劉錦輝， 劉鵬輝， 楊宜謙, 董振升， 周昌盛， 梁曉東

(1. 深圳市地鐵集團有限公司， 廣東 深圳 518000； 2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；3. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

我國城市軌道交通已邁入高速發(fā)展時期，在滿足人民便捷出行的同時，也給乘客、沿線居民、建筑物等帶來振動噪聲的環(huán)境污染，導致眾多振動噪聲投訴事件頻發(fā)。隨著人們環(huán)保意識的增強和現(xiàn)代化工業(yè)進程的發(fā)展，高要求的減振降噪已成為城市軌道交通發(fā)展面臨的一項重大挑戰(zhàn)[1-2]。當列車通過高架線時，列車引起的振動傳遞給橋梁結構及其他橋梁附屬構件和聲屏障，其引起振動并向四周輻射噪聲，即結構噪聲。橋梁結構輻射噪聲以低頻噪聲為主，其傳播距離比高頻噪聲更遠，傳播范圍更廣且衰減更慢。人長期處于低頻噪聲的環(huán)境，容易產生神經衰弱、失眠、高血壓等[3-5]。一直以來，對軌道交通噪聲的研究主要集中在輪軌和車輛等產生的中、高頻噪聲，對橋梁結構低頻噪聲研究較少。李小珍等[6]對高速鐵路32 m混凝土簡支箱梁結構噪聲進行了測試分析，提出了高架線橋梁結構噪聲的優(yōu)化原則；戰(zhàn)家旺等[7]對城市軌道交通高架橋梯形軌枕軌道的降噪性能進行了試驗分析，對高架線噪聲分布進行分析和研究；賀建良等[8-11]對高架城市軌道交通的噪聲特性進行了分析。本研究高架橋采用減振墊、橡膠彈簧、鋼彈簧3種預制板浮置板和雙層非線性減振扣件軌道減振措施和聲屏障的綜合措施。通過對地鐵高架橋上雙層非線性減振扣件、減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板的現(xiàn)場振動噪聲測試，對高架線不同減振軌道結構的實際減振效果進行評價，對橋梁結構振動與結構噪聲關系進行分析，研究不同減振軌道對減小橋梁結構輻射噪聲的效果，為今后的軌道減振設計提供借鑒。

1 試驗概況

所測雙層非線性減振扣件整體道床、減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板4種軌道結構均鋪設于高架箱梁上，不同軌道結構的鋼軌、扣件、行車速度等簡況對比如表1所示，軌道減振措施斷面圖如圖1所示。測試列車為地鐵A型車，6輛編組，固定軸距2.5 m，車輛定距15.7 m，在試運營階段進行，列車載客量均為空車。

表1 不同軌道類型的簡況對比

(a) 減振墊

同地下線類似，高架線軌道減振措施減振效果評價的測試內容包括鋼軌鉛垂向加速度、道床鉛垂向加速度、橋面鉛垂向加速度以及列車通過速度。減振效果通過比較有/無減振措施時下部結構(如隧道、路基或橋梁)、地面或地面建筑物的振動來評價。為了減少軌道沿線復雜的環(huán)境因素對減振效果評價的影響，CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術規(guī)范》[12]規(guī)定在橋面離軌道中心線(1.50±0.25) m處進行振動對比，且要求橋梁結構和線路情況相似。減振軌道和普通軌道的鉛垂向振動加速度級的差值就是軌道減振措施在該地段取得的效果。目前還未有標準涉及高架線減振軌道減小橋梁結構輻射噪聲的效果評價。由于橋上聲屏障和橋梁結構的翼緣板充當了屏障的功能，很大程度上屏蔽了輪軌噪聲對橋梁結構輻射噪聲的干擾，在梁體底板布置鉛垂向振動加速度測點和腹板布置法向振動加速度測點，同時在距離梁底面20～30 cm和腹板處布置結構噪聲測點，以分析橋梁結構振動與橋梁結構輻射噪聲之間的關系以及軌道減振措施對減小橋梁結構輻射噪聲的效果，這樣橋梁結構輻射噪聲的測量數據更可靠，測點布置如圖2所示。

