鐵路鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的研究進(jìn)展

張 迅, 劉 蕊, 阮靈輝, 王曦陽, 李林輝, 陳恩培

(西南交通大學(xué) 橋梁工程系, 四川 成都 610031)

鐵路噪聲問題由來已久。當(dāng)前，世界各國(guó)發(fā)展鐵路事業(yè)的步伐越來越快，使得鐵路噪聲問題成為國(guó)家社會(huì)和行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

列車通過橋梁時(shí)的噪聲通常高于地面線路，一般會(huì)增加3 dB(A)以上，嚴(yán)重時(shí)噪聲增量可達(dá)20 dB(A)[1]。主要原因有兩方面：(1) 列車振動(dòng)能量通過軌道結(jié)構(gòu)傳遞至橋梁，激發(fā)橋梁構(gòu)件振動(dòng)，由于構(gòu)件表面積大，所輻射的噪聲也大，這部分噪聲源稱為“橋梁結(jié)構(gòu)噪聲”；(2) 軌道結(jié)構(gòu)的差異可能使橋上的輪軌噪聲比地面線路大，且輪軌噪聲在橋上的傳播特點(diǎn)與在地面線路上存在差異。鐵路橋梁是基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，且具有使用期限長(zhǎng)、更換難和再次施工難的特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)、建造之初，應(yīng)特別重視橋梁結(jié)構(gòu)噪聲問題。

現(xiàn)代橋梁的建造材料主要為混凝土和鋼。在我國(guó)公路橋梁中，鋼橋所占的比例不足1%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家(如法國(guó)、日本和美國(guó)鋼橋的比例分別為85%、41%和35%)[2]。近十年來，我國(guó)鐵路實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，新建線路大多采用“以橋代路”模式，其中絕大多數(shù)為混凝土橋。隨著橋梁技術(shù)的不斷變革和緩解鋼材產(chǎn)能過剩的需求不斷被提出，鋼橋?qū)⒊蔀槲覈?guó)橋梁工程的重要發(fā)展方向。相比鋼橋，混凝土橋更經(jīng)濟(jì)且噪聲更低，這是人們?cè)缫压逃械墓沧R(shí)。因此，若要在噪聲敏感區(qū)建造鋼橋，必須先解決的一個(gè)問題就是噪聲污染。

本文首先給出鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的基本特性，包括板的聲輻射、噪聲評(píng)價(jià)和頻譜特性等；然后，討論鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的計(jì)算方法，并對(duì)比各方法的優(yōu)劣性。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)歸納和總結(jié)鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的控制措施，提出降能、抑振、阻噪“三位一體”綜合減振降噪策略。最后，指出了目前鐵路鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲研究中有待進(jìn)一步完善的問題，并就如何進(jìn)一步開展研究作了初步探討。

1 基本特性

人耳的可聽頻率在20 Hz以上，該頻率范圍主要對(duì)應(yīng)于橋梁板件的局部振動(dòng)，而不是全橋整體振動(dòng)。因此，鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲來源于幅面尺寸較大的板面外振動(dòng)(如橋面板、縱橫梁腹板等)。準(zhǔn)確理解板的聲輻射是研究鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的基礎(chǔ)。

1.1 板的聲輻射

板的聲輻射示意見圖1?？臻g中任意觀察點(diǎn)X的聲壓為[3]

( 1 )

式中：j為單位虛數(shù)；ρ0、c0分別為空氣密度、聲速；k為波數(shù)，k=ω/c0，ω為圓頻率；S為板的表面積；R為板面上微元dS到觀察點(diǎn)X的距離；vn為微元dS的法向振動(dòng)速度。該式為著名的瑞利積分公式，針對(duì)具有無限大障板情況下的理論模型，相關(guān)應(yīng)用見2.2.1節(jié)。

由式( 1 )可見，噪聲用聲壓表示時(shí)，與受聲點(diǎn)的具體位置有關(guān)。為了定量描述聲源本身的大小，引入聲功率這一物理量，其與受聲點(diǎn)的位置無關(guān)。板輻射的聲功率為[3]

( 2 )

影響輻射效率的主要因素包括幅面尺寸、板厚、邊界約束條件、阻尼損耗因子等?？傮w上，在臨界頻率附近(此時(shí)板的彎曲波波長(zhǎng)與聲波波長(zhǎng)相等)，輻射效率最高；頻率更高時(shí)，輻射效率趨近于1；在中頻范圍，“聲短路”現(xiàn)象使得輻射效率降低。臨界頻率fc為[3]

( 3 )

式中：m′為板的面密度；D為板的彎曲剛度。

文獻(xiàn)[3-5]給出了輻射效率的近似公式。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，本文計(jì)算得到4種簡(jiǎn)支矩形鋼板的輻射效率曲線，見圖2。其幅面尺寸分別為4 m×2.4 m、4 m×1.2 m，厚度有24 、50 mm 2種。

由圖2可見：厚板的臨界頻率更低，其輻射效率曲線向低頻移動(dòng)；在臨界頻率以下，聲短路的程度隨板件尺寸增大而略微增加，隨板厚變薄而顯著增加，即薄板更有利于降低輻射效率。

1.2 鋼橋的聲輻射

文獻(xiàn)[6-9]對(duì)大量的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析后得出：列車通過鋼橋時(shí)的噪聲一般要比混凝土橋大，但并非絕對(duì)；相比有碴軌道橋梁，無碴軌道橋梁的噪聲往往比較大，且采用直接扣件式的橋梁或使用明橋面的鋼橋噪聲更大。

