歐開寬，羅 錕，雷曉燕

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

列車在高架橋梁結(jié)構(gòu)上運行時，會誘發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)振動噪聲問題[1-2]，近年來，高架橋梁結(jié)構(gòu)振動噪聲問題越來越突出。橋梁結(jié)構(gòu)振動會對周圍結(jié)構(gòu)造成一定危害，橋梁結(jié)構(gòu)噪聲頻率低、衰減慢和影響范圍廣等，長期處于該環(huán)境中會對人體健康造成一定的危害[3-5]。因此，對橋梁結(jié)構(gòu)開展減振降噪研究具有重要的現(xiàn)實意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲做了大量的研究。文獻(xiàn)[6]在混凝土箱梁結(jié)構(gòu)噪聲試驗的基礎(chǔ)上，研究了不同軌道結(jié)構(gòu)對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響。文獻(xiàn)[7]利用數(shù)值仿真的方法，研究了不同降噪措施下混凝土U梁的噪聲特性。文獻(xiàn)[8]通過有限元、邊界元方法及聲學(xué)試驗，研究了混凝土箱梁原型與模型結(jié)構(gòu)噪聲之間的相似關(guān)系。文獻(xiàn)[9]通過模態(tài)聲傳遞向量法，分析了箱梁與槽型梁結(jié)構(gòu)噪聲的特點。文獻(xiàn)[10]研究了槽形梁結(jié)構(gòu)噪聲特性，并對結(jié)構(gòu)低頻噪聲進(jìn)行了合理優(yōu)化。文獻(xiàn)[11]利用有限元法，研究了時速60 km的列車過橋時橋梁結(jié)構(gòu)噪聲輻射特性。文獻(xiàn)[12]研究了TD09型阻尼板材在鐵路箱型橋梁中的減振性能。文獻(xiàn)[13]通過現(xiàn)場測試，分析了扣件剛度與阻尼對鐵路箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響。文獻(xiàn)[14]研究了約束阻尼層對鐵路常用的鋼板組合橋結(jié)構(gòu)噪聲控制的影響。文獻(xiàn)[15]研究了U梁在列車荷載作用下的結(jié)構(gòu)噪聲的聲輻射規(guī)律。

目前，將阻尼材料用于箱梁結(jié)構(gòu)噪聲試驗研究的相對較少。本文以京滬高速鐵路32 m無砟軌道箱梁結(jié)構(gòu)為原型，設(shè)計制作1/10的模型試驗系統(tǒng)。通過模型試驗，研究了阻尼板材對高架軌道箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的降噪效果。

1 原型概況

原型結(jié)構(gòu)為京滬高鐵常用的32 m無砟軌道箱梁結(jié)構(gòu)，由梁體、底座板、CA砂漿層、軌道板等組成。其中，箱梁體為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，全長32 m，計算跨徑31.40 m，頂板寬12.00 m，梁高3 m，采用C50混凝土澆筑，底板寬5.5 m，上部結(jié)構(gòu)為CRTS-II型雙線板式無砟軌道。

2 模型結(jié)構(gòu)制作

完整的模型為無砟軌道箱梁系統(tǒng)，按照1/10的幾何尺寸制作的模型結(jié)構(gòu)。文中的高架軌道箱梁模型結(jié)構(gòu)為軌道-箱梁結(jié)構(gòu)，即軌道板-CA砂漿層-底座板-箱梁結(jié)構(gòu)，從下到上依次為梁體、底座板、CA砂漿層及軌道板，不含有鋼軌。為進(jìn)行不同工況研究，先安裝一側(cè)軌道板結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相應(yīng)的試驗后，再安裝另一側(cè)。軌道-箱梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，幾何尺寸如圖2所示。

(1) 箱梁

箱梁原型結(jié)構(gòu)為單孔雙線鋼筋混凝土簡支箱梁。模型結(jié)構(gòu)按照幾何相似比1/10進(jìn)行設(shè)計，采用自密實混凝土和鋼絲等材料現(xiàn)場制作，使用性能相似的4 mm鋼絲代替受力鋼筋，使用2 mm鋼絲代替箍筋，經(jīng)驗證，其強(qiáng)度能夠滿足本實驗要求。待養(yǎng)護(hù)28天后測得梁體密度為2 203 kg/m3、彈性模量為30 GPa。箱梁和橋墩之間通過彈性支座連接，支座剛度為2.8×108N/m。

