高架軌道橋梁結構振動與噪聲預測方法及控制研究進展

雷曉燕，張新亞，羅 錕

(華東交通大學 鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

高架軌道是高速鐵路和城市軌道交通的重要基礎設施，具有工后沉降小、節約土地、建設周期短、工程造價低等諸多優點。高架軌道相對于其他交通結構形式，更加經濟、安全、實用，并且運輸效率更高。高架軌道在我國高速鐵路中占比達到80%，在城市軌道交通中，也得到了越來越廣泛的應用。截至2019年底，在中國已經開通的6736.2 km城市軌道交通線路中，高架線占比21.5%，約1449.4 km。

隨著高架軌道交通的快速發展，列車荷載激勵引起的橋梁結構振動與噪聲問題日益突出。首先，列車高速通過橋梁，會對橋梁結構產生沖擊作用，長此以往會嚴重影響橋梁的服役狀態和工作壽命；橋梁結構的振動又會反作用于運行車輛，對列車的運行平穩性和安全性產生影響。此外，橋梁結構振動還會向外界輻射低頻噪聲，影響沿線環境。近年來，城市軌道交通所引起的環境振動與噪聲問題也越來越受到關注[1-2]。研究表明[3]：相對于高頻噪聲，低頻結構振動噪聲更容易給人的身心健康帶來長期性的危害。因此，對城市高架軌道交通橋梁結構振動噪聲的產生機制、預測和評估方法開展研究，尋求振動噪聲的控制對策和有效技術措施，對降低高架軌道橋梁結構噪聲、保護城市環境以及促進高架軌道交通發展都具有重要意義。

本文對列車-橋梁-大地-建筑物耦合系統環境振動噪聲研究工作進行梳理，重點介紹了高架軌道橋梁結構振動與噪聲理論、模型和預測方法，論述了典型高架軌道橋梁結構減振降噪技術特點及研究進展，總結了高架軌道橋梁結構振動與噪聲的產生和傳播規律，并指出了橋梁結構減振降噪技術進一步研究的方向。

1 高架軌道橋梁結構振動噪聲分析模型與預測方法

建立合理的高架軌道橋梁結構振動噪聲分析模型，是對高架軌道交通振動與噪聲進行準確預測，并依據預測結果判別是否需要減振降噪，以及采用何種減振降噪措施的關鍵。

1.1 高架軌道橋梁結構振動研究

早在1849年，學者們就已經開展了對列車荷載激勵下鐵路橋梁振動問題的研究。針對英國Chester鐵路橋倒塌的問題，文獻[4]利用解析方法建立了車橋耦合振動分析模型，模型中不計橋梁質量，計算得到了橋梁的振動響應。之后，文獻[5]采用試驗方法研究了橋梁倒塌發生的原因。1905年，文獻[6]分析了移動荷載通過簡支梁時車橋耦合振動問題。1922年，文獻[7]為了研究橋梁的受迫振動問題，建立了移動荷載通過鐵路橋梁模型，從理論上分析了共振發生的機制。

20世紀60年代之后，隨著計算力學的發展和計算機性能的提升，振動與噪聲預測分析進入了系統動力學階段。松浦章夫、 Diana等學者在早期研究中盡可能地將軌道不平順等因素考慮在內，使車橋耦合模型向著全面化、精細化方向發展。

在分析車橋動力耦合作用時，文獻[8]將系統分成車輛與橋梁兩個子系統，通過輪軌接觸實現兩者耦合，并將輪軌間的幾何非線性、蠕滑力非線性關系以及蠕滑力的飽和考慮在內。松浦章夫[9]建立了二系懸掛四軸車輛動力學模型，包含車體點頭和沉浮、兩個轉向架點頭和沉浮以及四個輪對豎向運動共10個自由度，考慮軌道不平順，用能量法推導出車橋相互作用的運動方程。文獻[10-11]采用數值模型，考慮軌道不平順，計算了貨物列車通過桁架橋時的沖擊系數。

