高速鐵路橋梁結構振動、噪聲與環境振動現場試驗

雷曉燕，翁凌霄,2，劉慶杰，汪 翠，尹學軍，張新亞

(1.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；2.南昌工學院 新能源車輛學院，江西 南昌 330108；3.隔而固(青島)振動控制有限公司，山東 青島 266108)

近年來，我國高速鐵路和城市軌道交通延續高速發展。為滿足高速鐵路對軌道結構高平順性的要求，設計速度為200 km/h及以上的高速鐵路線路中，高速鐵路軌道基礎多采用橋梁形式。國外橋梁形式占比最大的高速鐵路是線路全長270 km的日本上越新干線，其中橋梁長度166 km，占線路總長61.5%。國內干線高速鐵路的設計行車速度通常達到350 km/h，橋梁在高速鐵路中的占比普遍較高。如，廣州—深圳的城際鐵路，橋梁占比達到94.2%[1]。采用橋梁結構作為高速鐵路的軌道基礎可極大地減小路基不均勻沉降，有利于高速列車安全平穩運行，但由此帶來的振動與噪聲又成為新的環境污染源。

為研究高速行車條件下橋梁結構服役性能和車-橋耦合振動動態特性，一些學者對高速鐵路橋梁結構動力響應進行試驗研究。夏禾等[2]在秦沈客運專線狗河大橋進行高速列車動力試驗，試驗橋梁為跨度24 m的多跨預應力混凝土簡支箱梁，試驗列車最高試驗速度分別為321.5、290.0 km/h，試驗結果表明此實驗橋梁在高速列車作用下的各項動力學指標良好。李志明等[3]以滬昆高鐵某無砟軌道-橋梁的三孔32 m標準跨徑預應力簡支箱梁為研究對象，建立多斷面多結構監測系統，并開展無砟軌道-橋梁結構動力響應測試，分析無砟軌道-橋梁各結構層在不同行車速度下的動力響應規律及軌道結構-橋面協調變形特性。李小珍等[4]針對列車速度為250～385 km/h時的軌道、橋梁、地面振動開展現場測試，分別采用連續小波變換、1/3倍頻程分頻振級、環境振動評價標準對測試數據進行分析，結果表明，箱梁和墩頂振動的優勢頻段為31.5～125.0 Hz，地面振動的峰值頻率為40～50 Hz；地面振動隨距離的衰減規律符合三次多項式，在列車速度為250～385 km/h時，距離橋墩15 m以外的地面Z計權振動加速度級小于80 dB。張志俊[5]針對津秦客運專線高架橋梁段車致地面振動問題進行仿真分析和現場測試,并分別對測試數據進行時域和頻域分析，得出不同車速下振動波在土體中的傳播規律，同時探討車速、扣件剛度、高架橋梁支座剛度等因素對模型中的車輛、橋梁、地基土動力響應的影響規律。張凌等[6]對高鐵型綜合交通樞紐南昌西站候車層進行大型現場實測，在候車大廳布設四類測點，從時域及頻域方面分析高鐵列車低速進出站引起的振動在候車層垂軌向和順軌向的傳遞特性，同時研究梁、柱、伸縮縫等不同結構位置對振動傳遞特性的影響。

以上研究成果對深入研究高速鐵路橋梁結構動態服役行為和車-橋耦合振動具有重要的參考價值。但是，研究局限于高速鐵路車-橋耦合振動的某個方面，缺乏全面系統的研究，尤其是積累的試驗數據非常有限。為探討高速鐵路橋梁結構振動與噪聲產生機理和傳播規律，研發高速鐵路橋梁結構減振降噪關鍵技術與裝備，本文選擇滬昆高鐵高安—南昌區間某鐵路橋梁段，對高速列車通過橋梁時引起的橋梁結構振動、環境噪聲、大地振動進行系統的現場測試。現場測試選取的高速鐵路橋梁段由32 m多跨雙線混凝土簡支箱梁組成，橋面鋪設CRTS-Ⅱ型軌道板，CHN60鋼軌。測試中運行的高速列車為CRH380A、CRH380B、CRH380C、CRH380D、CRH2A、CRH2B、CRH2C等，8節或16節車輛編組，列車速度為300～310 km/h。

