高速鐵路瀝青混凝土軌下基礎振動噪聲性能評估

邱延峻, 丁海波, 章天楊, 陽恩慧

(1. 西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學道路工程四川省重點實驗室, 四川 成都 610031)

高速鐵路瀝青混凝土軌下基礎振動噪聲性能評估

邱延峻1,2, 丁海波1,2, 章天楊1,2, 陽恩慧1,2

(1. 西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學道路工程四川省重點實驗室, 四川 成都 610031)

為比較不同軌下基礎噪聲水平,通過ABAQUS建立聲-固耦合模型,模擬結構振動產生的聲場中的噪聲變化.選取聲場中的聲壓值轉化得到的聲壓級值作為定量評價兩種瀝青混凝土軌下基礎(ACRS-1型、ACRS-2型)和普通板式(SlabTrack)結構產生的噪聲水平.結果表明,選用的聲-固耦合模型可以較好地評估不同軌下基礎下噪聲.比較3種軌下基礎結構可以發現,總體上, ACRS-1型和ACRS-2型結構要比普通板式結構的噪聲要低,特別是ACRS-2型結構,比其他兩種結構的噪聲均要低.噪聲降低的幅值出現在0.01、0.02、0.03 s附近,尤其在0.02 s附近, ACRS-2型結構低于普通板式結構的噪聲幅值10～20 dB, ACRS-1型結構低于普通板式結構的噪聲幅值5 dB左右.

聲-固耦合;瀝青混凝土;基礎;軌道;噪聲

隨著我國鐵路從普通鐵路向高速鐵路的不斷發展,對軌下基礎結構性能的要求越來越高,特別是隨著我國高鐵走出去國家戰略的實施,莫斯科至喀山高速鐵路等一系列國外高鐵項目的中標,對于不同嚴峻的地域和環境條件下高速運行條件下軌下基礎結構的安全性、穩定性和耐久性方面提出了更高的要求.目前我國高速鐵路無砟軌道形式以水泥混凝土為主,而水泥混凝土冬季干縮大易開裂、抗變形能力較差、開裂時維修困難,此外高速列車運行通過時產生的振動噪聲較大.尤其對輕軌、城際鐵路、市郊鐵路而言,全線有相當比例線路穿越人群密集的城市區域,隨著我國城市化進程的不斷加快,城市軌道交通密度與群眾軌道交通使用率不斷增加,鐵路振動及其引起的噪聲問題日益突出.

國內外學者對軌道交通環境振動與振動噪聲進行了大量的研究,謝素明等[1]采用有限元法、邊界元和聲波傳遞向量相結合的方法,通過商業有限元軟件ANSYS和SYSNOISE軟件,基于仿真手段研究了吸聲材料的運用和車身阻尼材料的涂敷對聲學特性的影響,結果表明,阻尼材料除了可以改變部件的振動幅值,也可以改變振動發生的相位.鄭拯宇等[2]對高速行駛列車所產生的噪聲進行了分析,采用流體力學數值仿真技術進行聲場分析,提出了基于噪聲的優化列車車身設計方法.徐志勝等[3]研究了軌道結構特性對輪軌相互作用產生的噪聲的影響,結果表明軌道結構的剛度水平對輪軌噪聲具有顯著的影響,剛度增大對降噪越不利.杜健等[4]研究表明,受電弓氣動噪聲隨著列車運行速度的增加而顯著提高.此外,方銳等[5]采用聲學邊界元法計算軌道結構各組成部分參數對聲輻射影響的研究也表明,軌枕剛度、道床剛度等參數對鋼軌、軌枕的聲場強度的影響程度不同,道床剛度可以改變軌枕低頻部分的聲場強度值,可通過改變軌道各層的結構參數特性來達到軌道減振降噪的目的.王昌林等[6-7]的相關研究表明,提高軌下基礎的柔韌性可以從振動產生的來源上降低鋼軌產生的振動,從而起到降低軌道噪聲的效果.

從以上學者的研究可以看出,降低軌下結構層材料的剛度,同時增加其阻尼比有利于減小高速列車行車荷載引起的振動以及由此產生的噪聲.此外,在軌道交通振動研究方面, Auersch等[8]研究認為,在軌道交通引起的振動當中的高頻部分主要是由機車車輪的振動引起,低頻部分主要是由于軌道的振動引起. Remington等[9]采用輪軌耦合相互作用解釋了輪軌噪聲產生的原因,同時建立了軌道噪聲的預測模型.