相比輪軌噪聲，一般認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)噪聲以低頻為主，但鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的頻率范圍要比混凝土橋更寬。然而，橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的主頻范圍卻沒有嚴(yán)格的定論。主要原因有三方面：(1) 影響因素眾多，包括橋型、材質(zhì)、尺寸，以及軌道、粗糙度、列車等；(2) 聲壓級(jí)計(jì)權(quán)方式將影響所得出的結(jié)論；(3) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的綜合噪聲為輪軌噪聲、橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的混合，難以從中分離出不同噪聲源的獨(dú)立貢獻(xiàn)。

1.2.1 噪聲評(píng)價(jià)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的鐵路噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)多采用等效A聲級(jí)，且在評(píng)價(jià)中并非針對(duì)單一噪聲源，即包括輪軌噪聲、橋梁結(jié)構(gòu)噪聲等形成的混合噪聲。

A計(jì)權(quán)方式將極大地抑制低頻橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻(xiàn)，且計(jì)權(quán)方式嚴(yán)重影響對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)噪聲主頻范圍的判斷。例如：對(duì)混凝土橋，不計(jì)權(quán)時(shí)的結(jié)構(gòu)噪聲主頻為40～100 Hz[10-13]；若采用A計(jì)權(quán)，則該頻率范圍的噪聲將由于折減量極大而被忽略(對(duì)應(yīng)的權(quán)重為-34.6～-19.1 dB)。對(duì)于該主頻的噪聲，相關(guān)研究將其歸因于輪軌系統(tǒng)的固有頻率和板的臨界頻率相接近，前者使輸入到橋梁的振動(dòng)能量出現(xiàn)局部峰值[12]，后者使常規(guī)厚度混凝土板(0.2～0.4 m)的輻射效率較高[13]。

少量規(guī)范考慮了低頻橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的危害。例如：日本采用2條曲線評(píng)價(jià)公路鋼橋所輻射的極低頻噪聲(包括20 Hz以下的次聲)[14]，見圖3。其中，“引起門窗產(chǎn)生咔嗒聲”的評(píng)價(jià)曲線對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位于建筑物外1～2 m；“造成人體身心不舒適”的評(píng)價(jià)曲線對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位于房間內(nèi)(測(cè)試時(shí)關(guān)閉門窗)。只有當(dāng)實(shí)測(cè)的噪聲頻譜曲線位于區(qū)域Ⅰ內(nèi)時(shí)，方可認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)噪聲既不會(huì)引起門窗產(chǎn)生咔嗒聲，也不會(huì)造成人體身心不舒適。

對(duì)于鐵路鋼橋噪聲，由于其頻譜范圍更寬，且當(dāng)前中高頻噪聲尚未很好地解決，故實(shí)踐中大多不關(guān)注極低頻噪聲。

1.2.2 頻譜特性

為了從測(cè)試的噪聲中剔除輪軌噪聲的貢獻(xiàn)，研究中有一些近似處理方法。以下將其總結(jié)為3類，并對(duì)鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的頻譜特性進(jìn)一步分析。

在同一條線路上，將相同列車分別通過鋼橋和地面線路時(shí)的噪聲作差，可近似得到鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的獨(dú)立貢獻(xiàn)。使用這種方法應(yīng)保證軌道結(jié)構(gòu)在橋梁和地面上一樣，否則輪軌噪聲將會(huì)明顯不同。例如，文獻(xiàn)[15]通過該方法認(rèn)為40 Hz附近的噪聲增量(12～18 dB(A))主要來源于鋼橋面板的振動(dòng)。但是，由于鋼軌安裝在直接置于鋼橋面的木枕上，而地面線路采用有碴軌道，所以橋梁上的輪軌噪聲明顯要大，使得中高頻鋼橋噪聲被掩蓋掉。該例中，A計(jì)權(quán)綜合噪聲的增量為12～14 dB(A)(5種不同列車類型，車速度為50～80 km/h，測(cè)點(diǎn)為距軌道中心22 m遠(yuǎn)、軌面高度處)。

在同一條線路上，測(cè)試相同列車分別通過鋼橋和混凝土橋時(shí)的噪聲，并假設(shè)混凝土橋的結(jié)構(gòu)噪聲可忽略(采用A計(jì)權(quán)時(shí)，輪軌噪聲占主導(dǎo))，則可將2個(gè)測(cè)試值作差后視作鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的獨(dú)立貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[16]通過該方法得到了一跨度150 m中承式鉚接鋼桁拱橋的結(jié)構(gòu)噪聲頻譜曲線，見圖4。測(cè)點(diǎn)為距橋梁45～55 m、軌面以上1.5 m高度處?？梢钥闯觯轰摌蚪Y(jié)構(gòu)噪聲主要集中在200～800 Hz頻段，其對(duì)綜合噪聲的貢獻(xiàn)為3～7 dB(A)；在800 Hz以上，輪軌噪聲的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)，而鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻(xiàn)降低。