1 高速鐵路橋梁結構振動現場測試

測試選擇空曠地帶的連續橋梁，橋下平坦，地面距離橋底2.7 m，橋梁周邊30 m內無高大建筑物和樹林，測點附近無其他干擾。

為實測高速列車通過時引起的橋梁結構振動，從右到左在橋梁上選取4個橫截面，即橋梁支座截面、L/4、L/2、3L/4處橋梁截面。測試斷面示意見圖1，圖1中，L為橋梁跨度。在4個橫截面的翼板、頂板、腹板和底板處共設置20個振動測點，見圖2。

圖1 高鐵橋梁結構振動測試斷面示意(單位：m)

圖2 橋梁截面振動測點布置

本次測試采用的儀器設備：德國Head公司DATaRec 4 DIC24數據采集儀、GRAS聲傳感器以及393B04加速度傳感器(靈敏度為1 000 mV/g，頻響范圍為0.06～450.00 Hz，測試范圍±5g)。

高速鐵路橋梁結構振動現場試驗根據GB 10071—1988《城市區域環境振動測量方法》[7]、GB 10070—1988《城市區域環境振動標準》[8]和ISO 2631-1—1985《Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration》[9]進行；環境振動現場試驗根據HJ 453—2018《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》[10]進行；噪聲振動現場試驗根據GB 3096—1993《城市區域環境噪聲標準》[11]、JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》[12]進行。

根據列車上、下行和編組情況分為四種列車工況，其中，上行指向南昌方向，下行指向長沙方向，見表1。如無特別說明，文中給出的測試結果均指在列車工況一(向西/下行、8節編組)作用下得到的數據，其他工況下獲得的結果與此類似。

表1 列車工況

1.1 橋梁跨中截面加速度時程曲線及頻譜

橋梁跨中截面測點加速度時程曲線及頻譜見圖3。由圖3可見，橋梁結構振動頻率范圍主要為0～200 Hz，頻率高于200 Hz時加速度急劇下降。根據測試結果橋梁結構振動幅值有如下規律：頂板振動>底板振動>腹板振動>兩翼振動。

圖3 橋梁跨中截面測點加速度時程曲線及頻譜

1.2 橋梁各截面測點1/3倍頻程加速度振級

橋梁各截面測點1/3倍頻程加速度振級見圖4。

圖4 橋梁各截面測點1/3倍頻程加速度振級

由圖4(a)可見，各測點振動頻率范圍為3.15～200.00 Hz，且加速度振級非常相似，頻率高于200 Hz時，加速度振級急劇下降。在20～200 Hz頻率范圍，頂板振動最大，加速度振級峰值頻率為40 Hz。

由圖4(b)可見，在0～50 Hz頻率范圍，橋梁頂板振動>兩翼振動>底板振動>腹板振動；在50～200 Hz頻率范圍，頂板振動>底板振動>兩翼振動>腹板振動，且車輛運行側的橋梁振動要大于另一側。加速度振級峰值頻率為40 Hz，大于200 Hz時加速度振級急劇下降。在16 Hz處有一個明顯的波谷，是由列車激發橋梁的反共振引起的[13]。盡管頂板處振動最大，但由于腹板和底板的遮擋作用，頂板對橋梁結構噪聲的影響較小，而底板對橋梁結構噪聲的貢獻最大。

圖4(c)、圖4(d)中各測點加速度振級整體分布規律與圖4(b)類似。

1.3 橋梁頂板、翼板、腹板和底板測點1/3倍頻程加速度振級

橋梁頂板、翼板、腹板和底板測點1/3倍頻程加速度振級見圖5。

圖5 橋梁各位置處測點1/3倍頻程加速度振級

由圖5(a)可見，在0～50 Hz頻率范圍，除支座截面頂板加速度振級較小外，其余截面頂板加速度振級相差不大；在大于50 Hz頻率范圍，各截面頂板加速度振級基本相同；在頻率31.5、40.0 Hz處，頂板加速度振級出現峰值。