另一方面,瀝青混凝土作為公路路面的一種粘彈性材料,不僅廣泛用于公路面層,也適用于公路的基層,其在承載能力、防水、減振、耐久性等方面的長期實踐表明，均能滿足性能的要求.國內外將瀝青混凝土用于軌下基礎也進行了一定的實踐與研究,日本《鐵路結構設計標準(土結構物)》提出了瀝青混凝土強化機床表層設計方法,德國GETRACK軌道結構形式也引入瀝青混凝土層[10-11].我國京津城際無砟軌道和武廣客專武漢綜合試驗段也采用瀝青混凝土層作為軌道路基面防水層[12-13].美國的J. G. Rose教授課題組也對瀝青混凝土的阻尼特性進行了系統的試驗研究,表明瀝青混凝土具有良好的阻尼效果[14].目前鐵路瀝青混凝土的應用已經由鐵路兩側的路基面防水逐漸到面層式軌下基床表層.鑒于瀝青混凝土優良的保溫與防水性能,中鐵二院中標的莫斯科至喀山穿越季凍區,最高時速達400 km的高速鐵路基床表層結構也擬采用瀝青混凝土,可以預見,鐵路瀝青混凝土的應用前景將越來越廣闊.

雖然國內外對瀝青混凝土軌下基礎進行了一些研究及應用,但關于瀝青混凝土軌下基礎在削弱振動及振動噪聲方面的研究仍較為缺乏,國內外對瀝青混凝土作為軌下基礎降噪方面評價僅局限于經驗性的判斷,缺乏定量的數據描述,且瀝青混凝土全斷面軌下基礎工程實踐應用鮮有報道.因此,有必要探尋瀝青混凝土全斷面軌下新型基礎結構形式的降振減噪特性,從而為大范圍的推廣瀝青混凝土全斷面軌下結構形式提供更多的依據.

本文通過ABAQUS建立聲-固耦合模型,模擬結構振動產生的聲場中的噪聲變化.主要計算參數選取聲場中的聲壓值轉化得到的聲壓級值,以此來定量評價兩種瀝青混凝土全斷面軌下基礎結構形式,即ACRS-1型(瀝青混凝土基床)、ACRS-2型(瀝青混凝土支承層)[15]和普通板式(SlabTrack)結構產生的噪聲水平,從而揭示瀝青混凝土軌下基礎減振降噪的機理.

1 噪聲計算有限元模型的建立

1.1 瀝青混凝土層模擬

按設計要求,瀝青層的空隙率控制在1%～3%,本文計算取目標空隙率為2%.在ABAQUS有限元計算模擬中,瀝青混凝土空隙率的模擬如圖1所示.

瀝青混凝土層的長寬尺寸為3 m×2 m,以方孔模擬孔隙,均勻布置,方孔貫穿瀝青層,孔徑為e,孔距為dc,dc+e=0.2 m.計算得dc=0.025 m,e=0.175 m.瀝青混凝土層表面孔布置如圖2所示.

圖1 孔隙率模擬示意Fig.1 Schematic diagram of porosity simulation

圖2 表面孔布置示意(局部)Fig.2 Layout of the surface pores (local diagram)

1.2 輪軌耦合模型

采用激振力函數模擬列車荷載,簡化形式為

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F(t)=P0+P1sinωt,

(1)

式中:P0為單邊靜輪載;P1為對應于動力附加荷載的振動荷載.

假設列車簧下質量為M0,相應的振動荷載幅值為P1=M0αω2,其中,α為矢高,ω為振動波長的圓頻率,ω=2πv/L(v為列車運行速度,L為振動荷載波長m).取單邊靜輪重125 kN,M0=750 kg,α=0.4 mm,L=2 m,v=200 km/h,則列車荷載為

F(t)=125×103+9.13×103sin(174t).

(2)

鋼軌采用60 kg/m的鋼軌,鋼軌斷面尺寸參數如表1所示.將車輪考慮為厚度同鋼軌頂面寬度的圓盤,車輪直徑915 mm.

表1 60 kg/m鋼軌斷面尺寸參數Tab.1 Cross-section parameters of the rail of 60 kg/m type

為了簡化ABAQUS中有限元的模擬的鋼軌斷面為工字鋼.采用的車輪有限元模型及輪軌耦合有限元模型如圖3所示

圖3 輪軌接觸有限元模型Fig.3 Finite element model for weel-rail contact

ABAQUS有限元軟件中建模時采用AC3D20的三維聲學單元對網格進行劃分以表示聲場,聲場的邊界條件定義為*Acoustic impedance,可用來表示聲波向外傳播形成的聲場.建模時的結構模型采用C3D8R的實體單元來進行有限元的網格劃分,接觸模型選擇*tie的接觸模型,從而使得結構物和結構物外部的大氣形成耦合效應,結構物的鋼軌形成的振動可以傳播到大氣中,產生大氣振動,而大氣的振動即為噪聲.大氣具體的計算參數選取1.2 kg/m3,體積模量選擇為142 kPa.輪軌噪音有限元耦合模型(切片)如圖4所示.

