控制城市軌道高架橋梁結構噪聲的試驗研究

劉興龍，尹學軍，2，孔祥斐，譚 文，劉鐵民

（1.隔而固（青島）振動控制有限公司，山東 青島266108；2.青島科而泰環境控制技術有限公司，山東 青島266101；3.廣州地鐵集團公司，廣州510335）

高架軌道交通具有建設周期短、成本低、運營與維護簡單等優點，在許多城市的軌道交通中得到應用。然而，高架軌道交通產生的噪聲問題十分突出，在高架軌道交通噪聲中，輪軌噪聲和高架橋梁結構噪聲占主導地位。治理輪軌噪聲可以采用鋼軌阻尼器技術[1]和聲屏障措施；而治理軌道高架橋梁結構噪聲主要是采用隔振裝置，這包括浮置板和彈性扣件。針對已建成運營的軌道高架橋梁結構噪聲問題，應用浮置板技術改造難度很大，而單純采用彈性扣件改造降噪效果比較有限。在國內，許多科研人員對鐵路高架橋梁的結構噪聲問題進行了試驗與數值模擬研究。在國外，德國的工程技術人員開展應用TMD控制鐵路鋼結構橋梁噪聲的工程試驗研究，降噪效果達到了3 dB(A)以上。

廣州市軌道交通4 號線的線路全長41.247 公里，其中高架線長30.187公里，地下線長11.06公里。該地鐵線路有多個敏感點噪聲超標量較大。針對這一問題，本文對該線路高架橋梁的噪聲進行測試分析，并應用TMD 技術對橋梁結構噪聲進行控制研究。

1 振動噪聲測試與模態分析

1.1 振動噪聲測試分析

在高架線的噪聲敏感點選取了一跨30 m 長混凝土簡支箱梁高架橋進行了過車振動與噪聲測試，橋梁斷面結構與振動噪聲測點布置如圖1所示。振動與噪聲測點位于同一斷面的橋梁跨中位置，振動測點包括鋼軌、軌道板、橋面和箱梁底部，噪聲測點包括橋下1.5 m 處、與橋面等高且距中心線一側的7.5 m和15 m處。測試時地鐵行車速度為45 km/h。

圖1 橋梁結構與測點布置示意圖

測試結果如圖2至圖9所示。

圖2 鋼軌垂向振動加速度時程

圖3 鋼軌振動加速度功率譜

從圖3可以看出，鋼軌振動峰值頻率集中在500 Hz與550 Hz，軌道板振動能量主要集中在80 Hz，在70 Hz 和84 Hz 峰值也比較明顯。橋面翼緣振動峰值比較分散，主要位于92 Hz、95 Hz和105 Hz，在56 Hz、60 Hz和70 Hz以及230 Hz～270 Hz頻率范圍的峰值略顯突出。橋面中間與橋梁底部振動頻譜非常一致，峰值主要位于82 Hz、95 Hz和102 Hz。橋下噪聲能量分布則非常集中，分別位于68 Hz、78 Hz和90 Hz，在90 Hz峰值最突出。

圖4 道床垂向振動加速度功率譜

圖5 橋面邊緣垂向振動加速度功率譜

圖6 橋面中間垂向振動加速度功率譜

圖7 橋面底部垂向振動加速度功率譜

測試結果表明，列車經過時引起橋梁共振，共振頻率主要位于80 Hz～90 Hz 及其附近，并隨橋梁位置略有變化，高架橋噪聲是由橋梁共振輻射產生。從圖9 中不同測點噪聲A 計權聲壓級頻譜可知，與橋梁距離越遠，80 Hz頻帶噪聲峰值越低。

圖8 橋下噪聲功率譜

圖9 不同測點噪聲A計權聲壓級頻譜對比

但是，在7.5 m 和15 m 測點的噪聲聲壓級值在625 Hz 頻帶略顯突出，這一峰值頻帶與鋼軌垂向振動峰值頻率一致，可以確定這兩處測點在該頻帶噪聲屬于輪軌噪聲。由于橋下噪聲測點共振噪聲最突出，而且受橋面輪軌噪聲影響較小，最能代表高架橋梁的結構噪聲特性，因此降噪效果的對比與評價針對橋下1.5 m處噪聲進行。