最后一種方法適用于布置測(cè)點(diǎn)比較便利的情況。對(duì)于某些結(jié)構(gòu)形式的橋梁(非明橋面)，由于輪軌噪聲受到橋面的遮蔽，故可以假設(shè)橋梁正下方測(cè)得的噪聲主要來源于橋梁結(jié)構(gòu)噪聲。文獻(xiàn)[17]測(cè)得的結(jié)果見圖4，其跨度為16 m的連續(xù)鋼板結(jié)合梁(橋?qū)挾葹? m，橋面板厚度為0.4 m，縱梁高度為1 m)，車速度為54 km/h，測(cè)點(diǎn)位于橋梁正下方5 m處。類似地，本文作者曾對(duì)高速鐵路(32+40+32) m鋼板結(jié)合梁進(jìn)行了測(cè)試(橋?qū)挾葹?2.4 m，橋面板厚度為0.2～0.487 m，縱梁高度為2.5 m)，車速度為190 km/h，測(cè)點(diǎn)位于橋梁正下方4 m處，結(jié)果見圖4[18]。

由圖4可見，2個(gè)鋼混結(jié)合梁的結(jié)構(gòu)噪聲頻譜比較相似，且相比全鋼橋，前者的主頻范圍更寬，大約為63～800 Hz；幾十Hz的低頻噪聲可能來源于混凝土橋面板的振動(dòng)。

2 預(yù)測(cè)方法

橋梁振動(dòng)聲輻射問題本質(zhì)上是流固耦合問題。由于橋梁剛度通常很大，故可忽略空氣對(duì)橋梁的作用力，則其成為弱耦合問題。因此，一般采用“兩步走”的混合方法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(cè)。第一步是得到橋梁的車致振動(dòng)響應(yīng)，第二步是基于已求得的橋梁振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算聲輻射，這兩步共同決定了橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(cè)的精度和效率。

2.1 車致振動(dòng)響應(yīng)

2.1.1 時(shí)域解法

現(xiàn)代車軌橋耦合振動(dòng)理論構(gòu)建了一個(gè)大型復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，目前只能在時(shí)域內(nèi)求解[19]?，F(xiàn)有研究主要集中在避免共振、保證列車運(yùn)行安全性和旅客乘坐舒適性等方面，所考慮的橋梁振動(dòng)響應(yīng)處于低頻范圍，因而多采用梁?jiǎn)卧?。然而，為了?zhǔn)確獲得橋梁高頻振動(dòng)響應(yīng)而進(jìn)行后續(xù)的噪聲分析，應(yīng)采用板殼或?qū)嶓w單元建模，且每個(gè)彎曲波波長(zhǎng)內(nèi)應(yīng)采用4～8個(gè)單元進(jìn)行模擬，此時(shí)時(shí)域內(nèi)的車軌橋耦合振動(dòng)分析極其耗時(shí)。對(duì)于混凝土橋，因?yàn)樗枰紤]的分析頻率一般在200 Hz以內(nèi)，故單元數(shù)量相對(duì)較少、計(jì)算效率尚可[10-11]。

為了簡(jiǎn)化分析，一些研究中忽略了軌道不平順寬帶激勵(lì)作用[20-21]，僅考慮車輛移動(dòng)荷載效應(yīng)，由此得到的橋梁振動(dòng)響應(yīng)在頻率上明顯不夠豐富。

2.1.2 頻域解法

(1) 有限元法

噪聲分析的頻率通常在20 Hz以上。考慮到車輛一系懸掛的固有頻率通常低于10 Hz，二系懸掛的固有頻率為1 Hz左右，故可采用更簡(jiǎn)單的車輛模型(如不考慮二系、一系懸掛的影響)進(jìn)行車軌橋耦合振動(dòng)分析。此外，還可對(duì)輪軌接觸進(jìn)行線性化處理。考慮到車輛移動(dòng)荷載的主要激勵(lì)頻率較低，可采用移動(dòng)不平順的方式得到頻域內(nèi)的輪軌相互作用力Fc為[1]

( 4 )

式中：r為輪軌粗糙度幅值；Yr、Yw、Yc分別為軌道-橋梁系統(tǒng)、車輛、輪軌接觸彈簧的導(dǎo)納。

進(jìn)一步地，通過扣件作用在橋梁上的荷載也可方便地得到。文獻(xiàn)[12]、文獻(xiàn)[22]采用上述方法分析了輸入到橋梁的振動(dòng)功率。類似地，文獻(xiàn)[23]則采用諧響應(yīng)分析得到了頻域內(nèi)的橋梁中高頻振動(dòng)響應(yīng)。頻域解法效率較高，且理論上任何復(fù)雜橋梁均可通過有限元建模，所以這種方法的應(yīng)用越來越多。

(2) 波數(shù)有限元法

作為有限元法的改進(jìn)，波數(shù)有限元法近年來被用作分析橋梁中高頻振動(dòng)響應(yīng)，其特別適合于橫截面沿跨度方向均勻的結(jié)構(gòu)。該方法基于橫截面的二維有限元離散化，先求得沿梁長(zhǎng)方向的波動(dòng)解，再通過逆傅里葉變換獲得空間域響應(yīng)，具有很高的求解效率。例如，Herron[24]通過這種方法研究了箱梁、鋼板結(jié)合梁的中高頻振動(dòng)；Li等[25]將波數(shù)有限元法應(yīng)用于分析鋼軌和混凝土簡(jiǎn)支U梁的振動(dòng)，頻率上限可達(dá)1 000 Hz。

(3) 統(tǒng)計(jì)能量分析

對(duì)于鋼橋的高頻振動(dòng)響應(yīng)，由于在所關(guān)注頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)模態(tài)密集，模型單元數(shù)急劇增加，此時(shí)有限元法的求解效率降低，則統(tǒng)計(jì)能量分析成為不二之選。該方法先將結(jié)構(gòu)劃分為若干梁、板子系統(tǒng)，假設(shè)兩個(gè)子系統(tǒng)間的功率流與他們的平均模態(tài)能量之差成正比；然后，建立子系統(tǒng)間的功率流平衡方程；最后，求解得到各子系統(tǒng)所儲(chǔ)存的能量和空間平均均方振動(dòng)速度。

