蔡理平，李小珍，陳錫民，邵華平，楊得旺

（1. 廣州鐵路（集團）公司，廣東 廣州 510600；2. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

輪軌動荷載作用下全封閉聲屏障的振動分析

蔡理平1，李小珍2，陳錫民1，邵華平1，楊得旺2

（1. 廣州鐵路（集團）公司，廣東 廣州 510600；2. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

以全封閉聲屏障為研究對象，分析CRH2型動車組、C80型貨車輪軌動荷載作用下聲屏障的振動響應。建立金屬吸聲板聲屏障、混凝土聲屏障與32 m箱梁耦合的有限元動力分析模型，分析列車作用在箱梁上的輪軌力。通過計算得到不同列車速度下聲屏障的位移和加速度響應，分析動位移、振動加速度、頻譜特性和總振級的變化規(guī)律。結果表明：輪軌動荷載作用下聲屏障的豎向、橫向位移很小，均在2 mm以內；動車組作用下聲屏障的振動加速度峰值可達5 m/s2；金屬吸聲板聲屏障各考察點處的豎、橫向振動加速度在各車速下均較混凝土聲屏障大；聲屏障振動加速度級在頻率40～80 Hz出現(xiàn)第一個峰值（較大），在頻率400～800 Hz出現(xiàn)次峰值（較?。?。

全封閉聲屏障；振動響應；輪軌動荷載；箱梁

高速鐵路為人們帶來一種方便、快捷和舒適的出行方式，但同時其噪聲也給周邊環(huán)境帶來了嚴重影響，國內外對高速鐵路噪聲控制進行了大量研究[1-3]。在高速鐵路建設工程中，聲屏障是降低車外噪聲的有效措施[4-5]。

由于直立式或半封閉聲屏障具有“敞開性”，仍存在大量的直達聲，同時繞射現(xiàn)象比較嚴重，因此降噪效果有限[6]。全封閉聲屏障可以把聲源“封閉”起來，與直立式或半封閉聲屏障相比，絕大部分聲波在傳播過程中被聲屏障吸收和反射，不存在繞射聲。在密閉性能良好的前提下，只有少量聲波會透射過全封閉聲屏障到達敏感目標點，因此，全封閉聲屏障可取得最佳的降噪效果[7]。

聲屏障作為高速鐵路降噪的重要措施，在列車高速行駛的環(huán)境下，對其強度、抗疲勞性能均有較高要求。聲屏障的振動響應會引起連接件的疲勞進而影響服役周期甚至威脅列車運行安全[8]。通過數(shù)值分析研究高架橋上全封閉聲屏障在動車組（CRH2型）、貨車（C80型）輪軌動荷載作用下的振動響應，可為橋上全封閉聲屏障的設計提供參考。

1 工程概況

作為我國“四縱四橫”客運專線網(wǎng)四縱之一的深（圳）茂（名）鐵路，是連接廣東與海南、廣西的主通道之一，東起廣東深圳，經(jīng)東莞、廣州、中山市后，在江門地區(qū)通過江門南站分別連接廣珠鐵路、廣珠城際鐵路。線路自江門南站南端引出，向西經(jīng)過新會的銀州湖地區(qū)后，跨越潭江繼續(xù)向西經(jīng)陽江市到達茂名市，全長約394 km。

由于受新會區(qū)城市規(guī)劃的影響，以及江門南站站位及南端小半徑曲線的限制，深茂鐵路無法遠離新會區(qū)的小鳥天堂區(qū)域。深茂鐵路新會段距離小鳥天堂較近的線路區(qū)段約3 km，距小鳥天堂風景區(qū)規(guī)劃邊界北面約300 m，距小鳥天堂現(xiàn)管理邊界北面約630 m，距景區(qū)內鳥類集中分布區(qū)（竹島）約670 m，距大榕樹約800 m[9]（見圖1）。

目前，全封閉聲屏障僅應用在少數(shù)城市軌道交通中，在高速鐵路中尚未得到應用[9]。為保護生態(tài)環(huán)境，中鐵第四勘察設計院集團有限公司率先嘗試在深茂鐵路上使用全封閉聲屏障。

圖1 深茂鐵路與小鳥天堂的地理位置[9]