1.2 模態分析

利用ANSYS 有限元軟件對高架橋梁進行模態分析，建模時采用Solid185 單元將橋梁與軌道板離散，利用beam185 單元模擬鋼軌，利用combin17 單元模擬扣件。主梁的混凝土型號為C50，彈性模量為2.4×104 MPa，泊松比為0.2，扣件剛度為60 kN/mm。為了驗證模態計算結果，對橋梁的垂向振動模態進行試驗測試，表1 所示為橋梁低階垂向彎曲模態測試結果與有限元模態分析結果對比。

表1 垂向彎曲模態分析結果對比/Hz

圖10 為第2 階試驗模態與計算模態的振型對比，圖11為高階模態振型對比。

圖10 第2階模態振形對比

圖11 高階模態振型對比

低階模態計算結果與試驗測試結果比較一致，但隨頻率增高，模態越來越密集，各模態振型不再表現為結構整體變形，試驗模態測試難以準確獲得高階模態的頻率、振型，計算模態和試驗模態很難對應起來，因此接下來利用有限元分析橋梁的高階模態。有限元模態分析結果顯示，54.5 Hz以上橋梁模態表現為橋梁不同部位的各自振型，主要是橋梁翼板、箱梁蓋板和箱梁底板三部分。從圖11 可以看出橋梁翼板、箱梁蓋板和箱梁底板振型不再保持一致，而表現為橋梁局部模態振型。

2 TMD振動控制理論與應用

2.1 TMD 控制設計理論與方法

目前應用TMD 對單自由度振動系統進行振動控制設計的理論與方法已很成熟，因此本文對單自由度系統TMD 振動控制理論與設計方法進行簡要介紹。假設主系統的剛度為K，質量為M，TMD的剛度為k,，質量為m，則主系統的固有角頻率為Ωn=固有角頻率為質量比為μ=m/M，固有角頻率比為γ=ωn/Ωn，可以得到滿足最優同調條件TMD與主振動系統的固有頻率比

同樣可得到最優阻尼比為

利用式(1)至式(2)即可對單自由度系統的TMD進行設計，近年來一些研究學者提出了應用TMD控制多自由度系統的設計方法。這種設計方法通過模態分析將多自由度振動系統解耦轉換為模態空間中多個非耦合單自由度振動系統，然后利用等價質量識別法將過模態質量轉化為具有物理意義的等價質量。設N 自由度系統的第i 階模態振形向量為把i階模態的固有向量在第j點的值定義為1，對固有向量進行正規化，則第j 個自由度在第i階模態中的等價質量可以表示為

最后利用單自由度系統TMD 設計理論對多自由系統中需要控制的模態進行TMD設計，等價質量識別方法的詳細介紹可參考文獻[6]。

根據式（3）所示計算方法可得到高架橋每階垂向彎曲模態的等價質量，在60 Hz～100 Hz頻率范圍的模態頻率與等價質量結果如圖12所示。

圖12 高架橋模態頻率與質量

從圖中可以發現，在這一頻率范圍，模態分布非常密集，過車時橋梁振動頻率范圍集中在80 Hz～90 Hz，由此可知過車激勵引起的主要振動模態位于82.6 Hz、82.8 Hz和91.4 Hz，其等價質量分別為20.13噸、17.13 噸和12.64 噸。本文針對這三種模態的振動控制進行TMD設計。根據多自由度系統TMD設計方法，并考慮TMD 設計安裝尺寸及橋梁承重能力，首先確定TMD質量，然后根據TMD的理論最優頻率與阻尼比進行彈簧和阻尼設計，TMD安裝位置位于3階模態振型的波腹處。

傳統的螺旋鋼彈簧難以實現頻率位于80 Hz～90 Hz 的TMD 設計要求，因此，本文提出了將固定-固定梁作為彈簧元件，質量元件設置在梁中間的TMD結構，其示意圖如圖13所示。

