高架輕軌箱梁噪聲輻射現場實測分析

常亮，邵斌

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高架輕軌箱梁噪聲輻射現場實測分析

常亮，邵斌

(南昌航空大學土木建筑學院，江西南昌 330063)

對武漢輕軌一號線某高架段25 m跨單箱單室預應力鋼筋混凝土簡支箱梁的噪聲輻射進行了現場測試。將采集的噪聲信號利用快速傅里葉變換技術通過相干函數進行一定程度的凈化，從而獲得真實的結構輻射噪聲。繪制了箱梁結構表面輻射聲壓級等值線圖。比較分析了綜合噪聲和結構輻射噪聲的A聲級。分析結果表明：近軌時箱梁結構各部位的輻射噪聲明顯大于遠軌時箱梁結構各部位的輻射噪聲。在近軌和遠軌兩種工況下，底板和翼緣的輻射噪聲都大于腹板。箱梁各部位的輻射聲壓級在跨長方向和橋寬度方向上都表現出非單一的變化規律，需結合列車運行工況具體分析。輕軌箱梁結構輻射噪聲級在61～66 dB(A)之間，實際工程中為了獲得真實的結構輻射噪聲級需將測得的綜合噪聲級減去約2 dB(A)(背景噪聲影響)。實測分析結果可讓工程技術人員了解箱梁噪聲輻射情況，為后期箱梁的降噪設計提供參考依據。

輕軌箱梁；結構噪聲；現場實測；聲壓級

0 引言

城市輕軌系統在世界各大主要城市都很普遍，其在緩解大城市的交通壓力上起到了至關重要的作用。然而隨著輕軌系統的使用率越來越高，由其所引發的輕軌箱梁的結構噪聲問題也越來越突出。當列車通過橋梁時，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“聲板”，這部分噪聲源稱之為“結構噪聲”。箱梁振動所產生的結構噪聲屬于低頻噪聲的范疇，具有傳播距離遠、衰減慢、穿透力強等特點。長期處于這種噪聲環境中會引起頭痛、失眠、耳鳴、胸悶等。

張迅等[1]將列車-軌道-橋梁耦合振動理論與聲輻射分析邊界元法相結合，分析了高速鐵路32 m單箱單室和單箱雙室箱梁聲輻射特性。王子健等[2]以成灌鐵路某跨箱梁為研究對象，研究了混凝土箱梁的振動與噪聲頻譜特性。高飛等[3]采用有限元軟件建立了連續梁橋的三維振動分析模型及二維聲場分析模型，計算了當列車以某一速度通過時橋梁的動力響應及輻射聲壓。李小珍等[4]基于相干分析法提出橋梁結構噪聲源的識別方法。張鶴等[5]通過建立橋梁振動輻射瞬態噪聲的有限元-邊界元混合求解體系，對瞬態噪聲聲場特性進行了實驗分析和數值模擬。王小寧等[6]利用邊界元方法對槽型梁、箱型梁及T型梁3種截面形式的城軌橋梁的振動噪聲輻射進行了分析。程海根等[7]通過建立橋梁振動輻射有限元-邊界元的求解體系，得出箱梁箱內瞬態噪聲的聲場特性。石廣田等[8]通過Simpack軟件構建了高速列車-軌道耦合動力學模型，并采用間接邊界元法對高架箱梁結構進行了聲輻射分析。張磊等[9]運用有限元-邊界元聯合仿真技術，通過改變橋梁跨徑和改變橋梁結構體系，探討了橋梁跨徑對橋梁結構噪聲的影響規律，并進行了現場試驗驗證。張迅等[10]通過建立混合有限元-統計能量(Finite Element-Statistical Energy Analysis，FE-SEA)預測模型，并利用現場試驗數據進行模型驗證，得出預測鐵路混凝土箱梁的低頻噪聲的方法，以及箱梁各板件的聲貢獻量和振動傳遞規律。

箱梁由頂板，翼緣板，腹板和底板組成。當列車運行時箱梁各部位的振動強度和振動頻率范圍是有差別的。因此，由各個部位激發引起的結構噪聲也是不同的。目前對列車荷載下箱梁振動的現場試驗研究中，試驗方案選取的橫截面和布置的測點數量較少，僅選取一個橫截面或者僅在同一部位布置測點不能完整真實地反映箱梁實際的噪聲情況。因此本文基于前人研究成果的基礎，以武漢輕軌一號線某高架段25 m跨預應力鋼筋混凝土簡支箱梁為研究對象，選取4個橫截面，每個橫截面上布置4個測點，現場采集記錄列車經過箱梁時各測點的輻射噪聲聲壓，研究箱梁各部位的輻射噪聲情況。

