尹華拓

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高架橋軌道減振措施的降噪效果量化分析

尹華拓

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510010）

總結(jié)地鐵高架敷設(shè)方式及噪聲控制技術(shù)發(fā)展歷程，對(duì)橋梁噪聲進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化分析與拆解，調(diào)研部分軌道減振措施對(duì)橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的抑制效果，在此基礎(chǔ)上量化分析軌道減振對(duì)綜合降噪效果的規(guī)律，與以往工程中的定性做法相比，實(shí)用且有一定的創(chuàng)新和突破，可為今后其他實(shí)際工程高架橋綜合噪聲控制提供借鑒。

地鐵；高架；軌道；振動(dòng)；噪聲

1 高架敷設(shè)方式及噪聲控制技術(shù)發(fā)展概要

城市軌道交通高架敷設(shè)方式起步于2002—2003年前后開(kāi)通的北京地鐵13號(hào)線及上海地鐵3號(hào)線，其后幾年高架敷設(shè)方式逐漸增多，噪聲敏感段主要采取了聲屏障措施，但很多高架線路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后即使安裝了聲屏障的地段也會(huì)出現(xiàn)噪聲投訴現(xiàn)象，噪聲成為高架敷設(shè)方式的主要制約因素[1]。

較早的高架橋地段并未考慮橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響，2008年發(fā)布的《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》（HJ 453—2008）將高架線噪聲簡(jiǎn)化為單一聲源，忽略了不同噪聲源的發(fā)生部位、量值大小、頻譜特性及修正因子[2]，未考慮橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響。

北京地鐵13號(hào)線運(yùn)營(yíng)后在個(gè)別高架橋段增設(shè)了落地式隔聲屏（見(jiàn)圖1），以降低橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響，加裝落地式隔聲屏后，敏感點(diǎn)的列車通過(guò)時(shí)段噪聲降低了14.5 dB，說(shuō)明橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲影響顯著[3]。

隨后，上海率先針對(duì)高架噪聲開(kāi)展了相關(guān)研究，并在2007年貫通運(yùn)營(yíng)的上海4號(hào)線高架鋼橋首先采用了鋼彈簧浮置板作為橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的控制措施，取得良好效果。在后續(xù)建設(shè)中，上海地鐵在高架噪聲敏感地段均采用了鋼彈簧浮置板或預(yù)制縱梁式軌枕等軌道減振措施來(lái)配合聲屏障作為噪聲控制手段。

圖1 北京13號(hào)線運(yùn)營(yíng)后追加的落地式隔聲屏

近年來(lái)，隨著城市軌道交通的不斷建設(shè)，采用高架敷設(shè)方式的線路也越來(lái)越多，為降低噪聲影響，廣州、鄭州、寧波等城市也開(kāi)展了高架橋噪聲綜合控制方面的探索和研究[4]，但高架橋二次結(jié)構(gòu)噪聲量值及其對(duì)總噪聲級(jí)的貢獻(xiàn)與線路、輪軌、橋梁結(jié)構(gòu)等諸多因素有關(guān)，精準(zhǔn)測(cè)試或理論計(jì)算預(yù)測(cè)均較難實(shí)現(xiàn)。故目前各地通行的做法是定性采取軌道減振措施配合聲屏障降噪。

定性措施可能過(guò)度、也可能不足，存在一定的盲目性。在目前的技術(shù)及應(yīng)用狀況下，可將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化處理，基本的技術(shù)路線如下：

1）通過(guò)大量測(cè)試及分析，取得高架橋噪聲主要組成和比例，進(jìn)一步分析得到二次結(jié)構(gòu)噪聲的量值及對(duì)總噪聲級(jí)占比規(guī)律。

2）以同樣的方法獲得不同軌道減振措施的降噪效果實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3）通過(guò)公式或仿真軟件進(jìn)行軌道減振措施降噪效果的量化分析。

2 高架橋二次結(jié)構(gòu)噪聲分析與拆解

軌道交通高架橋噪聲源包括輪軌噪聲、車輛動(dòng)力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、空氣動(dòng)力噪聲以及橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲等，對(duì)速度≤120 km/h的城市軌道交通而言，車輛動(dòng)力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲及空氣動(dòng)力噪聲對(duì)高架橋總噪聲級(jí)的貢獻(xiàn)很小，高架橋主要噪聲由輪軌噪聲和二次結(jié)構(gòu)噪聲組成，其中二次結(jié)構(gòu)噪聲包括軌道和橋梁，以橋梁為主（見(jiàn)圖2）。輪軌噪聲產(chǎn)生于梁面以上輪軌接觸部位，主要頻率范圍為400～1 000 Hz；橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲在橋梁面板、腹板、底板及護(hù)欄等部位均會(huì)產(chǎn)生，主要頻率范圍為40～200 Hz[5]。