功率流平衡方程包含子系統(tǒng)間的耦合損耗因子，若采用“強(qiáng)耦合”假設(shè)，則可避免先確定耦合損耗因子，并能得到任意子系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的顯示表達(dá)式。假設(shè)輸入到橋梁的振動(dòng)功率為Pin，則任意板n的空間平均均方速度為[1]

( 5 )

式中：η為阻尼損耗因子；ρs為材料密度；hn為板n的厚度；Sj和hj分別為第j塊板的面積和厚度。

Janssens等[26]、Harrison等[27]、Bewes等[28]將上述簡(jiǎn)化的統(tǒng)計(jì)能量分析方法用于求解橋梁中高頻振動(dòng)響應(yīng)，并重點(diǎn)對(duì)軌道-橋梁耦合模型、橋梁導(dǎo)納簡(jiǎn)化計(jì)算公式等進(jìn)行了研究，以準(zhǔn)確獲得輸入至橋梁的振動(dòng)功率。然而，這種方法不適用于板厚和材料相差很大的情況，如鋼板結(jié)合梁，其混凝土橋面板和鋼縱梁的振動(dòng)差異明顯。

更一般地，Poisson等[15]用259個(gè)子系統(tǒng)對(duì)一座單線簡(jiǎn)支鋼桁梁進(jìn)行建模，得到了200 Hz以上頻段的橋梁振動(dòng)。文獻(xiàn)[29]以車軌橋耦合振動(dòng)分析混凝土橋面板的振動(dòng)，并將其視為外界能量輸入，再采用715個(gè)子系統(tǒng)對(duì)64 m鋼桁結(jié)合梁建模，以計(jì)算各板件的高頻振動(dòng)響應(yīng)。在對(duì)(32+40+32) m鋼板結(jié)合梁的振動(dòng)分析中，也采用了類似的方法[18]。對(duì)于混凝土橋，由于子系統(tǒng)的模態(tài)密度較低，該方法的有效頻段不易確定[30]。

統(tǒng)計(jì)能量分析的求解效率最高，但其精度在很大程度上取決于參數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)，包括振動(dòng)能量輸入、模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子等。

計(jì)算車致振動(dòng)響應(yīng)是橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(cè)的第一步，各種方法的比較見表1。由表1可見：對(duì)于鋼梁高頻振動(dòng)響應(yīng)，應(yīng)優(yōu)先選用統(tǒng)計(jì)能量分析方法，并補(bǔ)充有限元法得到低頻響應(yīng)；對(duì)于等截面橋梁，可采用波數(shù)有限元法先進(jìn)行降維后再分析。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的預(yù)測(cè)方法比較

2.2 振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲

2.2.1 簡(jiǎn)單聲源模型

一些研究采用簡(jiǎn)單聲源模型進(jìn)行振動(dòng)聲輻射分析，如點(diǎn)聲源、線聲源和面聲源等。

Ouelaa等[31]將連續(xù)梁離散為二維梁?jiǎn)卧?，并將各?jié)點(diǎn)的振動(dòng)加速度視為沿梁長(zhǎng)分布的單極子聲源。這種方法顯然不能模擬橋梁的高頻局部振動(dòng)，所求的結(jié)構(gòu)噪聲頻率范圍也極為有限。

同一直線上十分靠近的許多點(diǎn)聲源可看成線聲源。Remington等[32]將橋梁視作運(yùn)動(dòng)著的有限長(zhǎng)線聲源，先計(jì)算單位長(zhǎng)度橋梁的輻射聲功率(式( 2 ))，再采用解析公式計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓。

對(duì)于由復(fù)雜板子系統(tǒng)所組成的橋梁(如鋼桁梁)，可采用統(tǒng)計(jì)能量分析得到各子系統(tǒng)的振動(dòng)速度，再根據(jù)式( 2 )獲得每個(gè)振動(dòng)板輻射的聲功率，最后依據(jù)矩形面聲源傳播公式進(jìn)行噪聲分析[3]。典型統(tǒng)計(jì)能量分析軟件(如VA One、Auto SEA)中的半無限流體模型即采用類似的方法[15]。

對(duì)于任意形狀的面聲源產(chǎn)生的聲場(chǎng)，可將其看成由許多點(diǎn)聲源在空間產(chǎn)生聲場(chǎng)的疊加，這就是瑞利積分法(式( 1 ))。瑞利積分法通常被用于求解任意形狀板的振動(dòng)聲輻射問題，相比簡(jiǎn)單聲源模型，前者理論上精度更高。Au等[20]采用模態(tài)疊加法分析移動(dòng)荷載作用下正交異性板的振動(dòng)響應(yīng)，再用瑞利積分獲得時(shí)域內(nèi)的聲輻射。Xie等[33]先將公路鋼箱梁橋離散為梁格模型，采用車橋耦合振動(dòng)理論分析橋梁振動(dòng)響應(yīng)；再以梁格節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度代表該節(jié)點(diǎn)周圍橋面板的振動(dòng)速度，借助瑞利積分計(jì)算聲輻射。需要指出的是：對(duì)于實(shí)際工程中復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)，瑞利積分公式的適應(yīng)性需要進(jìn)一步探討。