1 箱梁結構噪聲實測

1.1 實測方案

選取武漢輕軌一號線高架段25 m跨預應力鋼筋混凝土單箱單室簡支箱梁為研究對象。箱梁跨中截面基本尺寸如圖1所示。根據箱梁結構的對稱性，選取1/4結構為測試對象，在1/4結構上選取4個橫截面，如圖2所示。每個截面上的測點布置如圖1和圖3所示，總共16個測點。考慮列車是雙向行駛的，因此測試分近軌和遠軌兩種工況，近軌是指雙向列車中距離測點較近的一列；遠軌是指雙向列車中距離測點較遠的一列。

圖1 輕軌25 m箱梁跨中橫斷面圖及測點布置(單位：cm)

圖2 測試選取的橫截面(單位：cm)

圖3 現場測點布置圖

使用手持式測速儀，測得列車約以50 km/h的車速通過該跨箱梁，且該箱梁全長25 m，列車總長度78.68 m，計算后得知列車從駛進到駛離該跨箱梁全程需7.45 s，為保證采集的數據能夠記錄到列車從駛進到駛離該跨箱梁全過程的振動和噪聲信息，因此測試記錄時間取10 s。測試時，在列車車頭距離梁端15 m處開始計時，10 s后記錄儀自動停止記錄，此時列車駛離該跨箱梁。

測試過程中每個測點均布置丹麥B&K公司生產的4507B型加速度和4189A21型噪聲傳感器。在測試初期選用了512 Hz和1 024 Hz兩種采樣頻率，通過現場分析發現512 Hz的采樣頻率可以完整地保留箱梁振動和噪聲的頻率成分，因此后期的振動測試和分析均采用512 Hz的采樣頻率。

1.2 數據處理

選取的箱梁位于京漢大道主干線上，盡管4189A21型傳聲器對聲傳播方向有嚴格的選擇性，但背景噪聲仍可通過箱梁表面反射，被傳聲器接收，因此，采集的結構噪聲信號勢必混入背景噪聲。混有背景噪聲的輸入輸出系統模型如圖4所示。

圖4 混有背景噪聲的輸入輸出系統模型

將式(1)代入式(2)，整理后可得

由式(4)可知，利用快速傅里葉變換技術并通過相干函數可對采集的噪聲信號進行一定程度的凈化，從而獲得真實的結構輻射噪聲。

2 實測結果分析

4189A21型傳聲器記錄的是聲壓數據，將其轉換為聲壓級，以描述箱梁結構表面噪聲輻射情況。《環境影響評價技術導則-聲環境》[12]中聲壓級定義為有效聲壓與基準聲壓之比的對數的20倍，即

由式(5)計算出近軌和遠軌兩種工況時各測點的聲壓級后，利用數據處理軟件Matlab，畫出兩種工況下1/4箱梁結構表面聲壓級等值線圖，分別如圖5和圖6所示。翼板和腹板已投放到與底板同一平面上。

圖5 近軌時不同部位聲壓級等值線圖(單位：dB)

圖6 遠軌時不同部位聲壓級等值線圖(單位：dB)

由圖5可知，近軌工況下，沿跨長方向，翼緣板的輻射噪聲總體表現出先增大后減小的特點。具體表現為在距離跨中0～8 m的范圍內輻射噪聲緩緩增大，在8～12 m的范圍內急劇減小；腹板和底板的輻射噪聲總體變化趨勢與翼緣板的變化趨勢相同，也都是表現出先增大后減小的特點。但腹板和底板的輻射噪聲變化趨勢具體表現為在距離跨中0～4 m的范圍內急劇增大，在4～12 m的范圍內緩慢減小。沿箱梁的寬度方向，翼緣板從上梗腋到懸臂端的輻射噪聲略有減小；腹板和底板在距跨中0～4 m范圍內從上梗腋到底板縱向中心線的輻射噪聲逐漸增大，在4～12 m范圍內基本保持不變。