國內，文獻[12]把列車和橋梁看作一個整體系統，利用勢能不變值原理及形成結構矩陣的“對號入座”法則，對車橋耦合系統振動方程的質量、阻尼、剛度矩陣和荷載向量進行了推導，采用數值積分法求解，并將計算結果與現場試驗結果進行對比驗證。為了提高計算效率，文獻[13]采用動態凝聚法對車橋耦合系統的求解方法進行了改進。文獻[14]利用二維車橋耦合模型，得到了列車運行時作用于橋梁上的移動動荷載，然后將該荷載施加于橋墩-基礎-大地耦合系統模型上，通過動力響應分析得到了列車通過時大地的振動響應和振動傳播規律及衰減特性。文獻[15]建立了高速列車-軌道-橋梁動態相互作用模型，分析了高速列車通過橋梁時機車車輛與軌道結構及橋梁之間的動態相互作用機制，并以秦沈客運專線高速行車試驗為基礎對模型進行了驗證。試驗表明：計算結果與實測數據具有較好的一致性，在橋梁振動分析中充分考慮軌道結構參振并引入精確的動態輪軌作用關系，可以更好地模擬高速列車過橋動態行為。雷曉燕[16]基于車橋耦合振動問題的特點，提出了新型車輛單元、軌道-橋梁單元模型，并利用有限元法和Lagrange方程，推導了兩種單元的剛度、質量和阻尼矩陣，建立了列車-無砟軌道-橋梁豎向耦合系統動力分析模型和橋墩-基礎-大地空間耦合系統動力分析模型。利用所建立的模型，分析了高架軌道交通引起的環境振動。

隨著Ansys、Abaqus等商業有限元軟件以及Simpack等多體動力學軟件的出現，利用軟件進行數值仿真在研究車橋耦合振動問題中得到了推廣和廣泛應用。文獻[17]利用多體系統動力學與有限元法相結合的聯合仿真技術進行了車橋耦合振動分析，并以鄭西客運專線一大跨連續梁橋為研究對象，證實了該方法解決車橋耦合問題的可行性和有效性。文獻[18]總結分析以往利用Simpack軟件建立的仿真模型，并基于多體動力學與有限元法，提出了一種輪軌耦合聯合仿真方法，并據此建立了城市軌道交通車橋耦合振動模型，分析了列車過橋時簡支梁橋結構振動問題，圖1為軌道-橋梁耦合系統各結構部件的連接示意。

圖1 結構部件連接示意

在車橋耦合振動仿真分析中，由于難于準確獲得模型計算參數和列車作用于軌道結構的荷載譜以及模擬車輛-軌道-大地耦合系統相互作用的復雜性，數值方法分析和預測結果往往不理想。文獻[19]提出了通過實測大地振動響應、識別土層性質和列車荷載，運用數值分析預測高架軌道交通引起大地振動的半解析方法。圖2為高架軌道交通引起大地振動半解析預測方法框圖，該方法不需要預先知道列車荷載譜，而是通過實測列車通過橋梁時大地表面若干點處的振動響應，建立橋墩-大地-建筑物耦合系統數值模型，采用反分析方法對大地土層性質和列車作用在軌道結構上的有效荷載進行識別。然后，將識別得到的列車荷載譜輸入橋墩-大地-建筑物耦合系統有限元模型中，即可預測地面和建筑物的振動響應及軌道線路周邊的環境振動級。該方法在韓國高速列車通過高架軌道時進行了現場驗證，預測的地面加速度與實測數據吻合良好。

圖2 高架軌道交通引起大地振動半解析預測方法框圖

1.2 高架軌道橋梁結構噪聲研究

針對橋梁結構輻射噪聲，通常采用數值模擬和試驗方法進行研究，現有數值方法包括：有限元法、邊界元法、統計能量法以及混合方法，其中邊界元法、統計能量法應用最為廣泛。

1.2.1 邊界元法

邊界元法由Brebbia在1978年提出[20]，由于該方法自動滿足結構噪聲輻射條件，故在高架軌道橋梁結構聲輻射特性研究中得到廣泛應用。

文獻[21]以高速鐵路32 m簡支槽形梁橋為研究對象，運用車橋耦合動力學理論，建立了車橋動力仿真模型，并結合基于間接邊界元法的噪聲分析方法，對橋梁結構噪聲的聲輻射特性以及各構件的聲壓貢獻率進行了研究。文獻[22]結合車-軌-橋耦合振動理論與邊界元方法，分析了32 m箱梁的聲輻射特性及其參數影響。通過分別建立橋梁、軌道和車輛的運動方程，以輪軌關系、線橋關系為紐帶，采用數值方法求解車-軌-橋系統的動力響應，并將結構振動響應作為聲學邊界元的初始條件，采用基于邊界元法的SYSNOISE軟件計算得到橋梁結構的聲輻射特性。