總體上，以上簡(jiǎn)單聲源模型的計(jì)算效率很高，但由于無法考慮繞射、吸聲等效應(yīng)，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)外形和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁聲輻射，且對(duì)于構(gòu)造細(xì)節(jié)的優(yōu)化分析無能為力。此外，當(dāng)進(jìn)行局部處理后(如開孔、加肋等)，板件的輻射效率難以準(zhǔn)確估計(jì)[1]。

2.2.2 單元離散法

(1) 有限元法

當(dāng)采用有限元法進(jìn)行聲學(xué)分析時(shí)，需要人工構(gòu)造有限大的求解域，即引入一個(gè)包圍結(jié)構(gòu)的截止邊界(其與結(jié)構(gòu)外表面的距離一般選取0.2倍聲波波長(zhǎng))，并設(shè)置吸收條件(避免聲波反射)。為了保證計(jì)算精度，每個(gè)聲波波長(zhǎng)內(nèi)至少應(yīng)有6個(gè)單元，這將導(dǎo)致求解規(guī)模急劇增加。因此，即使對(duì)于混凝土箱梁這類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的梁型，研究中也不得不采用二維有限元模型進(jìn)行聲場(chǎng)分析[34]，或者采用梁-板混合單元降低計(jì)算成本[35]。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如鋼桁梁)，一些研究依靠有限元法對(duì)次聲(頻率小于20 Hz)進(jìn)行了討論[21]。

通過將人工邊界上施加的吸收條件替換為一層可延伸到無限遠(yuǎn)的單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流體域(空間)進(jìn)行求解，這是無限元法。與有限元法相比，無限元法提供了一種精確的吸聲末端，故在激勵(lì)頻率升高時(shí)仍可保證計(jì)算精度。近年來，宋曉東等[36]將無限元法用于求解鋼軌、混凝土簡(jiǎn)支梁的二維聲傳遞向量，截止頻率為1 000 Hz，并考慮了列車外形對(duì)噪聲傳播的影響。

(2) 邊界元法

在處理聲學(xué)問題時(shí)，邊界元法只需劃分結(jié)構(gòu)的表面，特別是在已經(jīng)采用有限元?jiǎng)澐纸Y(jié)構(gòu)外表面后，邊界元網(wǎng)格就隨之完成。為了保證計(jì)算精度，邊界元法進(jìn)行聲學(xué)分析時(shí)應(yīng)在一個(gè)聲波波長(zhǎng)內(nèi)劃分6個(gè)單元，且傳統(tǒng)邊界元法形成的系數(shù)矩陣是非對(duì)稱滿陣，所以計(jì)算效率不高，特別適用于小型、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。此外，邊界元法還存在奇異積分、非唯一解等缺點(diǎn)[37]。

目前，傳統(tǒng)邊界元法主要用于混凝土簡(jiǎn)支箱梁、U梁的低頻聲輻射分析[10-11]。在這些研究中，通常先進(jìn)行車軌橋耦合振動(dòng)分析獲得橋梁振動(dòng)響應(yīng)，再將其作為邊界條件進(jìn)行聲學(xué)邊界元分析，這種方法被稱為混合有限元-邊界元法。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可以充分考慮繞射、吸聲等效應(yīng)，并可以研究諸如截面形式、細(xì)部構(gòu)造、結(jié)構(gòu)尺寸、吸聲材料等參數(shù)引起的噪聲變化。

為了提高計(jì)算效率，Li等[10]采用模態(tài)疊加法進(jìn)行車軌橋耦合振動(dòng)分析，并采用邊界元法提取模態(tài)聲傳遞向量以進(jìn)行噪聲分析。進(jìn)一步地，他們還采用波數(shù)有限元-邊界元法，對(duì)鋼軌和混凝土簡(jiǎn)支U梁的振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析，極大地提高了計(jì)算效率[25]。最近，文獻(xiàn)[38]將快速多極邊界元法用于混凝土箱梁的聲輻射分析，計(jì)算效率明顯提高。

計(jì)算振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲是橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(cè)的第二步，各種方法的比較見表1。由表1可見：由于鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的頻段范圍更寬，采用分頻預(yù)測(cè)是兼顧精度和效率的優(yōu)選方案，但應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定各計(jì)算參數(shù)。

3 控制措施

一般情況下，噪聲控制通常有3種途徑：一是從噪聲源頭上控制；二是從傳播過程中控制；三是從受聲體上控制。

針對(duì)列車在鋼橋上運(yùn)行時(shí)的噪聲特點(diǎn)，本文提出降能、抑振、阻噪“三位一體”綜合減振降噪策略，見圖5?！敖的堋笔侵附档陀绍壍澜Y(jié)構(gòu)傳遞到鋼橋的振動(dòng)能量；“抑振”是指在能量輸入既定的情況下，減小鋼橋構(gòu)件的振動(dòng)響應(yīng)；“阻噪”是指在噪聲源不變的情況下，阻斷噪聲在空氣中的傳播。

3.1 降能——降低輸入到鋼橋的振動(dòng)能量

3.1.1 運(yùn)輸管理措施

由式( 4 )可見，輪軌粗糙度是影響輪軌力的主要因素。此外，車速越高，車輪接收到的移動(dòng)不平順幅值也會(huì)響應(yīng)增加，從而增大輪軌力[1]。因此，鋼軌打磨、鏇輪等措施成為了運(yùn)輸管理部門進(jìn)行噪聲控制的主要手段，而降速則是不得已時(shí)的臨時(shí)性措施。顯而易見，這些措施從源頭上減小了激勵(lì)源，使得系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)降低，則輪軌噪聲和鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲均可以得到有效控制。由于這些措施屬于常規(guī)性的運(yùn)輸管理措施，此處不過多論述。