(2) 底座板

根據(jù)模型設(shè)計，混凝土底座板寬度為295 mm，厚為30 mm，兩條底座板的中心相距500 mm。底座板在養(yǎng)護(hù)后的箱梁體上澆筑。為保證底座板的強(qiáng)度、完整性及與原型能夠相似，在底座板內(nèi)布置一定數(shù)量的鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)。鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)中主筋為2 mm細(xì)鋼筋，鋼筋網(wǎng)用扎絲扎勞。經(jīng)驗證，其強(qiáng)度能夠滿足試驗要求。養(yǎng)護(hù)后測得底座板密度為2 149 kg/m3、彈性模量為32.7 GPa。

(3) 橡膠板層

在原型結(jié)構(gòu)中，底座板與軌道板之間為CA砂漿層。在模型設(shè)計中，用橡膠板進(jìn)行代替，數(shù)值仿真模擬時，使用彈簧單元進(jìn)行模擬。橡膠板厚度為10 mm，使用阻尼膏將橡膠板固定在底座板與軌道板之間。經(jīng)測定，橡膠板密度為1 550 kg/m3，剛度為3.5x107N/m，彈性模量為3.6 GPa。

(4) 軌道板

軌道板單獨預(yù)制，安裝時只需將預(yù)制好的軌道板粘結(jié)固定在橡膠板層上。由于制作工藝的限制，軌道板上側(cè)設(shè)計為長方體凸臺。根據(jù)模型設(shè)計，軌道板模型長為645 mm，寬為255 mm，厚為30 mm，兩條軌道板的中心相距500 mm。軌道板內(nèi)布置縱向直徑為2 mm、橫向直徑為2 mm的鋼筋片網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為確保凸臺與軌道板完整性，在凸臺部分設(shè)計了一部分彎起鋼筋。經(jīng)過驗算，鋼筋網(wǎng)的強(qiáng)度滿足試驗要求。養(yǎng)護(hù)后測得軌道板密度為2 253 kg/m3、彈性模量為28.8 GPa。

圖1 軌道-箱梁模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Track-box girder model structure

圖2 軌道-箱梁結(jié)構(gòu)幾何尺寸(mm)Fig.2 Geometric size of track-box girder (mm)

3 相似關(guān)系

根據(jù)相似理論，原型與模型結(jié)構(gòu)涉及的物理量有：荷載F、幾何尺寸L、截面慣性矩I、質(zhì)量m、重力加速度g、阻尼c、時間T、頻率f、箱梁彈性模量E1、箱梁泊松比σ1、箱梁密度ρ1、箱梁位移δ1、支座剛度k1、箱梁速度v1、箱梁加速度a1、底座板彈性模量E2、底座板密度ρ2、底座板泊松比σ2、底座板位移δ2、底座板速度v2、底座板加速度a2、橡膠板剛度k2、軌道板彈性模量E3、軌道板密度ρ3、軌道板泊松比σ3、軌道板位移δ3、軌道板速度v3、軌道板加速度a3。以幾何尺寸L、箱梁密度ρ1、箱梁彈性模量E1作為控制參數(shù)，通過量綱分析法[16-18]可推導(dǎo)出原型與模型結(jié)構(gòu)各參數(shù)間的相似關(guān)系，并根據(jù)實測，即可得各參數(shù)的相似比，結(jié)果如表1所示。其中，箱梁幾何尺寸L相似比為10，箱梁彈性模量E1相似比為1.206 7，箱梁密度ρ1相似比為1.134 5。

表1 相似關(guān)系

4 試驗測試

本文將使用阻尼材料進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制模型試驗研究。

4.1 測試概況

試驗儀器有激振器、德國HEAD振動噪聲采集分析系統(tǒng)和GRAS傳聲器，試驗儀器如圖3所示。測試前，各個儀器、傳感器等均經(jīng)過標(biāo)定。由于現(xiàn)場列車車輛過橋的荷載比較復(fù)雜，模型橋僅采用激振器施加激勵進(jìn)行模擬。激振器荷載類型為隨機(jī)猝發(fā)信號，采集頻率為1～1 024 Hz。整個測試過程都在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，試驗前使用吸聲棉包裹激振器做一定的隔聲處理，盡最大可能避免影響測試結(jié)果。