文獻[23]采用模態疊加法計算列車經過時的橋梁振動響應，再借助SYSNOISE軟件用邊界元法求出橋梁結構的模態聲傳遞向量，最后基于模態聲傳遞向量和橋梁的模態坐標響應計算得到橋梁的結構噪聲，并應用該方法分析比較了軌道交通槽形梁和箱形梁的結構輻射噪聲。文獻[24]也通過計算列車荷載作用下箱形梁振動響應，采用直接邊界元法分析計算了腹板開孔的箱梁結構噪聲輻射特性。

1.2.2 統計能量法

統計能量分析是應用能量流關系式對包含若干子系統的復雜結構進行動力特性、振動響應及聲輻射評估和預測的一種方法。文獻[25]應用統計能量法分析了城市高架輕軌引起的振動與噪聲，通過列出鋼軌-軌道板、軌道板-橋梁結構的功率流平衡方程，預測高架軌道(鋼軌-軌道板-橋梁結構耦合系統)的振動響應，預測結果與實測數據相差2 dB(A)。雷曉燕等在《現代軌道理論研究》[26]中以鋼結構高架軌道為例，論述了統計能量法在高架軌道結構噪聲分析中的應用。文獻[27]同樣以鐵路鋼橋為研究對象，采用統計能量法對聲輻射問題進行了詳細研究。

文獻[28]結合統計能量法和列車-軌道-橋梁耦合動力學理論，建立了鐵路鋼混結合梁橋噪聲預測模型，對橋梁的輻射噪聲進行了分析。首先利用有限元法對空間板梁混合模型進行車-線-橋耦合振動分析，將得到的橋面板振動加速度時程進行FFT變換獲取頻域內的解，作為后續統計能量模型的輸入，進而通過求解統計能量平衡方程，并根據振動聲輻射理論求得橋梁結構噪聲。

1.2.3 混合方法

除了上述方法，另外一個鼓舞人心的研究方向是有限元-統計能量(FE-SEA)混合法在高架軌道橋梁結構振動噪聲分析中的應用。2005年，文獻[29]基于波動理論，提出了FE-SEA混合方法，該方法首先以系統的特征尺寸與振動波長的關系為依據，對整體系統進行劃分，生成若干個子系統。如果子系統的特征尺寸與系統中的振動波長相當，該子系統可用有限元建模；若子系統的特征尺寸遠大于子系統中的振動波長，可用統計能量法建模。之后，通過隨機子系統直接場和混響場間的互易原理建立有限元子系統與統計能量子系統間的聯系，生成整個系統的動力學方程。文獻[30]提出了基于模態分解的有限元-統計能量混合法，其思路是把系統模態分解為整體模態和局部模態兩類，然后分別用這兩類模態去表達相應的動剛度矩陣和外荷載。采用有限元法分析結構的全局振動，而局部振動則運用統計能量法。通過考慮局部子系統對整體系統產生的附加動力剛度和附加外荷載的貢獻，建立全局振動分析的有限元方程和局部振動的功率流平衡方程，依次求解得到整體系統和局部子系統的響應。

此外，文獻[31-32]利用BEM-SEA混合法分析了32 m鐵路簡支梁橋在0～1 000 Hz頻段范圍內的橋梁結構噪聲。文獻[33]建立了鋼軌-無砟軌道-箱梁結構的FE-SEA預測模型，分析了混凝土簡支箱梁橋的低頻噪聲特性并與現場實測結果進行了對比，證明了方法的有效性。上述混合法的應用大大拓展了結構振動與噪聲分析的頻率范圍，適用于復雜結構振動噪聲的全頻域分析。

1.3 現場測試

現場試驗是研究高架軌道橋梁結構振動與噪聲問題更高效、直接的手段。近年來，國內外學者進行了大量的試驗研究，并取得了一系列研究成果。

文獻[34]對香港某箱梁高架橋進行了振動噪聲現場測試，得到了箱梁結構振動和噪聲在時域內的數據，然后通過快速傅里葉變換(FFT)得到頻域內的響應。研究發現：當列車以140 km/h的速度運行時，箱梁的振動與噪聲主要集中在20～157 Hz，共振頻率約為43.54 Hz；箱梁的結構噪聲輻射主要由中高頻局部彎曲振動模態引起。