由圖5(b)可見，兩側翼板振動規律基本相同，近列車荷載一側翼板測點的加速度振級較大，在頻率31.5 Hz處，翼板加速度振級出現峰值。

由圖5(c)可見，兩側腹板振動規律基本相同，近列車荷載一側腹板測點的加速度振級較大，在頻率31.5 Hz處，腹板加速度振級出現峰值。

由圖5(d)可見，由于梁端截面底板測點Z4靠近橋梁支座，加速度振級較低，橋梁其余截面底板測點的加速度振級幅值和分布規律相同，在頻率63.0 Hz處，底板加速度振級出現峰值。

由圖4、圖5可見，高速列車通過橋梁時引起橋梁結構振動的優勢頻率為31.5～125.0 Hz。

各測點加速度分頻振級最大值及對應頻率見表2，由表2可見，各測點振動峰值頻率為31.5～63.0 Hz。

表2 橋梁結構各測點加速度分頻振級最大值及對應頻率

2 高速鐵路橋梁環境噪聲現場測試

高速列車通過橋梁時引起的環境噪聲現場測點布置見圖6，聲傳感器布置在下行線的近軌側。

圖6 高速鐵路橋梁環境噪聲測點布置(單位：m)

距離地面不同距離處各測點聲壓級曲線見圖7。

由圖7(a)可見，聲壓級優勢頻率為80～2 500 Hz，峰值頻率為63～160 Hz。測點S1位于箱梁內腔，受混響聲的影響，聲壓級分布與S3～S6四個測點不同；測點S3～S6緊靠橋梁底板、腹板和翼板位置，噪聲源主要為橋梁結構噪聲，以中低頻為主，四個測點的聲壓級和分布規律基本一致。測點S3在頻率80 Hz處出現峰值，對應于底板的局部振動。

由圖7(b)可見，測點S7、S8分別距離地面1.2、2.4 m，噪聲源分別為橋梁結構噪聲、部分繞射的輪軌噪聲、空氣動力噪聲，優勢頻率為80～2 500 Hz；S9距離軌面1.2 m，噪聲源主要為輪軌噪聲、受電弓噪聲、空氣動力噪聲，優勢頻率為160～5 000 Hz；3個測點的峰值頻率均為1 250 Hz。

由圖7(c)可見，測點S13、S14的聲壓級比測點S11、S12高。四個測點的優勢頻率為160～5 000 Hz，峰值頻率為1 250 Hz。

由圖7(d)可見，4個測點變化趨勢相同，優勢頻率為200～5 000 Hz；S17、S18的聲壓級比測點S15、S16高，峰值頻率為1 250 Hz。

圖7 距離地面不同距離處各測點聲壓級曲線

由圖7(e)可見，在小于40 Hz頻率范圍，4個測點聲壓級高度一致，說明低頻噪聲傳播遠，衰減小。在大于40 Hz頻率范圍，位于橋梁正下方的測點S4由于橋梁隔絕輪軌噪聲和空氣動力噪聲，測點S4聲壓級最小；測點S7、S11和S15距離軌道較遠，受輪軌噪聲和空氣動力學噪聲的影響，聲壓級較大，其聲壓級分布規律為：S15>S11>S7>S4。

由圖7(f)可見，4個測點聲壓級的分布規律與距離地面1.2 m處的測點相同，在大于200 Hz頻率范圍，各測點聲壓級分布規律為：S16>S12>S8>S3；測點S3在80 Hz處出現峰值，對應于橋梁底板的局部振動。

由圖7(g)可見，3個測點聲壓級的變化趨勢一致，各測點聲壓級主要受輪軌噪聲、受電弓噪聲和空氣動力噪聲的影響，其聲壓級分布規律為：S9>S13>S17，表明聲壓級隨著離開軌道距離的增大而減小。