通過(guò)以下兩種方式將橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲從總噪聲中拆解出來(lái)：

1）分別測(cè)試線路平面及縱斷面、軌道結(jié)構(gòu)及狀態(tài)、列車運(yùn)行工況及背景噪聲等相同的地面線及高架橋的列車通過(guò)時(shí)段噪聲值，高架橋總噪聲“減去”地面線總噪聲的“剩余噪聲”則可基本認(rèn)為是橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲。

圖2 城市軌道交通高架橋主要噪聲源及產(chǎn)生部位

圖3 地鐵高架噪聲典型頻譜曲線（北京13號(hào)線）

2）在高架橋梁體四周及同一斷面與線路一定距離（如7.5 m、15 m、30 m）及高度（如1.5 m、10 m、20 m）的位置同步測(cè)試列車通過(guò)時(shí)段的噪聲，然后借助噪聲分析軟件反推，即可求得橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲。

借助上述方法，對(duì)北京、上海、廣州、西安、寧波等城市軌道交通工程中常規(guī)的混凝土梁橋進(jìn)行了大量噪聲測(cè)試，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可知，列車通過(guò)時(shí)段高架橋平均總噪聲級(jí)為82～87 dB，實(shí)際上主要由兩部分組成：其中從橋梁面以上向外輻射的噪聲包括輪軌噪聲及部分橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲，噪聲分量平均為80～86 dB；從橋梁面以下向外輻射的噪聲主要為橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲，噪聲分量平均為70～80 dB，計(jì)算公式為

其中，L總為總噪聲源強(qiáng)，dB；L為不同部位的噪聲源強(qiáng)，dB；為噪聲傳遞修正項(xiàng)，dB，不同噪聲源的修正項(xiàng)各不相同。

通過(guò)這種方法拆分得到的梁面以上噪聲（輪軌噪聲及部分橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲）及梁面以下噪聲（橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲）來(lái)進(jìn)行具體敏感點(diǎn)的噪聲影響分析預(yù)測(cè)，有望比現(xiàn)有環(huán)評(píng)導(dǎo)則中單一線聲源的方法取得更準(zhǔn)確的結(jié)果。將地鐵高架橋噪聲劃分為梁面以上及以下兩部分，主要是考慮到兩部分噪聲的控制措施不同：梁面以上噪聲主要通過(guò)隔聲及吸聲措施來(lái)控制，梁面以下噪聲主要通過(guò)軌道減振及梁型優(yōu)化來(lái)控制。橋梁類型、線路條件及輪軌狀態(tài)的差異會(huì)使這兩個(gè)噪聲分量的量值及頻譜有所不同，比如像鋼橋的二次結(jié)構(gòu)噪聲可能超過(guò)輪軌噪聲；此外，一些高架橋減振降噪措施實(shí)測(cè)未達(dá)到設(shè)計(jì)期望，設(shè)置的聲屏障或軌道減振措施并未使敏感點(diǎn)接收到的綜合噪聲有效降低，原因之一就在于針對(duì)梁面以上或梁面以下噪聲的控制措施并不匹配，單純偏重于降低其中1個(gè)噪聲源強(qiáng)而忽視了另一個(gè)噪聲源強(qiáng)的控制，對(duì)二者疊加總噪聲值的貢獻(xiàn)較小。

3 高架橋軌道減振措施應(yīng)用及降噪效果

軌道減振一般分為中等減振、高等減振及特殊減振等3級(jí)，中等減振主要包括各類減振扣件（見(jiàn)圖4），高等減振包括減振墊浮置板、預(yù)制縱梁式軌枕（見(jiàn)圖5）及中檔鋼彈簧浮置板（見(jiàn)圖6）等，特殊減振主要是高檔鋼彈簧浮置板（見(jiàn)圖7）。這些減振措施各有一定的技術(shù)特點(diǎn)和適用性，在各城市軌道交通高架橋上均有應(yīng)用，也積累了一些降噪效果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