2012年，文獻[35]采用現場測試的方法對上海軌道交通8號線混凝土簡支U形梁進行了振動與噪聲研究。試驗車型采用6節編組的地鐵C型車，運行速度50～70 km/h。測試結果表明：U形梁底板和腹板的振動速度級優勢頻率為32～64 Hz；腹板頂部橫向加速度隨著車速的增加而增大；與箱梁相比，底板的豎向振動加速度相對較大，且腹板頂部的橫向振動加速度也很大，這主要是因為U形梁為開口截面，剛度較小；U形梁輻射的結構噪聲也比箱梁更大。常亮[36]對武漢市軌道交通1號線混凝土簡支箱梁進行了振動與噪聲測試。研究發現：列車通過時，箱梁底板和翼緣板端部的振動較大，振動加速度級約為112 dB；箱梁腹板振動最小，振動加速度級約101 dB；振動與噪聲峰值頻段基本一致，主頻分布于40～80 Hz；梁底結構噪聲最大，峰值約達93 dB。

文獻[37]基于現場錘擊試驗研究了高速鐵路簡支箱梁的振動傳遞特性。箱梁跨中截面測點布置見圖3，力錘激勵點位于內側鋼軌頂面。速度導納測試結果顯示：各測點速度導納幅值隨著頻率增加逐漸降低，并且在5 Hz和175 Hz附近出現較高峰值，可能分別由箱梁的1階模態頻率和鋼軌扣件系統的固有頻率引起；由于軌道箱梁結構振動傳遞路徑為鋼軌→軌道板→底座板→箱梁，所以實測速度導納幅值的相對大小表現為：A1>A2>A3。

圖3 測點布置詳圖

1.4 模型試驗

20世紀后，結構模型試驗技術得到了快速發展，模型相似理論不斷成熟，在橋梁結構的動力特性研究中也得到了廣泛的應用。

結構模型試驗相似理論包含三種基本換算關系：彈性相似律、重力相似律及彈性力-重力相似律，根據研究目的選用不同的換算關系。在分析橋梁結構的動力學特性時，宜選用彈性力相似律進行模型的設計制作[38]。

松浦章夫[9]采用橋梁1∶5縮尺模型試驗驗證了車橋耦合模型計算結果的合理性，結果顯示試驗與模型計算結果趨勢一致。文獻[39]建立了多跨連續梁車橋模型試驗系統，通過試驗研究，識別了列車荷載響應。任永明[40]制作了30 m簡支T梁橋和東風EQ3166型滿載車輛耦合系統的縮尺模型，并將路面的不平順以及車輛運行速度等因素考慮在內，分析了不同工況下系統的振動響應。

文獻[41]以京滬高速鐵路32 m簡支箱梁為原型，采用彈性相似律指導設計并制作了1∶10的縮尺模型，推導了原型橋與模型橋間的動力相似關系，然后通過有限元模擬及試驗分析，驗證了相似模型的可靠性，證實了依據彈性力相似律推導的相似關系在原型橋與模型橋間的適用性。

汪振國[42]在此基礎上，通過錘擊試驗研究了箱梁振動在各板件之間和沿橋梁縱向的傳遞特性，測點布置見圖4，實測跨中截面及各截面觀測點加速度導納分別見圖5、圖6。結果表明：頂板加速度導納幅值最大，翼板次之，底板較小，腹板最小。由圖7可知，在140～200 Hz的中高頻段范圍內，振動在橫向上的傳遞衰減較快，而在0～100 Hz的低頻范圍，振動衰減較慢；縱向上頂板振動的衰減在低頻段極緩，而在60～200 Hz的較高頻段，振動在距激勵點1/4截面范圍內衰減快，在1/4截面以外衰減較慢。

圖4 觀測點布置

圖5 跨中截面各板件加速度導納曲線

圖6 各截面頂板觀測點加速度導納曲線

2 高架軌道橋梁結構減振降噪技術

2.1 減(隔)振支座

文獻[43]用彈簧-阻尼單元模擬彈性支座，建立了車-線-橋耦合振動分析模型，探討了彈性支座對橋梁車致振動傳遞特性的影響，結果顯示彈性支座在中高頻段有很好的隔振性能。文獻[44]為了研究支座剛度對橋梁結構振動的影響，建立了列車-軌道-U形梁耦合振動精細化仿真模型，計算發現支座剛度取值在(3～4)×103MN/m范圍時，可有效減小U形梁與軌道結構的振動響應。