由圖7(h)可見，2個測點聲壓級的變化趨勢高度一致，測點S14距離軌道近，其聲壓級比測點S18的大，峰值頻率為1 250 Hz。

橋梁跨中截面各測點實測噪聲總聲壓級見圖8。各測點實測聲壓級最大值及對應頻率詳見表3。

圖8 橋梁跨中截面各測點實測噪聲總聲壓級(單位：dB(A))

表3 各測點實測聲壓級最大值及對應頻率

由圖8和表3可得如下結論：

(1)測點S1位于箱梁內部，腔內的混響聲較大，最大聲壓級為79.9 dB(A)，對應的峰值頻率為160 Hz，總聲壓級為84.6 dB(A)。

(2)測點S3、S5、S6分別緊靠橋梁底板、腹板、翼板，噪聲源主要為橋梁結構噪聲，最大聲壓級分別為65.5、61.5、62.3 dB(A)，對應的峰值頻率分別為80、125、160 Hz，表明橋梁附近環境噪聲源主要來自橋梁結構噪聲，其分布規律為：橋梁底板結構振動噪聲>翼板噪聲>腹板噪聲，底板結構振動聲壓級最大，且底板輻射面積最大，因而底板振動對橋梁結構振動的貢獻最大。

(3)測點S9、S13、S17均高于鋼軌頂面，噪聲源主要為輪軌噪聲、受電弓噪聲、空氣動力噪聲，最大聲壓級為77.0～83.3 dB(A)，對應的峰值頻率為1 250 Hz。

(4)在距離軌道外軌30 m斷面處，4個測點的優勢頻率為200～5 000 Hz；噪聲源主要為輪軌噪聲、受電弓噪聲、空氣動力噪聲, 最大聲壓級分別為71.6、72.3、77.0、79.7 dB(A)，峰值頻率分別為800(S15)、1 250 Hz(S16～S18)，總聲壓級分別為81.1、81.9、85.6、87.2 dB(A)。根據GB 3096—1993《城市區域環境噪聲標準》[11]規定，各類聲環境功能區夜間突發噪聲，其最大聲壓級超過環境噪聲限值的幅度不得高于15 dB(A)，即不得高于70 dB(A)。表明即使在距離軌道外軌30 m處，夜間高速列車通過橋梁時引起的突發噪聲超過環境噪聲限值。

(5)由于列車速度大于300 km/h，輪軌噪聲、受電弓噪聲和空氣動力噪聲為主要噪聲源，高速列車通過橋梁時引起的環境噪聲容易超過聲環境標準[14-15]。因此，當高速鐵路橋梁穿過城區時，必須采取降噪措施。

3 高速鐵路橋梁環境振動現場測試

高速鐵路橋梁環境振動測試是在橋梁一側自由場地上進行。以46#橋墩墩底中心為坐標原點，沿與橋梁中心線垂直方向(Y方向)的大地表面布置8個測點，其中V1緊靠橋墩底，距離橋墩中心距離為3 m，其余測點之間的距離見圖9。

圖9 高速鐵路橋梁環境振動現場試驗測點布置(單位：m)

3.1 大地各測點振動加速度時程曲線及頻譜

測點V5振動加速度時程與頻譜曲線詳見圖10。由圖10可見，代表性測點V5橫向和垂向振動頻率范圍在200 Hz內，橫向振動幅值略大于垂向振動。

圖10 測點V5振動加速度時程與頻譜曲線

3.2 大地各測點加速度振級1/3倍頻程分析

各測點1/3倍頻程加速度振級見圖11。

由圖11可見，大地垂、橫向振動的優勢頻率為20～63 Hz；在1.00～3.15 Hz范圍，測點V3～V8加速度振級很小；振動能量主要集中在3.15～80.00 Hz；在頻率16 Hz處，有一明顯波谷；距離橋梁中心線5～40 m范圍，垂向振動16、50、80 Hz時分別衰減了18.57、36.91、38.95 dB；橫向振動16、50、80 Hz時衰減了6.29、41.51、26.29 dB；隨著離開橋梁距離的增加，高頻振動衰減快，低頻振動衰減慢，低頻振動傳遞更遠；近場大地振動包含各種頻率成分；遠場大地振動以中、低頻為主。