圖4 輪軌噪音有限元耦合模型(切片)Fig.4 Wheel-rail noise finite element coupling model (section)

2 不同軌下基礎下結構的噪聲分析

2.1 有限元噪聲分布云圖

ACRS-1型結構、ACRS-2型結構和SlabTrack3種軌下基礎結構不同時刻的噪聲分布云圖如圖5～8所示.

(a)0.004s(b)0.008s(c)0.016s(d)0.032s圖5 ACRS-1型結構噪聲分布云圖Fig.5 NoisenephogramoftheACRS-1typestructure

(a)0.004s(b)0.008s(c)0.016s(d)0.032s圖6 ACRS-2型結構噪聲分布云圖Fig.6 NoisenephogramoftheACRS-2typestructure

(a)0.004s(b)0.008s(c)0.016s(d)0.032s圖7 SlabTrack結構噪聲分布云圖Fig.7 Noisenephogramoftheslabtracktypestructure

從以上ACRS-1型結構、ACRS-2型結構和SlabTrack結構三者的有限元噪聲響應圖中可以看出,隨著時間的增長,有限元響應的聲壓幅值逐步減少,總體上在0.004 s時,聲壓幅值最大,在0.008、0.016 s時,有限元的聲壓幅值有所降低,當達到0.032 s時,有限元聲壓幅值響應為最小.此外還可以看出,列車產生噪聲的來源主要為車輪的表面以及軌道鋼軌的表面,而采用有限元計算ACRS-1型結構、ACRS-2型結構和SlabTrack結構三者噪聲響應時的假設即為噪聲的來源為車輪的表面和鋼軌的表面,由此可知,基于ABAQUS的有限元采用聲固耦合模型是合理的.

2.2 噪聲隨時間的變化關系

因為當采用ABAQUS有限元軟件計算結果聲壓大小進行噪聲的定量評價時,其計算結果可能為正數或負數,很難明顯地看出不同軌道結構產生的噪聲水平,因此通過數學處理的方法將計算得到的聲壓轉化為聲壓級值,從而準確地評價各種結構產生的噪聲水平.

聲壓級值的計算公式為

(3)

式中: Lp為聲壓級值;p為聲壓;pref為參考聲壓,一般pref=2×10-5Pa.

為了定量評價,且考慮到計算的工作量在水平方向共取4個具有代表性的點位,生成的聲壓級值進行數值比較,其具體的選點位均在縱向跨中截面,距軌頂的垂直距離h均為0.1 m. 4個點位距鋼軌中心的水平距離d分別為0.1、0.4、0.8 m.距鋼軌中心的水平距離不同點位的聲壓級隨時間變化如圖8所示.

從圖8可以看出,當水平距離從0.1 m增加到0.8 m時,聲壓級值總體上呈現降低的趨勢,對某一個具體水平距離而言,隨著時間的增加,聲壓級值表現為波動的特性,但總體上仍可呈現隨著時間的延長,聲壓級值表現為先增大然后逐漸振蕩減弱的總體趨勢,即從物理意義上而言,噪聲呈現出先增大然后降低的總體趨勢.產生該現象的原因為輪軌加載力的作用和聲波的傳遞不是瞬時完成的,而是一個漸進的過程,表現為噪聲隨著時間的延長有增大的趨向,此后,由于列車的不斷行使,噪聲觀測點位逐步遠離發聲源,從而產生降低的效果.比較3種軌下基礎結構可以發現,總體上, ACRS-1型和ACRS-2型結構要比普通板式結構的噪聲要低,特別是ACRS-2型結構,比另外兩種結構的噪聲均要低,噪聲降低的幅值出現在0.01、0.02、0.03 s附近,特別是在0.02 s附近, ACRS-2型結構低于普通板式結構的噪聲幅值10～20 dB, ACRS-1型結構低于普通板式結構噪聲幅值5 dB左右.