文獻[45]選取上海某高架線為研究對象，考慮彈性支座與剛性支座兩種情況，對該線路典型區段彈性支座簡支梁進行車橋耦合振動分析，得到兩種情況下車輛與梁體的振動響應相差不大，說明彈性支座對橋梁上部結構隔振效果不明顯。文獻[46]以某混凝土橋梁為例，實測了支座上部和下部節點的振動響應，發現振動加速度由上部節點傳遞至下部節點的過程中發生明顯的衰減，表明彈性支座對橋梁下部結構具有隔振的作用。

汪振國[42]基于簡支箱梁相似模型，設計了不同剛度的模型橋彈性支座，通過錘擊試驗，探討了不同豎向剛度彈性支座對箱梁振動特性的影響，并分析了彈性支座對橋梁上部結構與橋墩間的隔振效果。結果表明：彈性支座對簡支箱梁橋上部結構振動向下部橋墩的傳遞，有很好的抑制作用；支座剛度的大小對隔振效果影響很大，但是對梁體的振動響應影響較小。

2.2 阻尼技術

阻尼減振技術在近幾十年發展較快，阻尼減振技術的作用頻率較寬。典型的阻尼材料結構有自由阻尼層結構與約束阻尼層結構兩種。約束阻尼層結構具有比自由阻尼層結構更好的減振效果，但約束阻尼層結構復雜、造價較高、安裝不便。

早在1978年，文獻[47]以兩座小型鋼箱梁明橋面鐵路橋為工程背景，實測了敷設約束阻尼層前后橋梁的振動噪聲響應，探討了阻尼層的減振降噪效果。其將兩種不同的約束阻尼材料分別敷設在兩座橋梁上，橋一采用1 mm厚的聚亞安酯和約束鋼片，橋二采用厚度相同的聚乙酸乙烯酯。實測結果表明當列車速度為40 km/h時，橋一和橋二結構噪聲聲壓級的平均值分別降低18 dB、13 dB。文獻[48]對鋼箱結合梁雙線橋進行阻尼處理，實測了處理前后的振動響應，發現鋼梁上的振動加速度降低了10～15 dB，但聲壓級僅降低1～2 dB(A)，原因是鋼梁結構噪聲對整體噪聲貢獻較小。文獻[49]報道了黏彈性阻尼材料在鋼混組合結構減振降噪技術領域的應用，并在亞特蘭大快速交通管理署負責的高架橋上粘貼約束阻尼層進行降噪試驗，結果表明約束阻尼層可降低低頻噪聲6～9 dB，可降低50 Hz以上頻段腹板和底板振級9～12 dB。

劉全民[50]對某鐵路鋼混結合梁橋敷設約束阻尼層前后的振動與噪聲進行了現場測試，發現將約束阻尼層敷設在結合梁橋的腹板后，腹板和下翼緣振動加速度在主要頻率范圍內顯著降低：聲壓級降低2～4 dB(A)，在125 Hz以上的中高頻段橋梁輻射結構噪聲有明顯的降低。同時對于64 m簡支桁梁鋼混結合梁橋的全部縱梁腹板、下弦腹板和中間7根橫梁腹板進行單面敷設約束阻尼層。鋼梁經約束阻尼處理后，縱梁振動速度級降低15.6 dB，橫梁振動速度級降低15.5 dB，下弦振動速度級降低6.2 dB；結構輻射噪聲在整個頻段內都得到了明顯的降低。

汪振國[42]采用相似模型試驗方法，對縮尺箱梁模型一側腹板進行阻尼板材敷設，以研究阻尼材料對橋梁的減振效果。通過錘擊試驗發現：敷設阻尼板材后的腹板振動衰減顯著，加速度級降低10 dB左右，而且阻尼板材會加劇振動由腹板向底板傳遞過程中的衰減。箱梁腹板的振動響應主要集中在20～100 Hz的頻段內，阻尼板材在20～200 Hz頻率范圍內能有效抑制箱梁腹板局部振動。

2.3 調諧質量阻尼器(TMD)

調諧質量阻尼器是典型的結構被動減振技術之一，其因結構簡單、設計方便、減振效果明顯而被廣泛應用在土木工程和橋梁工程結構振動控制中。早期對調諧質量阻尼器的研究集中在STMD，主要是針對主結構某階固有頻率進行設計的，因而只能在較小頻率范圍內實現減振。