3.3 大地各測點分頻垂向Z振級

大地各測點實測垂向Z振級見圖12，其垂向Z振級最大值及對應頻率見表4。由圖12和表4可見，大地振動能量主要集中在3.15～80.00 Hz頻率范圍。V1～V5測點最大Z振級均出現在31.5 Hz，V6測點最大Z振級出現在25 Hz處，遠場測點V7、V8最大Z振級出現在10 Hz處，再次說明低頻振動傳遞的更遠。

表4 大地各測點實測垂向Z振級最大值及對應頻率

圖12 大地各測點實測垂向Z振級(取12趟列車平均值)

3.4 大地各測點分頻垂向Z振級隨距離的變化規律

大地各測點分頻Z振級隨距離衰減規律詳見圖13。由圖13可見，各分頻Z振級隨距離的增加而衰減，但不是線性變化而是呈波動衰減趨勢。在1～16 Hz頻率范圍，Z振級在距離橋梁中心線5 m處有一個明顯下降；在20～63 Hz頻率范圍，Z振級平緩下降，說明大地振動的優勢頻率為20～63 Hz。

圖13 大地各測點分頻Z振級隨距離衰減規律

3.5 大地振動垂向Z振級評價

大地振動各測點實測垂向Z振級詳見圖14，其實測垂向Z振級詳見表5。

圖14 大地振動各測點實測垂向Z振級

表5 大地振動各測點實測垂向Z振級(取15次平均值)

由圖14和表5可見，V1測點與V2測點相距僅2 m，振級接近；V3測點Z振級衰減明顯；V1～V6各測點的垂向Z振級隨著距離的增加，衰減幅度較大，V6測點之后，衰減變緩。在距離橋梁中心線0～40 m范圍，所有測點的垂向Z振級均小于80 dB(Z振級限值為80 dB)，距離橋梁中心線大于20 m的測點，其垂向Z振級均低于城市區域環境振動標準65 dB。

4 結論

通過對高速列車經過橋梁時引起的橋梁結構振動、噪聲和環境振動現場測試，得到如下結論：

(1)橋梁結構振動優勢頻率為31.5～125.0 Hz，峰值頻率為31.5～63.0 Hz，在16 Hz處有一明顯波谷，大于200 Hz時加速度振級急劇下降，因此可用31.5～63.0 Hz頻率進行橋梁結構減振設計。

(2)橋梁頂板最大加速度振級為88.59～100.48 dB，對應的峰值頻率為31.5、40.0 Hz；橋梁底板最大加速度振級為82.96～94.29 dB，對應的峰值頻率為31.5、63.0 Hz，底板對橋梁結構噪聲的貢獻最大。減小橋梁結構噪聲主要應針對底板和腹板采取減振降噪措施。

(3)高速列車通過橋梁時引起的環境噪聲頻率范圍為80～5 000 Hz，近橋梁測點峰值頻率為80～160 Hz，遠離橋梁測點峰值頻率為800～1 250 Hz；在距離軌道外軌30 m處，噪聲源主要為輪軌噪聲、空氣動力噪聲、受電弓噪聲，最大聲壓級均大于70 dB(A)，總聲壓級均大于80 dB(A)，超過聲環境限值。因此，當高速鐵路橋梁穿過城區時，必須采取設置聲屏障等降噪措施。

(4)高速鐵路車-橋耦合振動引起的大地橫向和垂向振動優勢頻率為20～63 Hz；距離橋梁中心線大于20 m范圍時，高速鐵路車-橋耦合振動引起的大地振動低于城市區域環境振動標準65 dB。