圖4 各類減振扣件

圖5 預(yù)制縱梁式軌枕

圖6 減振墊浮置板

圖7 鋼彈簧浮置板

表1 高架橋不同等級(jí)減振措施及主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 Different grade vibration damping measures and their main technical indexes for viaducts

定性分析，由于橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的主要頻率范圍為40～2 000 Hz，故固有頻率越低的軌道減振系統(tǒng)，對(duì)橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的抑制效果越好，但降噪效果越好的減振措施，其要求的最小軌道結(jié)構(gòu)高度及軌道自重也越大。減振扣件及預(yù)制縱梁式軌枕軌道結(jié)構(gòu)高度及自重可與普通軌道一致，但浮置板類的軌道結(jié)構(gòu)高度及自重均需在普通軌道基礎(chǔ)上增加較多，在應(yīng)用上會(huì)受到一定的制約。

3.1 減振扣件

減振扣件降低了鋼軌支承剛度，從而減緩輪軌沖擊振動(dòng)并使輪軌作用力更為分散和均勻，從而減少橋梁梁體的振動(dòng)并降低橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲。因減振扣件輪軌系統(tǒng)的固有頻率相對(duì)較高，故其理論上降低橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的效果較為有限。

減振扣件在北京、上海、南京等多地城市軌道交通高架橋建設(shè)中均有應(yīng)用，但系統(tǒng)性的降噪效果對(duì)比測(cè)試研究不多。

2013年上海地鐵張江實(shí)訓(xùn)線曾對(duì)一種新型分體嵌套式減振扣件進(jìn)行了在線實(shí)測(cè)，該扣件靜剛度約15 kN/mm，測(cè)得梁面Z振級(jí)減振效果6～7 dB，梁底降噪效果2.8 dB，有效降噪頻段為60～600 Hz（見(jiàn)圖8），梁底噪聲主要為橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲[6]，這一測(cè)試結(jié)果對(duì)減振扣件較有代表性。

2014年，廣州地鐵4號(hào)線對(duì)黃閣汽車城—黃閣區(qū)間設(shè)有直立式聲屏障的情況下，換鋪浮軌式扣件后距離線路15 m、高1.5 m處降噪效果達(dá)到4.3 dB[7]，浮軌扣件比一般的減振扣件剛度更低，減振效果及相應(yīng)降低橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的效果相對(duì)更好。

圖8 某減振扣件降噪效果頻譜曲線

值得注意的是，近年來(lái)各類減振扣件鋪設(shè)地段出現(xiàn)了較多的鋼軌波磨及嘯叫噪聲病害，故應(yīng)用范圍不斷縮小，新線高架橋基本不再采用。

3.2 預(yù)制縱梁式軌枕

預(yù)制縱梁式軌枕的主體結(jié)構(gòu)是由一對(duì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁及數(shù)根橫向鋼梁組成的框架結(jié)構(gòu)，縱梁底部均勻設(shè)置減振墊，側(cè)面設(shè)緩沖墊，這種減振軌道有三重減振原理：一是高精度預(yù)制框架可保證鋪設(shè)后的軌道高平順性，從而降低輪軌振動(dòng)及噪聲源強(qiáng)；二是預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁可沿線路方向?qū)⑤嗆壸饔昧Φ姆植挤秶鷶U(kuò)大一倍，從而將基底動(dòng)應(yīng)力幅值降低50%，可有效降低振動(dòng)水平；三是縱梁與減振墊組成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，有載固有頻率約20 Hz，可有效抑制峰值頻率在60 Hz左右的地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)。

如圖9所示為某線路預(yù)制縱梁式軌枕與普通軌道在鋼軌垂向振動(dòng)加速度及橋旁噪聲頻譜曲線的典型對(duì)比，可以看出：該減振軌道鋼軌在各個(gè)頻段的振動(dòng)幅值都低于普通軌道，這是高精度軌道平順性的體現(xiàn)；該減振軌道的降噪效果體現(xiàn)在80 Hz及630 Hz左右2個(gè)頻段，分別對(duì)應(yīng)橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲及輪軌噪聲。

圖9 某預(yù)制縱梁式軌枕與普通軌道振動(dòng)及噪聲對(duì)比頻譜曲線

根據(jù)預(yù)制縱梁式軌枕在多個(gè)地鐵高架橋鋪設(shè)段的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，其針對(duì)橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的降噪效果為8～10 dB。

