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        正交試驗(yàn)下槽形梁橋瞬態(tài)噪聲影響分析*

        2018-04-27 07:17:49峰劉林芽
        城市軌道交通研究 2018年3期
        關(guān)鍵詞:聲場(chǎng)阻尼比瞬態(tài)

        曾 峰劉林芽

        (1.廣深鐵路股份有限公司廣州工務(wù)段,510610,廣州;2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,330013,南昌∥第一作者,助理工程師)

        軌道交通高架橋結(jié)構(gòu)因其建設(shè)周期短、斷面空間利用率高、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì),得以廣泛應(yīng)用。但其低頻噪聲的投訴也日益增加,已成為制約其發(fā)展的主要因素[1-2]。

        文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn),列車通過高架橋時(shí)的橋梁結(jié)構(gòu)噪聲屬于低頻噪聲。文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn),阻尼增大會(huì)導(dǎo)致橋梁輻射噪聲降低。文獻(xiàn)[5]研究表明,鐵路橋梁的阻尼比會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)響應(yīng)的減小,而對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的影響尚無權(quán)威定論。文獻(xiàn)[6]研究表明,軌道板的剛度越大,移動(dòng)荷載產(chǎn)生的聲壓就越大。文獻(xiàn)[7]研究發(fā)現(xiàn),增加軌道板的剛度,可以減小噪聲輻射。文獻(xiàn)[8]研究表明,僅改變光滑圓柱結(jié)構(gòu)的剛度不能有效降低其輻射聲壓級(jí)。

        綜合以上研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)噪聲研究主要集中在頻域內(nèi),軌道交通噪聲影響評(píng)價(jià)指標(biāo)與時(shí)域密切相關(guān)。針對(duì)軌道交通槽形梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瞬時(shí)噪聲影響的研究,尚存在爭議,無權(quán)威定論。因此,開展橋梁結(jié)構(gòu)噪聲影響參數(shù)的時(shí)域仿真分析十分必要。

        本文以某擬建的30 m長軌道交通簡支槽形梁為研究對(duì)象,結(jié)合有限元-瞬態(tài)邊界元法,根據(jù)橋梁支座剛度、橋梁阻尼比及橋梁結(jié)構(gòu)剛度等影響因素及水平,設(shè)計(jì)了16組正交試驗(yàn),以分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的槽形梁聲輻射特性。

        1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)在橋梁跨中截面選取線路中線底板正下方4 m場(chǎng)點(diǎn)(場(chǎng)點(diǎn)1)作為近聲場(chǎng)評(píng)價(jià)場(chǎng)點(diǎn),選取距線路中線25 m的場(chǎng)點(diǎn)作為遠(yuǎn)聲場(chǎng)評(píng)價(jià)場(chǎng)點(diǎn)(如圖1所示)。

        圖1 正交試驗(yàn)聲學(xué)場(chǎng)點(diǎn)分布圖

        據(jù)統(tǒng)計(jì),目前的鐵路橋梁阻尼比大多為0.01~0.05。本試驗(yàn)參考文獻(xiàn)[10],針對(duì)城市軌道交通通用橋梁支座(橡膠減振支座),實(shí)測(cè)得到鉛芯橡膠支座豎向剛度。

        本文選取橋梁支座剛度、橋梁阻尼比、橋梁結(jié)構(gòu)剛度等3個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。并將每個(gè)因素劃分為4級(jí)水平(如表1所示)。

        表1 橋梁正交試驗(yàn)影響因素水平劃分

        2 軌道交通高架槽形梁模型

        2.1 有限元模型

        建立軌道交通高架槽形梁有限元模型時(shí),梁體、軌道板及CA(水泥瀝青)砂漿層等采用Solid45單元,橋梁彈性支座和鋼軌扣件采用Combin14單元,鋼軌選用梁單元Beam188。由于只分析梁體的結(jié)構(gòu)噪聲,忽略了橋墩對(duì)結(jié)構(gòu)聲輻射的影響,因此,采用固定約束模擬橋墩。具體軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

        表2 槽形梁有限元模型的主要材料參數(shù)

        簡支槽形梁有限元模型如圖2所示。梁體跨中截面腹板一側(cè)為圓弧結(jié)構(gòu),另一側(cè)采用直線折斜腹式的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)過多次調(diào)試,能滿足GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(文獻(xiàn)[9])的要求。

        2.2 瞬態(tài)邊界元模型

        圖2 槽形梁有限元模型

        將基于有限元法求解的橋梁瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)構(gòu),通過插值的方法分配到橋梁結(jié)構(gòu)聲學(xué)邊界元網(wǎng)格上,并作為邊界條件,進(jìn)而求解出槽形梁的瞬態(tài)聲輻射特性的方法,就是瞬態(tài)邊界元法。槽形梁的表面為封閉的邊界表面,通過對(duì)其離散,可得到邊界元求解方程:

        Ap(ra)=Bvn(ra)(1)

        式中:

        A——聲壓系數(shù)矩陣;

        B——方向速度系數(shù)矩陣;

        p(ra)——封閉邊界表面Ωa的聲壓;

        vn(ra)——封閉邊界表面Ωa的方向速度。

        槽形梁表面外部無限域內(nèi)任意一點(diǎn)的聲壓可以通過Helmholtz積分方程求得。

        瞬態(tài)邊界元法用于計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射問題時(shí),不僅能合理反映列車荷載作用下橋梁輻射噪聲在時(shí)間域的分布情況,還避免了采用模態(tài)疊加法出現(xiàn)的模態(tài)截?cái)嗾`差,使計(jì)算精度更有保障。