3.1.2 軌道減振

振動(dòng)能量通過軌道結(jié)構(gòu)傳遞至橋梁，因而軌道結(jié)構(gòu)是第一位措施(降能)中的關(guān)鍵。軌道結(jié)構(gòu)的主要組成部分見圖5。這里將相關(guān)措施歸納為鋼軌、軌下和枕下。

(1) 鋼軌

針對(duì)鋼軌減振的措施主要包括阻尼鋼軌和鋼軌吸振器。阻尼鋼軌是在鋼軌表面粘貼阻尼材料和約束層(金屬薄板)，以增加鋼軌阻尼。鋼軌吸振器是構(gòu)造質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，以吸收鋼軌振動(dòng)能量。

鋼軌吸振器對(duì)輪軌噪聲的控制效果較好，但對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的控制效果有限，甚至幾乎不受影響。例如，文獻(xiàn)[39]采用數(shù)值方法得出混凝土箱梁的振動(dòng)僅在鋼軌吸振器的前兩階頻率附近(250 、700 Hz)得到控制；文獻(xiàn)[15]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確認(rèn)鋼軌吸振器對(duì)綜合噪聲的控制效果為3～4 dB(A)，其主要原因是輪軌噪聲得到了有效控制，但鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的變化很小。

目前還沒有阻尼鋼軌對(duì)橋梁振動(dòng)噪聲影響的相關(guān)研究。理論上[1]，只有在車輪作用點(diǎn)附近的鋼軌才會(huì)將振動(dòng)功率傳遞至橋梁，且不受鋼軌阻尼的影響，所以對(duì)橋梁噪聲的影響不大，但這一推論還未得到具體工程的證實(shí)。

(2) 軌下

軌下減振主要是采用彈性扣件降低傳入軌下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，因而可降低橋梁振動(dòng)噪聲[40]。

軌道衰減率被用來描述鋼軌振動(dòng)大小隨距離衰減的現(xiàn)象。若車輪激勵(lì)下鋼軌振動(dòng)區(qū)段越長(zhǎng)，則鋼軌輻射噪聲越大，且傳遞給軌下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量越大。多數(shù)情況下，使用彈性扣件可以降低列車通過橋梁時(shí)的綜合噪聲，降噪效果為3～4 dB(A)[6-9, 16]。然而，由于彈性扣件降低了軌道衰減率，將增大鋼軌振動(dòng)而加劇輪軌噪聲。例如，文獻(xiàn)[16]研究得出，在安裝彈性扣件后(剛度為19.5 MN/m)，鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲降低約15 dB(A)，但輪軌噪聲增大約3 dB(A)，故綜合降噪效果實(shí)際只有3 dB(A)。

此外，彈性扣件帶來的新問題還包括可能誘發(fā)嚴(yán)重的鋼軌異常波磨[41-42]，而波磨會(huì)加劇輪軌振動(dòng)噪聲，其主要原因是彈性扣件剛度太低致使輪軌振動(dòng)能量與軌下隔離而留在鋼軌中。

嵌入式軌道是將鋼軌嵌入到彈性體中，其構(gòu)成了一個(gè)剛度相對(duì)較小、衰減率較高的鋼軌-扣件系統(tǒng)。文獻(xiàn)[43]將嵌入式軌道應(yīng)用到連續(xù)鋼桁梁橋中，并采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，數(shù)值結(jié)果顯示120 Hz以上的輪軌力得以降低。文獻(xiàn)[44]將嵌入式軌道應(yīng)用到連續(xù)鋼箱梁中(正交異性鋼橋面)，以降低鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲，但未給出具體實(shí)施效果。

(3) 枕下減振

枕下減振主要包括道碴墊、彈性軌枕、梯形軌枕、浮置板等，其基本原理是在軌下插入一個(gè)質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)以隔離振動(dòng)能量。

文獻(xiàn)[45-47]對(duì)多個(gè)混凝土高架橋的測(cè)試結(jié)果表明，梯形軌枕、橡膠墊浮置板均能使得橋梁振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲降低，但輪軌噪聲可能增大1～4 dB(A)。文獻(xiàn)[47]對(duì)某鋼橋的測(cè)試結(jié)果顯示，相比背景噪聲，使用了鋼彈簧浮置板后的綜合噪聲幾乎沒有增加。國(guó)內(nèi)在一些大跨度鋼橋上也使用了減振墊或鋼彈簧浮置板，以降低鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲[48-50]。

文獻(xiàn)[51]提出一種雙層浮置系統(tǒng)——浮置梯形軌枕+浮置混凝土橋面板，可使得下承式鋼板梁腹板的振動(dòng)速度級(jí)降低10 dB，預(yù)期可降低鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲。

梯形軌枕、浮置板等屬于高等級(jí)減振措施，但由于重量較大，使得橋梁的設(shè)計(jì)荷載增加[50]。此外，浮置板等減振軌道吸收了較大的振動(dòng)能量，且幅面尺寸大，容易成為新的噪聲源，且在固有頻率附近(低頻)存在減振效果不佳的問題[52]。