3.3 減振墊浮置板

減振墊浮置板主要由鋼筋混凝土道床及下部減振墊與側(cè)面緩沖墊組成，高架橋鋪設(shè)通常還需設(shè)限位結(jié)構(gòu)。減振墊浮置板主要通過(guò)質(zhì)量彈簧系統(tǒng)吸收輪軌振動(dòng)能量，受減振墊材料性能限制，其固有頻率最低只可做到10～15 Hz，對(duì)抑制橋梁振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲具有較好的效果。

根據(jù)杭州某高架線開(kāi)通前軌道牽引車40 km/h條件下的測(cè)試（見(jiàn)圖10），減振墊浮置板相對(duì)于普通軌道的（梁底）二次結(jié)構(gòu)噪聲降低值為8～10 dB[8]。

圖10 某梁底減振墊浮置板及普通軌道噪聲頻譜曲線

3.4 鋼彈簧浮置板

鋼彈簧浮置板可利用鋼彈簧材料強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將鋼彈簧隔振器的剛度及浮置板的固有頻率設(shè)計(jì)得相對(duì)較低，固有頻率約6～10 Hz。

如圖11所示，為上海某高架線鋼橋鋪設(shè)的鋼彈簧浮置板與鋪設(shè)了普通軌道的鋼橋下的噪聲實(shí)測(cè)對(duì)比，可知鋼彈簧浮置板在≥40 Hz頻段均有良好的降噪效果，對(duì)鋼橋總噪聲級(jí)控制效果可達(dá)到將近18 dB[9]。

圖11 鋼梁下鋼彈簧浮置板與普通軌道噪聲頻譜曲線

無(wú)論是減振墊浮置板還是鋼彈簧浮置板，因其支承剛度較低，在列車荷載作用下，浮置板彎矩較大，故配筋量較大，浮置板只能采用短軌枕（見(jiàn)圖12），這加大了浮置板軌道幾何狀態(tài)的施工控制難度，尤其是曲線地段，故浮置板應(yīng)用在橋上時(shí)，需采取綜合措施確保鋪軌精度及質(zhì)量。部分地鐵工程也開(kāi)始研究試鋪預(yù)制浮置板來(lái)解決這一問(wèn)題，但也相應(yīng)地帶來(lái)了運(yùn)輸?shù)跹b困難、造價(jià)進(jìn)一步增加等問(wèn)題。

圖12 鋼彈簧浮置板鋼筋籠

4 軌道減振措施的降噪效果量化分析

作為高架橋針對(duì)梁面以上噪聲所采取的主要控制措施，聲屏障的降噪效果已有定論，基本上直立聲屏障及半封閉聲屏障的降噪效果分別約為8 dB及14 dB，則根據(jù)上文分析的噪聲分源源強(qiáng)分析方法、分源噪聲傳遞計(jì)算公式以及搜集的軌道減振措施對(duì)橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的降噪效果，即可針對(duì)具體工點(diǎn)的噪聲敏感點(diǎn)開(kāi)展相對(duì)環(huán)評(píng)導(dǎo)則而言更為精準(zhǔn)的量化計(jì)算分析。

大量測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，一般的鋼筋混凝土梁橋地段，梁面以上噪聲聲級(jí)比梁面以下噪聲大6～10 dB，鋼橋的梁面以下噪聲則可能與梁面以上噪聲持平，由于2個(gè)噪聲的疊加是按對(duì)數(shù)進(jìn)行疊加計(jì)算的，所以梁面以上噪聲與梁面以下噪聲的大小差值不同，會(huì)影響軌道減振措施對(duì)綜合降噪的必要性及實(shí)際貢獻(xiàn)[10]。

表2為某典型計(jì)算案例，該工點(diǎn)經(jīng)過(guò)分析拆解的梁面以上、梁面以下噪聲源分別為84.5 dB、75.5 dB，前者比后者大9 dB，從該表可看出很多有價(jià)值的規(guī)律：

表2 梁面以上隔聲措施與軌道減振疊加降噪效果

1）量化證明了軌道減振措施配合聲屏障進(jìn)行綜合降噪的必要性。假若僅采取聲屏障措施，而不采取軌道減振措施，則直立聲屏障及半封閉聲屏障的實(shí)際降噪效果分別僅達(dá)到6 dB、8.3 dB；若軌道系統(tǒng)配合采取預(yù)制縱梁式軌枕等減振措施，則直立聲屏障及半封閉聲屏障的實(shí)際降噪效果分別可以達(dá)到8 dB、12.7 dB；若軌道采取鋼彈簧浮置板減振措施，則疊加降噪效果還有進(jìn)一步提升的空間。