        基于瞬態(tài)邊界元理論建立的槽形梁結(jié)構(gòu)聲輻射邊界元模型如圖3所示。在進(jìn)行瞬態(tài)邊界元計(jì)算時(shí),邊界元網(wǎng)格必須是三角形網(wǎng)格,故采用自由網(wǎng)格劃分。

        圖3 槽形梁邊界元模型

        2.3 輪軌激振力求解與加載

        軌道交通槽形梁結(jié)構(gòu)聲輻射求解的關(guān)鍵問題就是激振源的獲取。模擬試驗(yàn)通過SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件獲取輪軌激振力。其中,地鐵車輛包括車體、輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架等剛體,以及一系、二系彈簧等力元,軌道不平順選用美國6級(jí)不平順譜。經(jīng)計(jì)算,列車以80 km/h運(yùn)行時(shí)的垂向輪軌作用力時(shí)程曲線如圖4所示。

        3 槽形梁瞬態(tài)噪聲響應(yīng)正交分析

        3.1 正交分析表設(shè)計(jì)

        為了在不影響各個(gè)因素條件下,大大減少試驗(yàn)次數(shù),也為了避免由主觀經(jīng)驗(yàn)造成的試驗(yàn)次數(shù)盲目性和試驗(yàn)結(jié)果的無代表性,選用正交表。得到的正交分析表如表3所示。

        圖4 輪軌垂向激振力

        3.2 槽形梁結(jié)構(gòu)瞬態(tài)噪聲正交試驗(yàn)分析

        表4分別為正交試驗(yàn)下橋梁結(jié)構(gòu)噪聲各影響參數(shù)的極差分析。根據(jù)極差R的大小,判斷因素的主次影響順序。R越大,表示該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大,因素越重要。由表4可知,在結(jié)構(gòu)輻射噪聲近聲場(chǎng)處,R3>R2>R1,橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)槽形梁結(jié)構(gòu)噪聲影響較為顯著,通過增大結(jié)構(gòu)阻尼比將在一定程度上減少結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)噪聲水平。由表4可知,在結(jié)構(gòu)輻射噪聲遠(yuǎn)聲場(chǎng)處,R2>R3>R1,從R的大小可知,橋梁支座剛度對(duì)槽形梁結(jié)構(gòu)噪聲影響較小,橋梁結(jié)構(gòu)剛度與橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)近聲場(chǎng)瞬態(tài)結(jié)構(gòu)噪聲影響較為顯著。

        表4 橋梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲近聲場(chǎng)處和遠(yuǎn)聲場(chǎng)處各因素極差分析

        為了更好地反映因素與響應(yīng)指標(biāo)之間的變化趨勢(shì),以各因素水平級(jí)別為橫坐標(biāo),場(chǎng)點(diǎn)瞬態(tài)最大線性聲壓級(jí)的平均值為縱坐標(biāo),繪制結(jié)構(gòu)輻射噪聲近聲場(chǎng)及遠(yuǎn)聲場(chǎng)影響參數(shù)變化趨勢(shì)圖,見圖5~6。

        由圖5可知,隨著橋梁阻尼參數(shù)和結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)的增大,場(chǎng)點(diǎn)最大線性聲壓級(jí)逐漸減小,但增大量隨參數(shù)的增大而逐漸減小。由圖6可知,橋梁結(jié)構(gòu)支座剛度對(duì)低頻瞬態(tài)輻射噪聲影響較小,橋梁結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到4.44×104MPa之后,對(duì)遠(yuǎn)聲場(chǎng)輻射噪聲影響較小。

        圖5 槽形梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲近聲場(chǎng)各水平變化趨勢(shì)

        圖6 槽形梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲遠(yuǎn)聲場(chǎng)各水平變化趨勢(shì)

        4 結(jié)論

        本文針對(duì)槽形梁橋結(jié)構(gòu)輻射噪聲問題,從瞬時(shí)結(jié)構(gòu)噪聲出發(fā),探討分析了輻射特性及因素影響,通過數(shù)值分析得到以下結(jié)論∶

        (1)軌道交通槽形梁結(jié)構(gòu)瞬態(tài)輻射噪聲對(duì)橋梁阻尼比和結(jié)構(gòu)剛度的改變較為敏感,隨著橋梁阻尼參數(shù)和結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)的增大,場(chǎng)點(diǎn)最大線性聲壓級(jí)逐漸減小。

        (2)在結(jié)構(gòu)輻射噪聲近聲場(chǎng)處,橋梁結(jié)構(gòu)剛度對(duì)槽形梁結(jié)構(gòu)噪聲影響較為顯著;在結(jié)構(gòu)輻射噪聲遠(yuǎn)聲場(chǎng)處,橋梁阻尼比對(duì)槽形梁結(jié)構(gòu)噪聲影響較為顯著。

        (3)針對(duì)軌道交通槽形梁結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)化控制時(shí),可以適當(dāng)提高槽形梁梁體的整體結(jié)構(gòu)剛度或增加橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比。

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