(a) GRAS傳聲器(b) HEAD采集系統(tǒng)圖3 試驗儀器Fig.3 Test Instruments

4.2 阻尼板材

TD09型高性能阻尼板材是一種在汽車、航天及船舶中應(yīng)用較多的減振降噪材料。它是以阻尼膠、阻尼填料、交聯(lián)劑、阻燃劑等為原材料的黑色平整塊狀結(jié)構(gòu)，厚度約為1 cm，其敷設(shè)施工簡單、使用時間長、不易老化，可以很好的抑制箱梁結(jié)構(gòu)的振動噪聲，適合在箱梁平整的表面上敷設(shè)，因此，本文選擇TD09型阻尼板材進(jìn)行試驗研究。

4.3 工況及測點設(shè)置

為了從試驗的角度分析阻尼板材敷設(shè)位置對箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響，試驗中分別在箱梁不同面板敷設(shè)阻尼板材。根據(jù)阻尼板材的敷設(shè)位置，建立了四種工況，如表2所示，阻尼板材敷設(shè)位置如圖4所示。為避免試驗本身造成的影響，各工況下僅阻尼板材的敷設(shè)位置有差異，阻尼板材的材質(zhì)、敷設(shè)工藝等相同，試驗的激勵及激勵位置相同，其他試驗條件相同。各測試工況下阻尼板材敷設(shè)位置都靠近含有軌道板結(jié)構(gòu)的一側(cè)。

在橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面布置5個GRAS傳聲器。五個測點1～5的位置為：軌道板上方0.05 m，翼緣板上方0.05 m和翼緣板下方位置0.05 m，腹板左側(cè)0.05 m及底板下方0.05 m各1個，激勵作用點及傳聲器的位置如圖4所示。

表2 工況設(shè)置

5 試驗結(jié)果分析

為研究阻尼板材的降噪效果，將未敷設(shè)阻尼板材的試驗測試結(jié)果與敷設(shè)阻尼板材的試驗測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。

5.1 翼緣板敷設(shè)阻尼板材的降噪效果分析

將未敷設(shè)阻尼板材的測試結(jié)果與翼緣板下側(cè)敷設(shè)阻尼板材的測試結(jié)果進(jìn)行對比，即將工況1與工況2對比，兩種工況的測試如圖5所示。橋梁結(jié)構(gòu)噪聲以低頻為主，為與規(guī)范進(jìn)行對比，分析時采用A計權(quán)聲壓級，兩種工況下各測點的A計權(quán)聲壓級有效值如表3所示，兩種工況下各測點的實測頻域聲壓級對比如圖6所示。

(a) 工況1(b) 工況2(c) 工況3(d) 工況4

表3 測點聲壓級有效值

由表3及圖6可以發(fā)現(xiàn)：① 在翼緣板下側(cè)敷設(shè)阻尼板材對箱梁結(jié)構(gòu)噪聲具有一定的降噪效果，各位置處的降噪效果有所不同，翼緣板的上側(cè)與下側(cè)、腹板及底板位置噪聲分別降低了1 dB(A)、1.6 dB(A)、1.1 dB(A)、1.2 dB(A)，敷設(shè)阻尼板材處的降噪效果最好，而軌道板靠近激勵源，降噪效果不明顯；② 各測點噪聲的峰值頻段均為200～1 000 Hz，且阻尼板材在峰值頻段內(nèi)均具有一定的降噪效果，其中翼緣板的上側(cè)與下側(cè)、腹板及底板處測點在峰值頻率500 Hz處噪聲降噪分別約為1.3 dB(A)、1.1 dB(A)、1.1 dB(A)及3.4 dB(A)。

(a) 工況1

(b) 工況2圖5 結(jié)構(gòu)噪聲測試過程Fig.5 Structural noise testing process

(a) 測點1比較(b) 測點2比較(c) 測點3比較

(d) 測點4比較(e) 測點5比較圖6 各測點聲壓級1/3倍頻程頻譜Fig.6 Sound pressure level 1/3 octave spectrum of each measuring point

5.2 腹板敷設(shè)阻尼板材的降噪效果分析

將未敷設(shè)阻尼板材的測試結(jié)果與腹板敷設(shè)阻尼板材的測試結(jié)果進(jìn)行對比，即將工況1與工況3對比，結(jié)構(gòu)噪聲測試如圖7所示，各測點的A計權(quán)聲壓級有效值如表4所示，各測點的實測頻域聲壓級對比如圖8所示。