文獻[51]研究了TMD對移動荷載作用下橋梁振動的控制，發現在共振頻率激勵下，基于Den Hartog參數優化準則設計的TMD可有效控制橋梁的振動響應，并且控制效果在一定范圍內與TMD質量成正比，但是當質量比增大到一定值后其減振效果開始衰減。通過多工況分析得到質量比在0.2～0.3范圍內減振效果最佳。文獻[52]以南京長江大橋為對象，研究了TMD在該橋減振控制中的參數敏感性和控制效果，并對比分析了列車速度對減振效果的影響。結果表明，TMD在其剛度和阻尼系數取值合理時可達到最優控制效果；采用最優參數設計的TMD對橋梁的豎向振動加速度控制效果明顯，并且列車運行速度越高，減振效果越顯著。

由于STMD只能針對結構的某一較窄固有頻率進行設計，并且必須在外界激振頻率等于TMD調諧頻率或者非常接近時才能發揮很好的減振作用，這便要求對結構的動力特性有很精確的計算，而且一旦系統受到寬頻激勵時，STMD往往較難滿足減振要求。針對STMD的上述狀況，有學者提出了多重調諧質量阻尼器系統MTMD和分布式調諧質量阻尼器系統DTMD。

文獻[53]首次提出多重調諧質量阻尼器(MTMD)，不僅改善了STMD控制頻率范圍較窄的局限性，也提高了控制系統的魯棒性[54]，使得調諧質量阻尼器的控制效果更加穩定。文獻[55]通過研究簡諧激勵下MTMD在結構振動控制中的特點，提出了MTMD振動控制原理。為了實現MTMD的最優化設計，文獻[56]提出了一種MTMD建模的新方法，采用該方法可以更加高效地找到最優的MTMD結構設計參數。

文獻[57]為研究MTMD對鐵路鋼桁梁橋橫向振動的控制效果，建立了列車-橋梁-TMD系統耦合振動方程，利用仿真程序進行了大量的模擬計算，結果發現：MTMD可使列車過橋時橋梁的橫向振動明顯降低，并且相對于STMD，使用多個TMD可擴大減振的頻率范圍，改善減振系統的魯棒性；橋梁橫向振幅越大特別是發生共振時，減振效果越明顯，最大振幅減振率可達到46%。

文獻[58]選取32 m雙線混凝土簡支箱梁為研究對象，建立了移動集中力-橋梁-MTMDs耦合振動模型，見圖7，對安裝多重調諧質量阻尼器的橋梁振動、噪聲減振效果進行了研究。結果表明：MTMDs對于控制橋梁的振動響應幅值有很好的效果，但是頻譜分析發現，僅對一階固有豎向彎曲頻率處的結構振動減振效果明顯；MTMDs對結構噪聲的控制效果較差，僅能使平均聲壓級降低0.5 dB。

圖7 移動集中力-橋梁-MTMDs耦合振動模型

2.4 軌道結構減振降噪技術

常用的軌道結構減振降噪技術有：浮置板軌道、梯形軌枕軌道和彈性扣件軌道。

2.4.1 浮置板軌道

浮置板軌道作為一種質量彈簧系統，屬于高等級軌道結構減振降噪技術，用于對減振降噪要求較高的特殊區域。為了研究浮置板軌道結構的減振性能，文獻[59]采用理論解析的方法建立了浮置板軌道模型，分析了軌道隨機不平順激勵下輪軌間的動載荷及傳遞到基礎的振動響應。

文獻[60]采用有限元方法建立了高架鋼彈簧浮置板軌道結構模型，并結合現場試驗方法，從時域和頻域的角度分析了減振特性。研究結果表明浮置板結構可使高架箱梁結構的頂板、翼板、腹板和底板的振動級在25～100 Hz范圍內分別減少11～22、12～20、20～30和12～21 dB，減振效果與減振器的剛度、質量和間距有關。

2.4.2 梯形軌枕軌道

梯形軌枕軌道由彈性減振墊、混凝土縱梁構成，其中混凝土縱梁支撐上部鋼軌，縱梁之間通過鋼管或鋼筋混凝土進行橫向剛性連接。為了驗證梯形軌枕軌道的減振降噪性能，夏禾團隊[61-62]分別測試了列車運行在普通無砟板式軌道和梯形軌枕軌道上時橋面板的振動響應及輻射噪聲水平，時域和頻域分析結果表明：列車運行速度為50 km/h時，相對于普通板式軌道，梯形軌枕軌道可使箱梁頂板的振動加速度級降低6 dB；在1～4 Hz和30～1 000 Hz頻域范圍內，梯形軌枕軌道結構輻射的噪聲較普通板式軌道平均低6 dB。