通過改變梁的長度和截面尺寸調整TMD頻率，TMD 通過螺栓與橋梁固定。根據上述三種控制模態振型，在連續3 跨30 m 簡支式軌道高架橋梁安裝了TMD，圖14 為箱梁內TMD 安裝后現場照片。在橋梁兩側翼緣各布置了24 個50 kg 的TMD；沿橋面中心線布置了20個100 kg的TMD；在箱梁內沿底板中心線布置了24個100 kg的TMD。

圖13 TMD結構示意圖

圖14 箱梁內底板TMD安裝現場照片

2.2 結構噪聲控制效果

在連續3 跨橋梁安裝TMD 后，按照圖1 所示的噪聲測點布置方式，在安裝TMD橋梁的中間一跨與連續3 跨未安裝TMD 的中間一跨高架橋進行了過車噪聲對比測試。取10組測試數據進行對比，TMD安裝段和未安裝段噪聲對比如表2所示。

表2 降噪效果對比/dB(A)

除第5 次過車噪聲聲壓級較高以外，10 次過車TMD未安裝段橋下噪聲水平大部分在81.0 dB(A)～82.8 dB(A)。相較于未安裝TMD 的高架橋梁噪聲，安裝TMD的高架橋下噪聲水平差別較大，10次過車的降噪效果可以分3種情況：

（1）第1次、第5次和第7次降噪效果不明顯；

（2）第3次、第9次和第10次降噪效果一般；

（3）第2次、第4次、第6次和第8次降噪效果非常好。

雖然降噪效果存在差別，但是TMD控制頻帶在80 Hz 降噪效果明顯且一致，達到了9.3 dB(A)～12.4 dB(A)。

通過分析10次過車聲壓級頻譜發現存在2種典型的噪聲對比結果，這里給出了第4次和第5次過車時2組噪聲對比結果，分別如圖15至圖16所示。

圖15 第4次過車時噪聲A計權聲壓級對比

圖16 第5次過車時噪聲A計權聲壓級對比

第4次過車時未安裝TMD段的橋下噪聲存在2處峰值，為80 Hz 和500 Hz，安裝TMD 的高架橋下噪聲頻率在63 Hz～250 Hz和500 Hz以上的頻帶聲壓值均明顯降低。在80Hz 和500 Hz 頻帶聲壓值分別降低12.4 dB(A)和13.8 dB(A)。第5次過車時未安裝TMD 段的橋下噪聲只在80 Hz 頻帶存在峰值，安裝TMD 段的高架橋下噪聲頻率在63 Hz～80 Hz 和1 000 Hz 以上頻帶范圍聲壓值降低，但在125 Hz～400 Hz 頻帶聲壓級反而升高，這是降噪效果差別的根源所在。廣州地鐵4 號線振動噪聲測試對比表明，橋下噪聲測點上、下行降噪效果存在一定差別，上行線降噪效果為3.12 dB(A)，下行線降噪效果為2.83 dB(A)[7]。這種差別主要是由上、下行列車經過測點位置速度不同產生的。

3 結語

(1)廣州地鐵4 號線簡支式30 m 跨箱梁高架橋梁過車噪聲超標是由高架橋梁共振輻射噪聲引起，振動噪聲主要頻率范圍位于60 Hz～100 Hz，峰值頻率主要位于80 Hz 和90 Hz。在這一頻率范圍內橋梁共振模態表現為橋梁各部件局部振動。

(2)研發設計了高頻梁式TMD 結構，應用多自由度TMD 控制理論在3 跨30 m 軌道高架橋安裝了控制多階模態的TMD。

(3) 噪聲測試結果表明，TMD 控制頻帶降噪效果明確且穩定，達到9.3 dB(A)～12.4 dB(A)。高架橋下1.5 m 處測點總體降效果最大能達到4.8 dB(A)，10 次過車平均降噪效果為2.1 dB(A)，但多次過車時降噪效果差別較大，這主要是由于上、下行列車經過測點速度不同導致降噪效果產生差異。