3.2 抑振——抑制振動(dòng)能量在鋼橋中的傳遞

3.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在滿足結(jié)構(gòu)承載力的前提下，可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)抑制振動(dòng)能量在鋼橋構(gòu)件中的傳遞，并加速振動(dòng)能量耗散，以實(shí)現(xiàn)橋梁“靜音”的目的，見圖5。

箱梁和U梁是目前應(yīng)用最廣泛的混凝土梁型，其優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：調(diào)整腹板與軌道的相對(duì)位置、調(diào)整腹板傾角、調(diào)整板厚、增加箱室、腹板開孔、設(shè)置加勁肋等[11, 22, 53-54]。U梁局部剛度小，造成U梁結(jié)構(gòu)噪聲比箱梁略大，但U梁兩側(cè)腹板對(duì)輪軌噪聲的遮蔽效果明顯[55]。特別地，空腔共鳴效應(yīng)將加劇箱內(nèi)噪聲，其通過梁縫泄漏而惡化橋側(cè)聲環(huán)境[56]。

對(duì)于鋼橋，上述優(yōu)化方法同樣適用。文獻(xiàn)[43]研究了箱形下弦桿外側(cè)腹板的加勁肋設(shè)置位置，以及內(nèi)側(cè)腹板與橋面板的連接位置。荷蘭的研究人員就不同的板厚、梁高組合對(duì)鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的影響進(jìn)行了對(duì)比，優(yōu)化后可降噪5～7 dB(A)[57]。需要指出的是，盡管厚板的聲短路效應(yīng)較小(圖2)，但厚板的振動(dòng)更低，所以兩種效應(yīng)趨于抵消。由于鋼板聲輻射對(duì)常規(guī)厚度變化不敏感(15～40 mm)，所以更有效的措施是降低輸入功率，比如在鋼軌正下方增加腹板厚度(可減小橋梁導(dǎo)納)[58]。

使用混凝土橋面板也可減小噪聲。例如，文獻(xiàn)[59]對(duì)既有明橋面鋼板梁進(jìn)行改造，在增加混凝土橋面板后，通過錘擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)20～2 000 Hz范圍內(nèi)縱梁腹板的振動(dòng)加速度降低了12.9 dB，其原因是混凝土橋面板降低了傳遞至縱梁的振動(dòng)能量。正因?yàn)槿绱耍瑢?shí)踐中更多鋼橋優(yōu)選鋼混組合橋面[43, 51, 60]。

一些細(xì)小的措施在特殊情況下也可以降低鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲。例如，將開口π形鋼梁封閉起來(成為箱形)以減小聲輻射面，在封閉所有縫隙后，理論上輻射聲功率將降低3 dB(A)[1]；將鋼質(zhì)人行道板改成塑料板后，可降低該部分輻射的噪聲[61]。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)示意見圖6。為增加對(duì)輪軌噪聲的遮蔽效應(yīng)，需優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，見圖6(b)。圖6(b)中：FL為翼緣寬度；WH為腹板寬度；WA為腹板傾角。

3.2.1 增大橋梁阻尼

式( 5 )表明，增大橋梁結(jié)構(gòu)阻尼可以降噪。實(shí)測(cè)鋼橋的阻尼損耗因子為10-3～10-1，其隨頻率增大而減??；相比焊接方式，鉚接或栓接鋼橋因在連接處可能存在滑移，使得阻尼損耗因子更大[62]。

道碴具有彈性，其在一定程度上起到隔離振動(dòng)能量的作用，但其更大的作用是增大了鋼梁的質(zhì)量和阻尼。例如，文獻(xiàn)[63]在鋼橋面板上覆蓋一層砂子后，橋下噪聲降低了近10 dB(A)。類似地，日本在早期修建的鋼橋中采用外包混凝土或?yàn)r青橡膠材料的方式增大阻尼[6]。最近，對(duì)舊橋進(jìn)行加固維修時(shí)，在鋼板表面噴涂膠乳水泥砂漿，以降低鋼板的振動(dòng)噪聲[64]。

為了進(jìn)一步增大鋼板的阻尼，可以在板面上粘貼約束阻尼層。文獻(xiàn)[65]對(duì)鋼箱結(jié)合梁的腹板和底板粘貼約束阻尼層，并對(duì)敷設(shè)部位進(jìn)行優(yōu)化，可使得振動(dòng)降低9～12 dB，500 Hz以內(nèi)的噪聲降低6～9 dB，但路旁A計(jì)權(quán)降噪量卻很小。文獻(xiàn)[66]曾對(duì)(32+40+32) m鋼板結(jié)合梁敷設(shè)約束阻尼層降噪。采用“2 mm約束層(鍍鋅鋼板)+2 mm阻尼層”對(duì)縱梁腹板進(jìn)行處理后，腹板振動(dòng)降低10.5 dB，梁下噪聲降低3 dB(A)。由于輪軌噪聲的貢獻(xiàn)，距橋梁較遠(yuǎn)處的降噪效果不明顯。

在列車長(zhǎng)期振動(dòng)荷載下，一般難以保證約束阻尼層與鋼板的密貼效果。為此，文獻(xiàn)[67]使用了一種帶磁性的橡膠阻尼材料，減振降噪效果更佳。

3.2.2 橋梁吸振器

橋梁吸振器本質(zhì)上為質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，其安裝在振動(dòng)較大的板面上(如橋面板、縱橫梁的腹板等)，通過吸收振動(dòng)能量降低噪聲。橋梁吸振器的優(yōu)勢(shì)在于可以根據(jù)需求方便地調(diào)整其工作頻率，且在安裝時(shí)不需要中斷交通。