李小珍團隊[63-64]以某城市軌道交通30 m簡支箱梁為研究對象，在頻域內建立了考慮多輪對相互影響的車輛-軌道耦合系統模型和橋梁有限元模型，在現場試驗驗證模型可靠性的基礎上，對梯形軌枕軌道結構減振性能開展研究，并與埋入式軌枕、鋼彈簧浮置板進行對比，結果表明梯形軌枕可使箱梁中高頻振動的總振級降低8～14 dB，減振性能優于埋入式軌枕，低于鋼彈簧浮置板。在此基礎上，通過建立箱梁橋統計能量噪聲預測模型，研究了梯形軌枕軌道的降噪性能：與埋入式軌枕相比，可使箱梁各場點的噪聲水平降低約6 dB。

2.4.3 彈性扣件

高架軌道應用較為普遍的減振扣件有：WJ-2型扣件、軌道減振器扣件、科隆蛋(Cologne egg)、Vanguard扣件等，剪切型減振扣件、諧振式浮軌扣件等新型扣件也相繼得到應用。文獻[65]通過研究發現，當選用剛度為19.5 MN/m的彈性扣件應用在Arsta橋上時，可以使橋梁結構的噪聲降低15 dB(A)，但會使輪軌噪聲增大3 dB(A)。文獻[66]為了研究扣件參數對橋梁振動的影響，基于高架軌道橋梁振動理論建立了橋梁-軌道系統空間振動模型，分析發現，科隆蛋等低剛度減振扣件對中高頻的橋梁結構振動具有很好的減振作用，但同時會加劇鋼軌高頻振動，引起鋼軌磨耗。文獻[67]的研究也表明，扣件減振效果與剛度有關，相對于剛度為20～25 MN/m的普通扣件，選用10 MN/m的彈性扣件可使30 Hz以上的結構振動噪聲減小5 dB左右。

3 橋梁結構主動控制和組合減振降噪技術

上述被動控制技術較為成熟，并且結構形式簡單，設計方便，但是減振效果不太理想。相對于振動被動控制，主動控制需要外部能量的輸入，其工作原理見圖8，作動器控制力直接作用在結構上，效率高，可有效避免被動控制的滯后現象。

圖8 振動主動控制原理圖

振動主動控制主要分為三類，即：根據列車激勵實現作動器控制力調控的開環控制，根據結構動力響應實現作動器控制力調控的閉環控制以及同時包含二者的開閉環控制。

目前，橋梁結構的主動控制研究主要集中在大跨度斜拉橋與懸索橋的索塔和拉索的風振控制中，高架軌道中幾乎沒有應用。主動控制裝置復雜，應用并不普遍。為此，學者展開了半主動控制技術的研究。相對于被動控制，半主動控制技術的減振效率也有了很大提高，并且不需要外部能量輸入。

文獻[68]在TMD的基礎上，研究了一種與磁流變阻尼器(MR)聯合使用的新型結構半主動振動控制裝置，應用于(80+128+80)m連續箱梁橋上，并與傳統TMD減振效果進行比較。結果表明：MR-TMD阻尼器對箱梁橋振動加速度的控制效果明顯，并對連續箱梁橋位移峰值響應影響較小，總體來說，MR-TMD減振效果優于TMD阻尼器。

對于減(隔)振支座，近年來，國內外學者逐漸將研究重點放在半主動隔振裝置與被動隔振支座相結合的減隔振方式上，如將材料特性(如阻尼等參數)可控的隔振器(如磁流變液阻尼器等)與被動支座同時應用于橋梁結構中[69]，可在一定程度上提升減隔振性能。

張路陽[70]以三跨橋梁為研究對象，采用數值仿真與模型試驗相結合的方式，研究了基于智能支座的橋梁系統的隔振性能，結果表明基于智能支座的隔振系統相對于傳統的被動支座，橋面最大振動加速度幅值可降低20%～30%。

文獻[71]利用實時混合模擬方法研究了設有滑移隔振支座的橋梁結構動力響應，見圖9和圖10。將模擬試驗結果與理論進行對比，驗證了理論方法的正確性，并在此基礎上，進一步探討了滑移隔振支座對橋梁結構整體抗振性能的影響。