表4 測點聲壓級有效值

由表4及圖8可以發(fā)現(xiàn)：① 在腹板敷設(shè)阻尼板材對箱梁結(jié)構(gòu)噪聲具有一定的降噪效果，各位置處的降噪效果有所不同，翼緣板的上側(cè)與下側(cè)、腹板及底板處噪聲分別降低了1.3 dB(A)、0.1 dB(A)、1.5 dB(A)、3.8 dB(A)，底板處的降噪效果最好，腹板次之，而翼緣板下側(cè)處降噪效果不明顯。② 各測點噪聲的峰值頻段

(a) 工況1

(b) 工況3圖7 結(jié)構(gòu)噪聲測試過程Fig.7 Structural noise testing process

(a) 測點1比較(b) 測點2比較(c) 測點3比較

(d) 測點4比較(e) 測點5比較圖8 各測點聲壓級1/3倍頻程頻譜Fig.8 Sound pressure level 1/3 octave spectrum of each measuring point

均為200～1 000 Hz，阻尼板材在峰值頻段內(nèi)均具有一定的降噪效果，其中翼緣板的上側(cè)與下側(cè)、腹板及底板處測點在峰值頻率500 Hz處噪聲降噪分別約為0.5 dB(A)、0.9 dB(A)、1 dB(A)及4.4 dB(A)。

5.3 腹板與翼緣板同時敷設(shè)阻尼板材的降噪效果分析

在箱梁腹板與翼緣板下側(cè)位置同時敷設(shè)阻尼板，即將工況1與工況4對比，結(jié)構(gòu)噪聲測試如圖9所示，各測點的A計權(quán)聲壓級有效值如表5所示，各測點的實測頻域聲壓級對比如圖10所示。

表5 測點聲壓級有效值

由表5及圖10可以發(fā)現(xiàn)：① 在腹板及翼緣板下側(cè)同時敷設(shè)阻尼板材對箱梁結(jié)構(gòu)噪聲具有一定的降噪效果，各位置處的降噪效果有所不同，翼緣板的上側(cè)與下側(cè)、腹板及底板位置噪聲分別降低了0.8 dB(A)、0.8 dB(A)、1.4 dB(A)、3 dB(A)，底板處的降噪效果最好，腹板次之，翼緣板上側(cè)與下側(cè)處降噪效果較小。② 各測點噪聲的峰值頻段均為200～1 000 Hz，阻尼板材在峰值頻段內(nèi)均具有一定的降噪效果，其中翼緣板的上側(cè)與下側(cè)、腹板及底板位置測點在峰值頻率500 Hz處噪聲降噪分別約為1.5 dB(A)、1.1 dB(A)、0.8 dB(A)及5.3 dB(A)。

(a) 工況1

(b) 工況4圖9 結(jié)構(gòu)噪聲測試過程Fig.9 Structural noise testing process

(a) 測點1比較(b) 測點2比較(c) 測點3比較

(d) 測點4比較(e) 測點5比較圖10 各測點聲壓級1/3倍頻程頻譜Fig.10 Sound pressure level 1/3 octave spectrum of each measuring point

6 結(jié) 論

本文以京滬高速鐵路32 m無砟軌道箱梁結(jié)構(gòu)為原型，設(shè)計制作1/10的模型試驗系統(tǒng)。通過模型試驗，研究了阻尼板材對高架軌道箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的降噪效果，主要結(jié)論如下：

(1) 高架軌道箱梁結(jié)構(gòu)噪聲峰值頻段為200～1 000 Hz，敷設(shè)TD09型阻尼板材在峰值頻段內(nèi)具有一定的降噪效果。

(2) 在峰值頻率500 Hz處，翼緣板敷設(shè)阻尼板材時，翼緣板下側(cè)降噪效果最好，降噪約為1.6 dB(A)，翼緣板上側(cè)靠近軌道板降噪效果最差；腹板敷設(shè)阻尼板時，底板處降噪效果最好，降噪可達(dá)3.8 dB(A)；腹板及翼緣板同時敷設(shè)阻尼板材時，底板處降噪效果最好，降噪可達(dá)3 dB(A)。

(3) 阻尼板材對橋梁結(jié)構(gòu)降噪效果與阻尼板材敷設(shè)位置有關(guān)，阻尼板材在橋梁結(jié)構(gòu)噪聲控制中有一定的應(yīng)用價值。