文獻(xiàn)[15]在鋼橋面上安裝吸振器，使得30～50 Hz范圍的低頻噪聲降低了4～6 dB。文獻(xiàn)[68]在縱梁腹板上安裝吸振器后，使得800 Hz附近的噪聲降低了4 dB。文獻(xiàn)[69]在14座有碴軌道鋼橋上安裝了吸振器，將其有效頻率調(diào)整為橋梁噪聲的主頻范圍，獲得了平均3 dB(A)的降噪效果。文獻(xiàn)[70]提出了采用壓電陶瓷材料吸收鋼板的振動(dòng)能量生成電能，再將電能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。

橋梁吸振器的工作頻率要仔細(xì)設(shè)計(jì)，否則不一定能獲得減振和降噪的雙重效果，這是由于振動(dòng)和噪聲的主頻范圍不一定相同[71]。同時(shí)，吸振器與鋼梁的連接也是需要考慮的重要問題，否則會(huì)影響橋梁的長(zhǎng)期使用性能[68]。

3.2.3 阻噪——阻斷噪聲傳播

阻斷噪聲傳播的措施主要是指設(shè)置聲屏障或在局部設(shè)置吸音材料。輪軌噪聲集中在輪軌區(qū)域(范圍小)，鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲涉及全部構(gòu)件(范圍廣)，因此，在制訂阻噪方案時(shí)應(yīng)充分考慮到這一點(diǎn)。

聲屏障一般設(shè)置在橋面兩側(cè)，其對(duì)鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的影響較小。進(jìn)一步地，若在梁下加設(shè)隔聲板，則能在很大程度上阻斷橋面板噪聲的傳播[6]。

吸音材料需要布置在噪聲源附近，例如軌旁吸音材料[15]、橋面吸音板[50]等。此外，碎石道碴在一定程度上也可以起到吸音的效果。特別地，對(duì)于多片式鋼板梁橋，噪聲在各縱梁腹板之間反射而放大。因此，文獻(xiàn)[72]通過數(shù)值分析討論了板面吸音材料的最優(yōu)布置方案，其最大降噪量為3 dB(A)。

4 結(jié)論

鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)綜合噪聲的貢獻(xiàn)不容小覷，國(guó)外在這方面開展了一定的研究，但遠(yuǎn)不如輪軌噪聲的研究深度。由于我國(guó)的鋼橋使用比例極低，且長(zhǎng)期以來對(duì)噪聲要求比較寬松，因此，我國(guó)在鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲方面的研究極為有限。隨著未來我國(guó)鋼橋的飛速發(fā)展，鋼橋振動(dòng)噪聲問題亟需同步解決，以杜絕“先污染、后治理”的老路。本文重點(diǎn)綜述了鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的基本特性、預(yù)測(cè)方法和控制措施等方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，主要結(jié)論和建議如下：

(1) 鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲的頻譜特征、傳播規(guī)律和貢獻(xiàn)量等基本特性的研究仍需進(jìn)一步深化。在當(dāng)前研究中采用了不少近似處理，卻未形成一套有效的測(cè)試方法和分析手段，主要制約因素有：鋼橋結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、聲輻射構(gòu)件眾多(如鋼桁梁)；鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲和輪軌噪聲的頻譜在很大范圍內(nèi)發(fā)生重疊；實(shí)際工程中的受聲點(diǎn)均為遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)，振動(dòng)噪聲源眾多且傳入路徑復(fù)雜。建議在鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲研究中發(fā)展噪聲源識(shí)別與分離技術(shù)。

(2) 高精度、高效率的預(yù)測(cè)方法是減振降噪研究的重要支撐。當(dāng)前不少學(xué)者提出了一些預(yù)測(cè)模型進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)噪聲分析，但研究的廣度和深度還不夠，比如：橋上復(fù)雜聲學(xué)邊界條件對(duì)噪聲傳播的影響；輪軌橫向力對(duì)橋梁振動(dòng)噪聲的影響；復(fù)雜橋梁的中高頻局部振動(dòng)特性；復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)噪聲在空間上的分布和傳播規(guī)律等。本文總結(jié)的“兩步走”混合預(yù)測(cè)方法是橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(cè)的一般思路，盡管每一步均有多種可選方案，但計(jì)算精度和效率是首先要考慮的重要問題。分頻預(yù)測(cè)鋼橋結(jié)構(gòu)噪聲是未來需要重點(diǎn)發(fā)展的方法。

(3) 必須從系統(tǒng)工程的角度解決振動(dòng)和噪聲問題。在采取減振降噪措施時(shí)，必須統(tǒng)籌兼顧軌道結(jié)構(gòu)和橋梁的聲振行為，即將軌道和橋梁視為一個(gè)相互聯(lián)系、相互影響和相互制約的聲輻射系統(tǒng)。當(dāng)前的研究大多將軌道結(jié)構(gòu)和橋梁割裂開來，各學(xué)科有各自的主要研究方法，雖然分開研究具有簡(jiǎn)單方便的優(yōu)勢(shì)，但也因此喪失了對(duì)這一系統(tǒng)工程的整體把握，容易導(dǎo)致治理了一種噪聲源反而突出了另一種噪聲源，甚至引發(fā)意想不到的惡果。本文提出了降能、抑振、阻噪“三位一體”綜合減振降噪策略，是系統(tǒng)解決鐵路鋼橋噪聲的必經(jīng)途徑。