圖2為兩種聲屏障方案的橫截面圖。金屬吸聲板聲屏障方案由鋼拱架和金屬單元板組成，每榀鋼拱架縱向間距2 m，金屬單元板長2.0 m、寬0.5 m?；炷谅暺琳戏桨赣射摴凹芎透唔g性混凝土蓋板組成，每榀鋼拱架縱向間距2 m，混凝土蓋板厚5 cm，蓋板外弧長分為2.604 m、2.302 m兩種。兩種聲屏障鋼拱架均為H型鋼，且結構尺寸完全一致。兩種聲屏障拱腳橫向間距均為11.650 m，金屬吸聲板聲屏障高9.075 m，混凝土聲屏障高9.125 m。

圖2 全封閉聲屏障的橫截面

2 車致振動分析模型

2.1 全封閉聲屏障-箱梁耦合有限元模型

聲屏障柱腳通過螺栓錨固在箱梁頂板翼緣基座上。在輪軌動荷載作用下，作用在箱梁上的振動能量通過柱腳傳遞給聲屏障。以高速鐵路32 m簡支箱梁為例進行分析，混凝土箱梁跨中截面尺寸見圖3，頂板寬11.600 m，厚0.334 m；底板寬5.000 m，厚0.280 m；梁高2.7 m；腹板厚0.36 m。

圖3 32 m箱梁跨中橫截面

假定聲屏障鋼拱架與混凝土箱梁翼緣固接。為簡化計算模型，根據(jù)兩種聲屏障的構造特點，忽略金屬單元板和高韌性混凝土蓋板對鋼拱架的剛度貢獻，將其視為附加質量施加在鋼拱架上。因此，兩種聲屏障動力分析模型的差異性體現(xiàn)在鋼拱架的附加質量上。全封閉聲屏障-箱梁耦合的有限元模型見圖4。

在該模型中，鋼拱架和縱向連接系采用兩節(jié)點空間梁單元，混凝土箱梁采用四節(jié)點板單元，鋼拱架柱腳節(jié)點與箱梁翼緣節(jié)點采用共節(jié)點處理。二期恒載取165 kN/m，以面荷載的形式均勻施加到箱梁頂板上。

圖4 全封閉聲屏障-箱梁耦合有限元模型

2.2 動態(tài)輪軌力

采用西南交通大學的車-線-橋耦合振動分析程序BDAP 2.0[10]得到列車作用在橋梁上的輪軌力。車型分別采用CRH2型動車組和C80型貨車，速度分別取200 km/h和80 km/h，軌道不平順采用ISO 3095: 2005制定的軌道譜[11]。

圖5為動車組（CRH2型，8節(jié)編組，車速200 km/h）作用下的動態(tài)輪軌力頻譜圖。從圖中可以看出，輪軌力的峰值主要集中在頻率40～80 Hz，并且由于多輪對的反射疊加作用，輪軌力在高頻段有較多的波動。

圖6為貨車（C80型，20節(jié)編組，車速80 km/h）作用下的動態(tài)輪軌力頻譜圖。從圖中可以看出，輪軌力的峰值主要集中在頻率60～100 Hz，并且由于多輪對的反射疊加作用，輪軌力在高頻段有較多的波動；動態(tài)輪軌力較動車組（CRH2型）作用時小。

圖5 動車組引起的動態(tài)輪軌力頻譜圖

圖6 貨車引起的動態(tài)輪軌力頻譜圖

2.3 振動響應輸出點

聲屏障振動響應輸出點示意見圖7。僅考慮兩種全封閉聲屏障的鋼拱架（H型鋼）以及橋梁跨中的動力響應?？疾?個振動響應輸出點，包括5個聲屏障輸出點和1個橋梁跨中輸出點。5個聲屏障動力響應輸出點分別編號1#、2#、3#、4#、5#，分別為拱頂、1/4拱、1/2拱、3/4拱和拱腳。

圖7 聲屏障振動響應輸出點示意圖

3 振動響應分析結果

3.1 時域內的動位移對比

圖8為動車組（CRH2型）與貨車（C80型）分別作用時，不同列車速度下兩種聲屏障方案各考察點的豎向與橫向動位移峰值對比。從圖中可以看出：

（1）對于豎向位移，動車組作用下聲屏障的最大響應可達0.50 mm；貨車作用下聲屏障的最大響應約1.50 mm；橋梁跨中以及聲屏障拱腳的豎向位移較小；鋼拱架豎向位移大于箱梁豎向位移，這與拱圈存在局部振動有關，并且最大豎向位移響應出現(xiàn)在1/2拱附近，即3#、4#點處。

