左志遠(yuǎn),秦佳良,朱 彬,韋 征,黃瑞堂,張用兵
(1.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,江西 南昌330013;2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢430063;3.浙江省交通工程管理中心,浙江 杭州310009;4.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司,上海200433;5.洛陽(yáng)雙瑞橡塑科技有限公司,河南 洛陽(yáng)471003)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,為滿足人們的出行需求,城市軌道的建設(shè)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段。截止到2020年底,我國(guó)內(nèi)地已有45座城市開(kāi)通城市軌道交通線路7 969.7 km,位居世界第一[1]。目前城市軌道交通主要以地下線與高架線路為主,其中在高架線路中,由于槽形梁具有美觀、施工便捷以及成本較低的優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)外城市的軌道交通建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。隨著軌道交通的運(yùn)量提升、速度加快,引發(fā)的軌道交通槽型梁低頻振動(dòng)與噪聲問(wèn)題越來(lái)越突出[3-4]。目前針對(duì)軌道交通橋梁振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生及傳播機(jī)理研究仍在不斷深入,如何快速、精確預(yù)測(cè)軌道交通橋梁振動(dòng)與噪聲仍然是目前亟待解決的難題[5]。高飛等[6]聽(tīng)過(guò)了二維聲場(chǎng)有限元模型預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)噪聲,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。LI等[7]通過(guò)結(jié)合有限元法與邊界元法分析橋梁結(jié)構(gòu)的噪聲輻射特性。劉林芽等[8]通過(guò)結(jié)合有限元法與快速多極邊界元法分析箱型橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題時(shí),計(jì)算效率得以提高。目前針對(duì)橋梁低頻振動(dòng)與噪聲的頻域模型的研究相對(duì)較少。
本文基于動(dòng)態(tài)柔度理論建立車輛-軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型,采用ANSYS建立軌道-槽型梁有限元模型,采用LMS Virtual.Lab建立槽型梁邊界元模型,結(jié)合以上三個(gè)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真可以計(jì)算得到頻域的車-軌-橋耦合動(dòng)力響應(yīng)與橋梁結(jié)構(gòu)低頻結(jié)構(gòu)噪聲,對(duì)槽型梁振動(dòng)與噪聲進(jìn)行快速、精確的預(yù)測(cè)。
基于動(dòng)態(tài)柔度理論建立車-軌-橋耦合頻域分析模型,具體如圖1所示。車輛采用10自由度多剛體模型,鋼軌采用離散點(diǎn)支撐的Timoshenko梁,軌道板采用離散點(diǎn)支撐的兩端自由Euler梁,橋梁采用簡(jiǎn)支Euler,扣件、CA砂漿層與支座均選用彈簧阻尼元件模擬[9]。
圖1 車-軌-橋耦合動(dòng)力學(xué)模型
單節(jié)車輛系統(tǒng)的柔度矩陣為:
式(1)中:Mv為車輛系統(tǒng)質(zhì)量矩陣;Cv為阻尼矩陣;Kv為剛度矩陣。
軌道-橋梁系統(tǒng)位移矩陣[10]為:
式(2)中:βT為軌道-橋梁系統(tǒng)動(dòng)柔度;P(ω)為輪軌力。
輪軌接觸的柔度矩陣為:式(3)中:kH為輪軌接觸剛度。
動(dòng)態(tài)輪軌力計(jì)算公式為[11]:
式(4)中:ΔZ(ω)為輪軌聯(lián)合不平順功率譜。
本文車輛選用地鐵A型車,車速為80 km/h,通過(guò)計(jì)算輪軌垂向作用力,如圖2所示。
圖2 輪軌垂向力
由圖2可知,不同輪對(duì)對(duì)應(yīng)的輪軌力基本一致,總體上看,優(yōu)勢(shì)頻段控制在40~80 Hz,這是由于車-軌-橋耦合系統(tǒng)剛度所決定的。
利用ANYSY建立軌道-槽型梁有限元模型,采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑30 m,鋼軌采用beam188單元,扣件采用combine14單元,橋梁采用solid185單元建立,所建模型如圖3所示。
圖3 軌道-槽形梁有限元模型
為了分析在動(dòng)態(tài)輪軌力作用下槽型梁的振動(dòng)響應(yīng),選取3個(gè)輸出點(diǎn),1~3號(hào)輸出點(diǎn)分別為槽形梁跨中處左翼緣頂部中心位置、左腹板中心位置、底板線路中心位置,如圖4所示。