由圖6可知，遠軌工況下，沿跨長方向，翼緣板的輻射噪聲大小基本無變化；但腹板和底板的輻射噪聲變化情況比較復雜，具體表現為在距離跨中0～8 m的范圍內腹板輻射噪聲略有減小，其中在4～8 m的范圍內輻射噪聲大小基本保持不變，在8～12 m的范圍內先增大后減小；底板的輻射噪聲在0～4 m的范圍內略有增大，在4～12 m的范圍內慢慢減小。沿箱梁的寬度方向，翼緣板從上梗腋到懸臂端的輻射噪聲略有減小；腹板和底板在距離跨中0～9 m的范圍內從上梗腋到底板縱向中心線的輻射噪聲在逐漸增大，在9～12 m的范圍內逐漸減小。

對比圖5和圖6可知，近軌時箱梁結構各部位的輻射噪聲明顯大于遠軌時箱梁結構各部位的輻射噪聲。近軌和遠軌兩種工況下，底板和翼緣的輻射噪聲都大于腹板。

盡管A計權低估了低頻噪聲的影響，但A聲級仍是目前噪聲評判的主要標準。本次實測傳聲器記錄的聲壓經過A計權后計算得到的A聲級(綜合噪聲)和箱梁結構表面輻射A聲級列于表1中。

表1 綜合噪聲和結構輻射噪聲A聲級

從表1可知，結構輻射噪聲級主要分布在61～66 dB(A)之間，相同測點處綜合噪聲和結構輻射噪聲級相差約2 dB(A)。實際工程中，為了剔除背景噪聲的影響，獲得真實的結構輻射噪聲，需將測得的綜合噪聲級減去約2 dB(A)。

3 結論

本文通過對25 m跨輕軌單箱單室預應力混凝土箱梁結構的噪聲實測得到以下結論：

(1) 近軌時箱梁結構各部位的輻射噪聲明顯大于遠軌時箱梁的結構噪聲。近軌和遠軌兩種工況下，底板和翼緣的輻射噪聲都大于腹板；

(2) 箱梁各部位的輻射聲壓級在跨長方向和橋寬度方向上都表現出非單一的變化規律，需結合列車運行工況具體分析；

(3) 列車以50 km/h的速度運行時，輕軌箱梁結構輻射噪聲級在61～66 dB(A)之間，測得的綜合噪聲級減去約2 dB(A)(背景噪聲影響)，即為真實的結構輻射噪聲級。

本文的實測分析結果可使工程技術人員對箱梁噪聲輻射情況有基本的了解，為后期箱梁的降噪設計提供參考依據。

[1] 張迅, 李小珍, 劉德軍, 等. 高速鐵路32m簡支箱梁聲輻射特性研究[J]. 鐵道學報, 2012, 34(7): 96-102. ZHANG Xun, LI Xiaozhen, LIU Dejun, et al. Sound radiation characteristics of 32 m simply supported concrete box girder applied in high-speed railway[J]. Journal of the China Railway Society, 2012, 34(7): 96-102.

[2] 王子健, 張迅, 李小珍. 鐵路混凝土箱梁的振動與噪聲頻譜特性研究[J]. 應用力學學報, 2014, 31(1): 85-90.WANG Zijian, ZHANG Xun, LI Xiaozhen. Vibration and structure-borne noise spectral characteristics of railway concrete box- girders[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2014, 31(1): 85- 90.

[3] 高飛, 夏禾, 曹艷梅, 等. 城市軌道交通高架結構振動與聲輻射研究[J]. 振動與沖擊, 2012, 31(4): 72-76. GAO Fei, XIA He, CAO Yanmei, et al. Vibration and noise influences of elevated structures in urban railway[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(4): 72-76.

[4] 李小珍, 劉孝寒, 張迅, 等. 基于相干分析的高鐵簡支箱梁結構噪聲源識別方法研究[J]. 工程力學, 2014, 31(1): 129-136. LI Xiaozhen, LIU Xiaohan, ZHANG Xun, et al. Research on identification of structure-borne noise source of high-speed railway simply-supported box girder based on coherence analysis[J]. Engineering Mechanics, 2014, 31(1): 129-136.

