍內,隨著橋梁結構阻尼的增大,輪軌噪聲反而減小,該頻段內主要為鋼軌輻射噪聲,說明橋梁結構阻尼對高架軌道的振動產生較大影響。在2.5 Hz和6.3 Hz兩個谷值處,隨著橋梁結構阻尼的增大,輪軌噪聲也增大,此時主要為車輪輻射噪聲,說明此時橋梁結構阻尼對輪軌之間的傳遞函數影響較大。在其他頻率內,橋梁結構阻尼對高架軌道的輪軌噪聲基本無影響。

圖8　不同橋梁結構阻尼下的高架軌道輪軌噪聲

4.5橋梁支座剛度對高架軌道輪軌噪聲影響

取三個不同的橋梁支座剛度k1,k2、k3分別為

3.38×109N/m、2×3.38×109N/m、5×3.38×109N/m,分析橋梁支座剛度變化對輪軌噪聲的影響,計算結果如圖9所示。從圖9可以看出,一定范圍內橋梁支座剛度的變化對高架軌道輪軌噪聲無影響。

圖9　不同橋梁支座剛度下輪軌噪聲聲壓級譜

5　結論

(1)對于高架軌道結構的輪軌噪聲,中心頻率在250 Hz以上及2 000 Hz以下范圍內,車輪噪聲起主導作用,在3 150 Hz處出現峰值;在2 500～2 000 Hz,鋼軌噪聲占主導地位。其中車輪噪聲出現了較多的峰值,在1 000 Hz出現了最低值,這主要是由于在1 000 Hz處車輪的導納值最小。

(2)隨著列車運行速度的增大,各個頻率的輪軌噪聲相應增大。且隨著列車運行速度的增大,各頻率輪軌噪聲的增加幅度逐漸趨緩。

(3)鋼軌扣件剛度對輪軌噪聲的影響主要分布在中心頻率為800 Hz以下,表現為影響軌道的振動以及輪軌之間的耦合作用,減小扣件剛度有利于降低輪軌噪聲。

(4)在8 Hz以下,隨著橋梁結構阻尼的增大,輪軌噪聲也增大;在160～2 000 Hz范圍內,隨著橋梁結構阻尼的增大,輪軌噪聲反而減小,而在其他頻率范圍內,橋梁結構阻尼對輪軌噪聲無明顯影響。

(5)橋梁支座剛度對高架軌道輪軌噪聲影響甚微。

參考文獻

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Analysis of Elevated Rail Wheel/Rail Noise Prediction

Zeng Qin’e,Lei Xiaoyan

AbstractWith the rapid development of urban rail transit in China,elevated rail as an economic,practical,safe and rapid transport mode,has been used widely in urban transport.But at the same time,the influence of vibration and noise caused by elevated rail over the environment becomes very prominent.In this paper,the finite element method is used to establish the prediction model of wheel/rail noise, and to analyze the impedance of box beam and U beam and predicte the wheel/rail noise.The influence of bridge cross-section type,vehicle speed,track fastener stiffness, bridge structural damping,and bridge bearing stiffness over the wheel-rail noise on elevated rail is discussed.The analysis results show that,the driving speed and fastener stiffness have greater influence over the wheel/rail noise, which is below 200 Hz,and the increase of fastener stiffness will directly raise the wheel/rail noise.But in the range of 200～800 Hz,the increase of fastener stiffness will reduce the wheel-rail noise;while above 800 Hz,fastener stiffness will have no obvious effect on wheel/rail noise.The cross-section type bridge has a greater influence over the wheel/rail noise in part of the frequency,but the structural damping and support stiffness of a bridge only have less effect over the wheel/rail noise.

Key wordselevated track;wheel/rail noise;noise prediction;parameter analysis

(收稿日期:2014-03-28)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.003

中圖分類號U 491.9+1∶U 233