圖4 各輸出點(diǎn)布置情況
將輪軌力加載至鋼軌上,計(jì)算得到槽型梁不同輸出點(diǎn)的頻域振動(dòng)加速度響應(yīng),如圖5所示。
圖5 各輸出點(diǎn)頻譜加速度
由圖5可知,各輸出點(diǎn)的加速度振級(jí)峰值頻率均為63 Hz,且峰值頻率處槽型梁各輸出點(diǎn)振動(dòng)加速度由大到小依次為:3號(hào)點(diǎn)>2號(hào)點(diǎn)>1號(hào)點(diǎn),這是由于槽型梁底板直接受列車荷載的沖擊作用,而腹板與翼緣的位置相對(duì)于底板距離荷載作用點(diǎn)較遠(yuǎn)。
采用LMS Virtual.Lab建立槽型梁聲學(xué)邊界元模型,垂直于跨中一側(cè)設(shè)置聲場(chǎng)網(wǎng)格,尺寸為30 m×10.5 m,本節(jié)考慮地面反射,建立了半無(wú)限剛性地面,如圖6所示。
圖6 槽形梁邊界元模型
為分析橋梁跨中聲場(chǎng)特性,在梁底和梁右側(cè)設(shè)置9個(gè)場(chǎng)點(diǎn),場(chǎng)點(diǎn)1、2、3垂向設(shè)置在跨中梁底垂直于軌道中心線上,場(chǎng)點(diǎn)4、5、6沿聲場(chǎng)網(wǎng)格向右側(cè)設(shè)置在距離地面1.5 m處,場(chǎng)點(diǎn)4、5、6垂向設(shè)置于距離跨中30 m處的聲場(chǎng)網(wǎng)格上,具體位置標(biāo)點(diǎn)如圖7所示。
圖7 聲場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)布置圖
本文將9個(gè)聲學(xué)場(chǎng)點(diǎn)分成3組進(jìn)行對(duì)比分析,分別為1組:場(chǎng)點(diǎn)1、2、3,2組:場(chǎng)點(diǎn)4、5、6,3組:場(chǎng)點(diǎn)7、8、9。各聲學(xué)場(chǎng)點(diǎn)1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線,如圖8所示。
圖8 各場(chǎng)點(diǎn)1/3倍頻程線性聲壓頻譜圖
由圖8可知,各場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)的優(yōu)勢(shì)頻率均集中在40~80 Hz頻段內(nèi),各場(chǎng)點(diǎn)的峰值頻率均為63 Hz,規(guī)律與振動(dòng)加速度響應(yīng)一致。
由圖8、9可知,場(chǎng)點(diǎn)1、2、3反映槽型梁跨中板底下方的聲壓豎向傳遞情況,且最大線性聲壓級(jí)排序?yàn)椋簣?chǎng)點(diǎn)1>場(chǎng)點(diǎn)3>場(chǎng)點(diǎn)2,這是由于剛性地面的聲反射作用導(dǎo)致距離地面較近的場(chǎng)點(diǎn)3聲壓得到加強(qiáng);場(chǎng)點(diǎn)4、5、6的最大線性聲壓級(jí)隨著與槽型梁距離的增加而減??;場(chǎng)點(diǎn)7、8、9的最大線性聲壓級(jí)整體處于較低水平。
圖9 各場(chǎng)點(diǎn)最大線性聲壓級(jí)
由以上分析可知,各場(chǎng)點(diǎn)線性聲壓級(jí)卓越頻率均為63 Hz,本節(jié)通過(guò)計(jì)算該頻率處槽形梁結(jié)構(gòu)輻射噪聲的聲場(chǎng)分布情況,繪制聲場(chǎng)分布圖如圖10所示。由圖10可知,底板噪聲輻射能力大于腹板,且傳播范圍更廣、衰減速度較慢。
圖10 聲場(chǎng)分布圖
本文通過(guò)動(dòng)態(tài)柔度思想建立車-軌-橋耦合垂向動(dòng)力分析模型,采用ANSYS建立軌道-槽型梁有限元模型,采用LMS Virtual.Lab建立槽型梁邊界元模型,基于以上三個(gè)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真可以計(jì)算得到車-軌-橋耦合動(dòng)力響應(yīng)與橋梁結(jié)構(gòu)低頻結(jié)構(gòu)噪聲。得到結(jié)論如下:①由槽型梁振動(dòng)加速度響應(yīng)分析可知,各輸出點(diǎn)的加速度振級(jí)峰值頻率均為63 Hz,且底板振動(dòng)加速度明顯大于其他部位,這是由于槽型梁底板直接受列車荷載的沖擊作用,而腹板與翼緣的位置相對(duì)于底板距離荷載作用點(diǎn)較遠(yuǎn);②各場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)的優(yōu)勢(shì)頻率均集中在40~80 Hz頻段內(nèi),各場(chǎng)點(diǎn)的峰值頻率均為63 Hz,規(guī)律與振動(dòng)加速度響應(yīng)一致;③底板下方垂向最大線性聲壓級(jí)出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),這是由于剛性地面的聲反射作用導(dǎo)致距離地面較近的場(chǎng)點(diǎn)聲壓得到加強(qiáng);④底板噪聲輻射能力大于腹板,且傳播范圍更廣、衰減速度較慢。