[5] 張鶴, 謝旭, 山下幹夫. 交通荷載引起的鋼箱梁橋振動輻射瞬態噪聲評估[J]. 振動工程學報, 2011, 24(3): 221-228. ZHANG He, XIE Xu, YAMASHITA Mikio. Assessment of sound pressure of transient noise radiated from vehicle-bridge coupling vibration[J]. Journal of Vibration Engineering, 2011, 24(3): 221- 228.

[6] 王小寧, 張楠, 孫奇. 城市軌道橋梁振動及噪聲輻射研究[J]. 鐵道建筑, 2014(1): 11-15. WANG Xiaoning, ZHANG Nan, SUN Qi. Study on vibration and noise radiation of urban railway bridge[J]. Railway Engineering, 2014(1): 11-15.

[7] 程海根, 蔣偉超. 高速列車作用下箱梁橋箱內振動噪聲分布研究[J]. 鐵道標準設計, 2015, 59(9): 93-97. CHENG Haigen, JIANG Weichao. Research on distribution of internal vibration noise of box girder bridge under high-speed train[J]. Railway Standard Design, 2015, 59(9): 93-97.

[8] 石廣田, 楊新文, 張小安, 等. 高鐵板式軌道區段箱梁結構噪聲輻射分析[J]. 噪聲與振動控制，2015, 35(1): 160-164. SHI Guangtian, YANG Xinwen, ZHANG Xiaoan, et al. Noise radiation analysis of box-girder structure in slab track section of high speed railways[J]. Noise and Vibration Control, 2015, 35(1): 160- 164.

[9] 張磊, 耿傳智. 橋梁跨徑對混凝土簡支箱梁結構噪聲的影響研究[J]. 現代城市軌道交通, 2016(6): 44-48. ZHANG Lei, GENG Chuanzhi. Influence of bridge span on structural noise of concrete simply supported box girder[J]. Modern Urban Transit, 2016(6): 44-48.

[10] 張迅, 李健強, 李小珍. 混合FE-SEA模型預測箱梁低頻噪聲及試驗驗證[J]. 振動工程學報, 2016, 29(2): 237-245. ZHANG Xun, LI Jianqiang, LI Xiaozhen. Hybrid FE-SEA model and test validation for box-girders radiated low-frequency noise[J]. Journal of Vibration Engineering, 2016, 29(2): 237-245.

[11] 何祚鏞. 結構振動與聲輻射[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2001.HE Zuoyong. Structural vibration and acoustic radiation[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2001.

[12] 中國環境保護部. HJ2.4-2009 環境影響評價技術導則聲環境[S]. 北京: 中國環境科學出版社, 2010.Ministry of Environmental Protection of China. HJ2.4-2009 Technical guidelines for noise impact assessment[S]. Beijing: China Environmental Science Press, 2010.

Measurement of noise radiated from box girder of elevated light rail transit

CHANG Liang, SHAO Bin

(School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063,Jiangxi, China)

In an elevated section of Wuhan light rail Line 1, a field test of the noise radiation has been made for the prestressed reinforced concrete simply supported box girder with a 25 m span of single box and single chamber. By using the Fast Fourier Transform (FFT) technique, the noise signal is purified to some extent by the coherence function so that the real structural radiation noise can be acquired. The contour maps of radiated sound pressure level from the surface of box girder are drawn and the A-weighted sound pressure levels of overall noise and structural radiation noise are compared and analyzed. The results show that for near rail the radiation noise from each part of box girder is significantly greater than that for distant rail. In these two conditions of near rail and distant rail, the radiation noises from bottom plate and flange plate are all greater than from web. The radiated sound pressure levels at diffident parts of box girder show different changing rules along the long span and bridge width, which should be analyzed according to the operation conditions of the train. The radiation noise of light rail box girder is between 61 dB (A) and 66 dB (A), and the2 dB (A)influence of background noise should be deducted from comprehensive noise in order to obtain real structural radiation noise. The analysis of the measurement result can help engineers comprehend the noise radiation from the box girder, and provides a reference for the noise reduction design of the box girder.

light rail box girder; structural noise; field measurement; sound pressure level

TU112

A

1000-3630(2018)-01-0077-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.01.014

2017-03-08;

2017-06-16

江西省自然科學基金項目(20161BAB216103、20161BAB 201005);江西省教育廳一般項目(GJJ160708、GJJ150731)

常亮(1982－), 男, 河北秦皇島人, 博士, 講師, 研究方向為結構振動及聲輻射。

邵斌, E-mail: 714557901@qq.com