圖8 兩種方案的動位移峰值對比

（2）對于橫向位移，動車組作用下聲屏障的最大響應約0.35 mm；貨車作用下聲屏障的最大響應約0.90 mm；橋梁跨中橫向位移幾乎為0；聲屏障的最大橫向位移響應出現(xiàn)在拱頂，即1#點處，并且鋼拱架自拱頂至拱腳，橫向位移逐漸減小。由于該線路為雙線鐵路，對于聲屏障來說，列車偏心加載使箱梁發(fā)生轉動，從而帶動聲屏障鋼拱架產(chǎn)生橫向位移。因此，拱頂處因箱梁的扭轉引起的橫向位移最大，而越靠近拱腳位置橫向位移越小。

（3）貨車作用下各考察點的動位移最大值較動車組作用時大，這是由于前者的荷載大，而位移響應主要受列車軸重的影響。

（4）金屬吸聲板聲屏障鋼拱架豎、橫向動位移最大值在各車速下均較混凝土聲屏障大。列車速度越大，通過時聲屏障位移響應越大。

（5）兩種聲屏障方案對箱梁的動位移最大值（豎向與橫向）基本無影響。

3.2 時域內的振動加速度對比

圖9為動車組（CRH2型）與貨車（C80型）分別作用時，不同列車速度下兩種聲屏障方案各考察點處的豎向與橫向振動加速度峰值對比。從圖中可以看出：

（1）當動車組列車運行速度超過200 km/h時，金屬吸聲板聲屏障豎向、橫向振動加速度最大接近5 m/s2；混凝土聲屏障豎向、橫向振動加速度最大約4 m/s2。在貨車輪軌動荷載作用下，聲屏障豎向加速度小于1.2 m/s2，橫向加速度小于1.6 m/s2。

（2）兩種聲屏障方案下各考察點處的豎向與橫向振動加速度最大值均出現(xiàn)在1/2拱附近，即3#與4#考察點處，且豎向與橫向振動加速度基本相等。對于橋梁而言，金屬吸聲板方案，跨中豎向振動加速度小于1.5 m/s2；混凝土方案，跨中豎向振動加速度小于0.3 m/s2；橋梁跨中橫向振動加速度幾乎為0。

圖9 兩種方案的振動加速度峰值對比

（3）通過對比發(fā)現(xiàn)，動車組作用下各考察點的加速度最大值均比貨車作用時大，這是由于前者的速度快，而加速度響應主要受列車速度的影響。列車速度越大，列車通過時聲屏障振動加速度越大。由于混凝土聲屏障質量大，對體系的剛度貢獻量大，故混凝土聲屏障的振動加速度要小于金屬聲屏障。

在我國高鐵規(guī)范TB 10621—2014[12]中，橋面豎向和橫向振動加速度限值分別為3.5 m/s2（有砟軌道）和1.4 m/s2。由圖9可知，箱梁的振動加速度滿足限值要求，而聲屏障振動已超過高鐵規(guī)范對于橋面振動加速度限值的要求。

3.3 頻譜特性

動車組和貨車作用下，金屬吸聲板聲屏障和混凝土聲屏障各考察點的振動加速度級頻譜曲線見圖10、圖11。

由圖10、圖11可以看出，各考察點處的振動加速度級頻譜圖變化規(guī)律基本一致，均在頻率40～80 Hz出現(xiàn)第一個峰值（較大），在頻率400～800 Hz出現(xiàn)次峰值（較小）。這是由于輪軌動荷載分別在該2個頻段內出現(xiàn)峰值，且第一個峰值大于第二個峰值。

隨著列車速度的提高，橋梁跨中、鋼拱架各考察點處的橫向與豎向的總振級均呈增大趨勢。聲屏障的豎向與橫向振動加速度級基本相等，而橋梁的豎向振動加速度級明顯大于橫向振動加速度級。動車組作用下各頻段的最大振動加速度級較貨車作用振動加速度級時大5~10 dB。

3.4 總振級對比

圖12為動車組（CRH2型）與貨車（C80型）分別作用時，兩種聲屏障方案鋼拱架各考察點處的豎向與橫向總振級對比。通過對比發(fā)現(xiàn)：

圖10 金屬吸聲板聲屏障方案的振動加速度級頻譜圖

圖11 混凝土聲屏障方案的振動加速度級頻譜圖

（1）對于橋梁跨中而言，豎向總振級明顯比橫向總振級大，并且采用混凝土聲屏障方案時的總振級比金屬吸聲板聲屏障方案小。主要原因為：列車橫向搖擺力較列車豎向荷載小，且橋梁橫向剛度較大；混凝土聲屏障質量較大，對橋梁的剛度貢獻量大。