(a)h=0.1m,d=0.1m(b)h=0.1m,d=0.4m(c)h=0.1m,d=0.8m圖8 距鋼軌中心的水平距離不同點位的聲壓級隨時間變化Fig.8 Variationofthesoundpressurelevelwithtimeatdifferenthorizontaldistancefromthecenteroftherail

3 結 論

(1) 本文選用的聲-固耦合模型可以較好地評估不同軌下基礎下噪聲,且噪聲分布云圖驗證了選用模型的合理性.

(2) 當水平距離逐漸增加時,聲壓級值的變化規律為總體上呈現降低的趨勢,對某一個具體水平距離而言,隨著時間的增加,聲壓級值表現為波動的特性,但總體上仍可呈現隨著時間的延長,聲壓級值表現為先增大然后逐漸振蕩減弱的總體趨勢,即從物理意義看,噪聲呈現出先增大然后降低的總體趨勢.

(3) 通過比較ACRS-1型結構、ACRS-2型結構和SlabTrack軌下基礎結構可以看出,總體而言,ACRS-1型和ACRS-2型結構要比普通板式結構(SlabTrack)的噪聲要低,特別是ACRS-2型結構,比其他兩種結構的噪聲均要低.噪聲降低的幅值出現在0.01、0.02、0.03 s附近,尤其在0.02 s附近,ACRS-2型結構低于普通板式結構的噪聲幅值10～20 dB以上, ACRS-1型結構低于普通板式結構的噪聲幅值5 dB左右.

(4) 鐵路瀝青混凝土具有優良的減振降噪、保溫、支承以及防水功能,是未來高速鐵路無砟軌道發展的重要方向之一,然而將其應用到極端低溫達-48 ℃,以及最高時速達400 km穿越季凍區的莫斯科至喀山高速鐵路基床表層,其耐久性值需要進一步研究.

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邱延峻(1966—),博士,1988年起至今任職于西南交通大學,現為土木工程學院教授,博士生導師,道路工程四川省重點實驗室主任.主要研究方向為道路工程、鐵道工程、工程教育、大學國際化.主持國家自然科學基金、鐵道部、交通部、博士點基金、四川省交通廳和教育部優秀青年教師計劃等資助的課題研究.在《鐵道學報》、《土木工程學報》、《巖土工程學報》、《Soils and Foundations》、《Geotechnical Engineering Journal》、《Transportation Research Record》和國內外國際會議上共發表論文100 余篇.現為四川省公路學會副理事長,《西南交通大學學報》、《公路交通科技》、《Journal of Traffic and Transportation Engineering》學術期刊編委.

E-mail: publicqiu@vip.163.com

丁海波(1990—),博士研究生,2015年 9月就讀于西南交通大學道路與鐵道工程專業. International Society for Asphalt Pavement(ISAP)會員.主要研究方向為高性能改性瀝青、瀝青混凝土軌下基礎、瀝青與瀝青混合料新型測試方法.

E-mail: dinghaibo@my.swjtu.edu.cn

(中文編輯:秦 瑜 英文編輯:蘭俊思)

Acoustic Performance of Asphalt Concrete Underlayment for High-Speed Railway Substructures

QIUYanjun1,2,DINGHaibo1,2,ZHANGTianyang1,2,YANGEnhui1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Key Laboratory of Road Engineering of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To compare the rail noise levels with different substructures, a sound-solid coupling model was established using FEM-based ABAQUS software to simulate noise changes in the sound field generated from structural vibration. Sound pressure values were selected from the sound field and transformed to sound pressure levels for quantitative evaluation of noise levels of two asphalt concrete underlayments (ACRS-1 type and ACRS-2 type) and an ordinary slab track structure. The results show that the sound-solid coupling model can successfully evaluate different rail noise levels. Comparison of the above three kinds of track infrastructures indicates that the noise levels of the ACRS-1 and ACRS-2 type structures are generally lower than that of the slab track structure; especially, the noise level of the ACRS-2 structure is lower than the noise levels of the other two structures. Moreover, noise reduction amplitude occurs in 0.01 s, 0.02 s and near 0.03 s, particularly in the vicinity of 0.02 s. The noise amplitude of the ACRS-2 type structure is 10-20 dB lower than the ordinary slab track structure, whereas the noise amplitude of the ACRS-1 type structure is 5 dB lower than that of the ordinary slab track structure.

sound-solid coupling; asphalt concrete; underlayment; railway; noise

2015-11-20

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2013CB036204); 國家自然科學基金資助項目(50978222)

邱延峻,丁海波,章天楊,等. 高速鐵路瀝青混凝土軌下基礎振動噪聲性能評估[J]. 西南交通大學學報,2016,51(2): 381-387.

0258-2724(2016)02-0381-07

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.017

U414

A