圖9 滑移隔振支座

圖10 橋梁系統(單位：mm)

傳統的被動阻尼技術設計簡單，是結構減振領域使用較廣的減振措施。然而，阻尼技術對主結構的質量改變較大，因而對結構的固有動力特性影響較大，并且阻尼材料的剪切模量和阻尼損耗因子隨環境溫度和振動頻率變化較大，限制了阻尼技術的推廣。

主動約束阻尼層振動控制技術早在20世紀90年代就有研究，為實現結構振動抑制，文獻[72]采用了通過外力主動調整并耗散復合結構中主動阻尼約束中剪切應變能的思想。文獻[73]從理論和試驗兩個方面研究了主動約束阻尼層對結構振動的控制效果。文獻[74]采用哈密頓原理建立了敷設主動約束阻尼層的橋梁動力學模型，并對敷設主動約束阻尼層的橋梁縱向振動阻尼特性進行了優化。

4 結論與展望

通過對國內外學者在高架軌道交通橋梁結構振動與噪聲理論、模型、預測方法及控制技術研究成果的總結與分析，得到主要結論和建議如下：

(1)高架軌道交通混凝土橋梁結構振動頻率范圍為0～200 Hz，鋼結構橋梁振動頻率范圍為0～800 Hz；混凝土箱梁結構振動優勢頻率主要集中在100 Hz以內，在40～80 Hz范圍出現局部振動并達到最大值。

(2)列車誘發的橋梁結構低頻振動與噪聲，按從大到小的順序其發生位置依次為：頂板、翼板、底板和腹板。近場橋梁結構低頻振動噪聲主要來自底板、翼板和腹板，遠場低頻振動噪聲主要來自頂板、底板和近端翼板。在橋梁翼板、底板和腹板敷設阻尼材料能有效抑制橋梁結構的低頻振動和噪聲。

(3)橋梁截面形式對高架軌道橋梁結構振動的影響主要在低頻段。在低頻范圍，U形梁的振動明顯大于箱形梁，當頻率超過30 Hz時，橋梁截面形式對高架軌道橋梁結構振動的影響不大。

(4)橋梁彈性支座可有效降低橋梁下部結構的振動，因而可減小環境振動。彈性支座的減振效果與支座剛度和振動頻率有關，設計時應綜合考慮支座剛度與減振頻率。橋梁支座對高架軌道橋梁結構振動和輪軌噪聲影響均較小。

(5)調諧質量阻尼器TMD對于橋梁結構特定頻率處的減振效果明顯，而對于橋梁結構整體減振降噪效果有待提升。

(6)選擇合理的減振軌道結構形式,可實現高架軌道橋梁減振降噪的目的。相對于梯形軌枕軌道結構，浮置板軌道的減振效果更佳。較低剛度的彈性扣件對橋梁結構減振效果明顯，但同時會加劇鋼軌高頻振動，應綜合多因素選擇扣件剛度。

(7)傳統的橋梁減振隔振支座性能固定，自適應性差，在現代橋梁寬頻隔振中，被動隔振方式無法滿足要求。開發能同時調控剛度、質量和阻尼的智能橋梁支座，對于減小高架軌道交通引起的環境振動具有重要作用。

(8)黏彈性阻尼材料以被動方式抑制橋梁結構振動的應用范圍較窄，研究開發主動阻尼隔振技術對于提高橋梁阻尼隔振效果、拓寬頻率適用范圍具有重要意義。運用主動控制策略，通過外力主動調整并耗散復合結構中主動約束阻尼層的剪切應變能，可以提升橋梁結構振動控制效果。

(9)由于列車速度快，通過橋梁的時間短，阻尼吸振裝置反應時間往往不足以使TMD達到最佳吸振效果。另外，當橋梁結構存在多個共振頻率時，列車誘發的結構振動頻率較寬，減振效果不理想。通過引入主動控制，采用新型智能材料，設計具有自動跟蹤激振頻率功能的TMD，使得在外荷載的激勵下，橋梁系統處于反共振狀態，實現減振隔振的目的。

(10)高架軌道橋梁結構減振隔振主動控制和被動控制有各自的適用范圍和局限性，充分發揮主動控制和被動控制優點的組合減振降噪技術是設計和開發高架軌道橋梁結構減振降噪新型產品和裝備、提高減振降噪效果的新方向。