（2）金屬吸聲板聲屏障各考察點的豎、橫向總振級在各車速下均較混凝土聲屏障大。動車組作用下，二者總振級的差值大約為4 dB（豎向）和5 dB（橫向）。

（3）兩種聲屏障方案下，鋼拱架各考察點處橫向總振級最大值均出現(xiàn)在1/2拱附近，即3#與4#處。并且鋼拱架各考察點處的豎向與橫向總振級大小相差不大，橫向略大于豎向，說明聲屏障鋼拱架的橫向與豎向振動均較明顯。

（4）貨車作用下各點的振動加速度級（豎向與橫向）比動車組作用下的振動加速度級約小10 dB。

4 聲屏障結構強度及抗疲勞性能

考慮自質量、列車活載、列車氣動力等使用荷載及列車輪軌力對聲屏障振動組合作用下，聲屏障立柱最大平均應力為88 MPa，滿足強度要求。通過進行立柱柱腳段疲勞試驗，結果表明在進行200萬次加載過程中各測點的應力-推力關系無明顯變化（見圖13），在結構應力較大處沒有產(chǎn)生裂縫，柱腳螺栓未發(fā)生松動。聲屏障立柱本身及柱腳連接件強度及疲勞性能滿足要求。

5 結論

通過分析金屬吸聲板、混凝土全封閉聲屏障在動車組（CRH2型）與貨車（C80型）輪軌動荷載作用下的振動響應，可得出以下結論：

圖12 兩種方案的總振級對比

圖13 經(jīng)疲勞試驗后立柱翼緣點應力-推力關系

（1）輪軌動荷載作用下兩種聲屏障豎向、橫向位移很小，均在2 mm以內。

（2）動車組輪軌動荷載作用下金屬吸聲板聲屏障振動加速度最大可達5 m/s2；混凝土聲屏障振動加速度最大約4 m/s2。

（3）動車組作用下，各考察點的動位移峰值較貨車作用時小，而振動加速度最大值比貨車作用時大。

（4）兩種聲屏障方案下，各考察點的動力響應變化規(guī)律與頻譜特性在兩種車型作用下均一致，只是量值不同。

（5）聲屏障振動加速度級頻譜在頻率40～80 Hz出現(xiàn)第一個峰值（較大），在頻率400～800 Hz出現(xiàn)次峰值（較?。?/p>

（6）聲屏障結構的強度及疲勞性能滿足要求。

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責任編輯 李鳳玲

On Vibration of Fully-Enclosed Noise Barriers Under Wheel-Rail Dynamic Load

CAI Liping1，LI Xiaozhen2，CHEN Ximin1，SHAO Huaping1，YANG Dewang2
（1. Guangzhou Railway (Group) Corporation，Guangzhou Guangdong 510600，China；2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

With fully-enclosed noise barriers as its object of study, this paper analyzes the vibration responses under wheel-rail dynamic loads of the high-speed train (CRH2) and the freight train (C80). The coupled f nite element dynamic analysis models of metal noise absorbing panels, concrete noise barriers, and 32 m box girders are established to analyze the wheel-rail forces exerted by the train on the box girders. The displacement and acceleration response of noise barriers under different train speeds are calculated to analyze the change rules of dynamic displacements, vibration acceleration, spectrum characteristics and total vibration levels. The results of the study show that the vertical and lateral displacement of the noise barrier under the dynamic load of the wheel-rail dynamic load is very small, both within 2 mm; the vibration acceleration peak of the noise barrier can be as high as 5 m/s2under the effect of the EMU; the vertical and lateral vibration acceleration of metal noise absorbing panels at different observation points are all greater than that of concrete noise barriers under different train speeds respectively. As for the vibration acceleration levels, the f rst peak (larger) appears at the frequency range of 40~80 Hz, and the second peak (smaller) ranges from 400 Hz to 800 Hz.

fully-enclosed noise barrier；vibration response；wheel-rail dynamic load；box girder

TB53

A

1001-683X（2017）04-0059-09

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.04.059

2016-12-28

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2014G004-Q）；國家自然科學基金（51308469、51378429）；四川省科技計劃項目（2016HH0076）；四川省教育廳科研項目（16ZA0009）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費科技創(chuàng)新項目（2682016CX022）

蔡理平（1986—），男，工程師。E-mail：357469456@qq.com