宋天昊 李俊璽 馮杜煬 吳思行

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

近年來，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅猛，伴隨而來的由城市軌道交通車輛運(yùn)營(yíng)引發(fā)的振動(dòng)及噪聲問題一直是其環(huán)境影響的疑難問題，隨著新建速度超過100 km/h的城市軌道交通線路逐漸增多，軌道和列車振動(dòng)噪聲帶來的環(huán)境影響日趨復(fù)雜，對(duì)沿線周邊的環(huán)境影響突出。準(zhǔn)確合理地選取噪聲源強(qiáng)數(shù)值對(duì)城際鐵路沿線的噪聲預(yù)測(cè)具有重要意義。[1]

目前城際鐵路噪聲源強(qiáng)的取值主要參考HJ 453—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》[2]，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)類比方法。

劉蘭華等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出了60～90 km/h速度范圍內(nèi)高架線路區(qū)段噪聲聲級(jí)水平[3]。劉海東等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出了運(yùn)行速度80 km/h的高架線路噪聲源強(qiáng)數(shù)值[4]。韓麗搜集了國(guó)內(nèi)多條包含路基與橋梁地段的地鐵線路噪聲源強(qiáng)取值[5]；辜小安等通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分類給出了高速鐵路、城際鐵路、市域鐵路、城市軌道交通動(dòng)車組在下部基礎(chǔ)為路基、橋梁時(shí)的運(yùn)行噪聲源強(qiáng)數(shù)值[6]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)運(yùn)行速度低于100 km/h的地鐵線路的噪聲源強(qiáng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)豐富，但近年來發(fā)展迅速的城際鐵路則缺少噪聲源強(qiáng)測(cè)試數(shù)據(jù)。明確噪聲源強(qiáng)的數(shù)值對(duì)于提高城際鐵路環(huán)境評(píng)價(jià)的精度與準(zhǔn)確性具有重要意義[7]。通過建立輪軌系統(tǒng)聲輻射預(yù)測(cè)模型，依據(jù)廣清城際鐵路實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，基于預(yù)測(cè)模型的計(jì)算結(jié)果提出不同設(shè)計(jì)速度等級(jí)線路的噪聲源強(qiáng)建議值，為新建城際鐵路線路提供參考。

2 輪軌系統(tǒng)聲輻射預(yù)測(cè)模型

既有研究表明，隨著列車運(yùn)行速度提高，聲源特性將發(fā)生轉(zhuǎn)變[8]，列車運(yùn)行速度低于200 km/h時(shí)，噪聲源強(qiáng)的貢獻(xiàn)以輪軌噪聲為主。為提高計(jì)算效率，不考慮氣動(dòng)噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)。

2.1 模型的建立

基于半解析的有限元方法建立輪軌系統(tǒng)聲輻射模型?；谳唽?duì)的軸對(duì)稱性，采用傅里葉級(jí)數(shù)法和有限元方法建立了一系列在環(huán)向解耦的振動(dòng)方程，通過求解這些振動(dòng)方程組可以得到輪對(duì)的節(jié)點(diǎn)柔性振動(dòng)響應(yīng)和5個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)：垂向平動(dòng)、橫向平動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、側(cè)滾及搖頭，值得注意的是求解過程中只需要離散輪對(duì)二維剖面網(wǎng)格即可得到三維旋轉(zhuǎn)輪對(duì)在靜載作用下的振動(dòng)響應(yīng)。將轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱及轉(zhuǎn)臂當(dāng)作一個(gè)質(zhì)量剛體，將一系垂向鋼簧、輪對(duì)及軸箱之間的接觸模擬為彈簧，將一系垂向減震器及其兩端的橡膠接頭模擬為彈簧和粘滯阻尼器相互串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)模型不考慮構(gòu)架之上的二系懸掛及車輛結(jié)構(gòu)，建立得到輪對(duì)及其上部結(jié)構(gòu)模型(見圖1)。將單位諧荷載激勵(lì)下計(jì)算得到的不同節(jié)徑輪對(duì)表面法向振動(dòng)代入到基于環(huán)向離散的邊界元方程中，即可得到輪對(duì)的聲輻射功率。

圖1 輪對(duì)及其上部結(jié)構(gòu)模型

輪和軌通過垂橫向的線性接觸彈簧進(jìn)行連接，值得注意的是，橫向接觸彈簧需要串聯(lián)一個(gè)粘滯阻尼器以模擬橫向的蠕滑阻力[9]。模型引入的粗糙度來自于德國(guó)低干擾譜[10]?？奂荒M為離散支撐的彈簧，連接軌道板和鋼軌，形成了周期性的離散支撐結(jié)構(gòu)；鋼軌在垂向被模擬為鐵木辛柯梁，在橫向被模擬為由軌頭、軌腰、軌底構(gòu)成組合梁，均采用2.5維方法進(jìn)行求解，以考慮其無限長(zhǎng)的特性[11]；計(jì)算單位移動(dòng)荷載激勵(lì)下的鋼軌及軌道板垂向振動(dòng)，通過瑞利積分求解其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)值[12]。模型需考慮軌道板的聲反射影響[13]。輪軌系統(tǒng)及聲學(xué)空間示意見圖2。

圖2 輪軌系統(tǒng)及聲學(xué)空間

輪軌力計(jì)算采用向車輛運(yùn)行的反方向抽取的等效方法。采用該方法，輪軌力可寫為

P(w)=-[DW(w)+DR(w)+DC(w)]-1Z(w)

(1)