2）軌道減振措施配合降噪的實(shí)際效果有賴于梁面以下噪聲與梁面以上噪聲的差值。當(dāng)梁面以下噪聲值越接近梁面以上噪聲，采取軌道減振措施的綜合降噪效果越好；當(dāng)梁面以下噪聲值低于梁面以上噪聲較多時(shí)，采取軌道減振措施對(duì)綜合降噪效果的貢獻(xiàn)越小。

3）單純的軌道減振措施的綜合降噪效果較為有限。當(dāng)梁面以下噪聲值低于梁面以上噪聲值較多時(shí)，如果不采取聲屏障等隔聲措施降低梁面以上噪聲，而是僅采取軌道減振措施降低梁面以下噪聲，則對(duì)綜合噪聲的控制幾乎沒(méi)有效果。

4）軌道減振措施的等級(jí)與隔聲措施的等級(jí)需合理匹配。當(dāng)梁面以上采取半封閉聲屏障時(shí)，軌道減振采取鋼彈簧浮置板的綜合降噪效果最好，這說(shuō)明當(dāng)梁面以上采取的隔聲措施越強(qiáng)，則采取的軌道減振措施等級(jí)也需要相應(yīng)提高，具體的匹配需跟進(jìn)梁面以上噪聲及梁面以下噪聲的差值經(jīng)過(guò)計(jì)算加以確定。

5）并非所有噪聲敏感地段都需要采取軌道減振措施來(lái)配合降噪。當(dāng)梁面以下噪聲值低于梁面以上噪聲值較多、且敏感點(diǎn)噪聲超標(biāo)量相對(duì)較小時(shí)，采取直立聲屏障措施雖然效果有一定的折減（見(jiàn)表2），但也足以滿足噪聲控制的需求，這種情況下就無(wú)需采取軌道減振措施。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著各大城市中心城區(qū)地鐵線網(wǎng)的逐步建成，未來(lái)郊區(qū)線路采用快速、高架敷設(shè)方式的線路會(huì)更多，高架橋綜合降噪的需求及必要性也會(huì)隨之增大。本文將地鐵高架橋噪聲簡(jiǎn)化拆分為梁面以上噪聲及梁面以下噪聲兩個(gè)聲源，同時(shí)調(diào)研分析了軌道減振措施對(duì)橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲的降噪效果，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了軌道減振配合聲屏障進(jìn)行綜合降噪的效果及規(guī)律量化分析，與現(xiàn)有環(huán)評(píng)導(dǎo)則噪聲影響預(yù)測(cè)僅將地鐵高架橋噪聲源單一化處理且未明確規(guī)定采取軌道減振措施配合降噪的做法相比，有一定的創(chuàng)新和突破。與目前我國(guó)高鐵領(lǐng)域正在探索的噪聲源精確識(shí)別方法相比，本文提出的這套方法的分析精度略有不足，但分析效率較高，方便工程應(yīng)用，隨著不同工況條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)積累越來(lái)越多，針對(duì)分析模型的參數(shù)不斷優(yōu)化和細(xì)化，分析精度也將越來(lái)越高。這一整套分析方法已在廣州地鐵14號(hào)線的設(shè)計(jì)中得到初步應(yīng)用。

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（編輯：曹雪明）

Quantitative Analysis of Noise Reduction Effect of Elevated Vibration Damping Track

YIN Huatuo

(Guangzhou Metro Design Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010)

This paper summarizes the subway viaduct and its noise controlling technology development history; dismantles and simplifies the secondary structural noise of viaducts reasonably; and surveys noise reduction effects of elevated vibration damping tracks. On this basis, a quantitative analysis of the contribution of a vibration damping track on the comprehensive effect of noise reduction is conducted. Compared to the existing qualitative practice, the new method is practical, includes certain innovations and breakthroughs, and can provide guidance for comprehensive noise control for viaducts in the future.

urban rail transit; viaduct; track; vibration; noise

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.010

U239

A

1672-6073(2018)04-0045-06

2018-01-02

2018-02-11

尹華拓，男，工學(xué)碩士，工程師，從事軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究工作，yinhuatuo@dtsjy.com