式中，DW(w)為車輪導(dǎo)納矩陣；DR(w)為軌道導(dǎo)納矩陣；DC(w)為接觸彈簧導(dǎo)納矩陣；Z(w)為粗糙度向量；P(w)為輪軌力向量。

如果考慮單個(gè)輪對(duì)和軌道的橫垂向耦合，同時(shí)左右粗糙度相等，有

(2)

具體的輪軌噪聲貢獻(xiàn)計(jì)算流程和方法參見文獻(xiàn)[14]，該方法無需基于商業(yè)計(jì)算軟件，是基于編程軟件對(duì)該方法進(jìn)行編譯并計(jì)算。

國(guó)內(nèi)既有通車城際鐵路線路中，在120～160 km/h速度范圍內(nèi)通常采用市域D型車[15]，而在160 km/h以上速度范圍內(nèi)通常采用CRH6型車[16]。兩種車輛計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 車輛建模關(guān)鍵參數(shù)一覽

2.2 模型驗(yàn)證

廣清城際線路設(shè)計(jì)速度為200 km/h，采用8節(jié)編組CRH6型動(dòng)車組列車，全線線下基礎(chǔ)含橋梁、隧道及路基，全線鋪設(shè)CRTS雙塊式無砟軌道。選擇廣清城際鐵路非減振地段直線段進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置行車速度為185 km/h。測(cè)點(diǎn)布置示意見圖3，為不影響列車運(yùn)營(yíng)安全，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2布置在距線路中心線13 m處，測(cè)點(diǎn)1距軌面高度為1.2 m，測(cè)點(diǎn)2距軌面高度為3.5 m。

圖3 測(cè)點(diǎn)位置示意(單位：m)

測(cè)試采用UNV3062V網(wǎng)絡(luò)分布式采集儀、INV9206型ICP聲壓傳感器，頻響范圍20～20 kHz，量程20～146 dB，采用HS6020型聲壓校準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)。所用聲壓傳感器、校準(zhǔn)器均由具備資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)檢定及校準(zhǔn)合格。

測(cè)試處于高峰期段的10組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取均值與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的預(yù)測(cè)值較實(shí)測(cè)值偏差在2 dB(A)以內(nèi)，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型可以適用于城際線的環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)。

表2 測(cè)試與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3 噪聲源強(qiáng)預(yù)測(cè)

根據(jù)HJ 453—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》，路基段噪聲源強(qiáng)位于距軌道中心線7.5 m、鋼軌頂面3.5 m高處。

基于前文建立的輪軌系統(tǒng)聲輻射模型，計(jì)算得到不同速度下噪聲源強(qiáng)的預(yù)測(cè)值。仿真模型中軌道結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)制軌道板整體道床，扣件采用普通彈性扣件，設(shè)計(jì)速度120～160 km/h時(shí)采用市域D型車，設(shè)計(jì)速度160～200 km/h時(shí)采用CRH6型車。匯總兩種速度等級(jí)下地面線噪聲源強(qiáng)建議值見表3、表4。

表3 120～160 km/h地面線環(huán)境噪聲源強(qiáng)

表4 160～200 km/h地面線環(huán)境噪聲源強(qiáng)

《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》給出了噪聲源聲壓級(jí)隨速度的修正：Cv=alg(V/V0)，V0為基準(zhǔn)速度，通常為車外噪聲的測(cè)試速度，a值為速度修正項(xiàng)系數(shù)。通過測(cè)試得到的噪聲值對(duì)其他速度下的噪聲值開展預(yù)測(cè)時(shí)需要加該修正值進(jìn)行修正，即：SPL=SPLV0+Cv，SPLV0為V0速度下的聲壓級(jí)。因此，對(duì)等效A聲級(jí)進(jìn)行擬合時(shí)，有

SPL=alg(V/120)+b

(3)

式中，V為列車的運(yùn)行速度；120代表120 km/h的基準(zhǔn)速度，基準(zhǔn)速度的選取不會(huì)影響擬合的速度修正項(xiàng)系數(shù)a值，將不同速度下的聲壓級(jí)帶入上式進(jìn)行擬合，可以得到擬合的a值和b值；a值表示聲壓隨速度的增大速率；b值為120 km/h基準(zhǔn)速度對(duì)應(yīng)的擬合聲壓級(jí)。將速度120～200 km/h噪聲源強(qiáng)預(yù)測(cè)結(jié)果帶入擬合公式，得到路基段的速度修正項(xiàng)系數(shù)a值為24.9，低于《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》中的速度修正項(xiàng)系數(shù)30。

4 結(jié)論

基于有限元方法建立了輪軌系統(tǒng)聲輻射預(yù)測(cè)模型，并在廣清城際鐵路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。基于預(yù)測(cè)模型計(jì)算得出城際鐵路不同速度下適用于《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》的噪聲源強(qiáng)建議值，主要結(jié)論如下。

(1)地面線噪聲源強(qiáng)(位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面3.5 m處)，設(shè)計(jì)速度120～160 km/h時(shí)噪聲源強(qiáng)建議值在94.6～97.6 dB(A)之間，設(shè)計(jì)速度160～200 km/h時(shí)噪聲源強(qiáng)建議值在97.6～102.5 dB(A)之間。

(2)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真模型計(jì)算結(jié)果擬合得到的《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》提出的噪聲源聲壓級(jí)速度修正項(xiàng)系數(shù)為24.9，低于該標(biāo)準(zhǔn)中提出的速度修正項(xiàng)系數(shù)30，研究結(jié)論可為后續(xù)新建城際鐵路線路環(huán)境評(píng)價(jià)噪聲源強(qiáng)取值與線路降噪設(shè)計(jì)提供參考。