振動和噪聲測試采用了24位精度的INV306智能信號采集處理分析儀，根據預設程序自動觸發(fā)、采集、存儲，橋梁振動和噪聲同步采集、測量與分析。振動采用內裝IC壓電加速度傳感器，噪聲用AWA14411型傳聲器，具有低阻抗輸出、抗干擾、噪聲小等特點，主要技術指標如表2所示。軌道、橋梁振動和橋梁結構輻射噪聲采樣頻率為2 560 Hz，距離線路外7.5 m軌面以上1.2 m處噪聲采樣頻率為51.2 kHz。

圖2 測點布置示意圖

表2 傳感器技術指標

2 評價標準及數據處理方法

插入損失是主要用于評價減振效果的物理量，定義為

(1)

對式(1)進行變換，引入基準加速度a0=1×10-6m/s2得

(2)

式中，a1為無隔振裝置時測點的振動加速度有效值；a2為有隔振裝置時對應測點的振動加速度有效值。當L1≥0時，隔振系統(tǒng)起作用；當L1≤0時，隔振系統(tǒng)無衰減作用。由于不同頻率的響應之比是不同的，因此插入損失是一個隨頻率改變的物理量。在國內有時為方便描述，通過對豎向振動響應的插入損失進行計權處理，可以得到Z振級插入損失。分析列車通過時段下列物理量。

(1) Z振級VLz

在城市軌道交通環(huán)境影響評價時，減振效果評價采用減振軌道與普通整體道床，按GB/T 13441—1992《人體全身振動環(huán)境的測量規(guī)范》鉛垂向計權網絡計算的VLzmax的差值ΔVLzmax。

(2) 分頻振級均方根插入損失

CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術規(guī)范》中減振效果評價指標為分頻振級均方根，頻率范圍為1～200 Hz，計權網絡為GB/T 13441.1—2007《振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第一部分：一般要求》鉛垂向計權網絡，評價量為減振軌道與普通整體道床對比時的分頻振級均方根的差值ΔVLza。

(3)

式中：VLq(i)為普通整體道床橋面鉛垂向振動加速度在1/3倍頻程第i個中心頻率的分頻振級，dB；VLh(i)為減振軌道橋面鉛垂向振動加速度在1/3倍頻程第i個中心頻率的分頻振級，dB。

(3) 分頻最大振級

依據JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》[13]，按照GB/T 13441.1—2007《振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第一部分：一般要求》鉛垂向計權網絡得到的4～200 Hz內的1/3倍頻程各中心頻率的最大振級，即列車通過時的VLzmax(i)。

需要說明的是，插入損失是一種理想狀態(tài)下的評價量，它需要同時分析減振前、后的振動響應。在進行數值模擬和實驗室試驗時，獲得插入損失相對容易；然而實際工程中，當一段減振軌道鋪設完成后，只能得到一種響應：即采用減振軌道以后的振動響應。為了獲得插入損失，工程上補充測試相似地段采用普通軌道的振動響應，但需要指出的是，這種方法僅是一種工程近似，稱為對比插入損失，它的近似度受選取線路和車輛狀態(tài)，地質條件、線路平面曲線半徑、鋼軌類型、車輛類型、車輛軸重、簧下質量、列車速度等一系列因素控制。

3 測試結果與分析

3.1 減振效果分析

不同軌道結構在列車通過時的鋼軌、橋面(Z計權與未計權)1/3倍頻程譜及其對比圖，分別如圖3、圖4所示。不同軌道結構的振動加速度級，如表3所示?？梢钥闯觯?/p>

(1) 地鐵振動源頻譜特性呈現(xiàn)寬頻帶特性，以f=80～1 000 Hz的頻率為主，各種軌道結構鋼軌振動加速度頻譜均以630 Hz為主，道床和橋面在63～80 Hz有明顯峰值，這主要是由于輪軌相互耦合作用產生的。

(2) 相對于減振扣件整體道床橋面，減振墊浮置板、橡膠彈簧、鋼彈簧浮置板在1～80 Hz內VLzmax的減振效果分別為10.2 dB，10.6 dB，11.8 dB；在1～200 Hz內VLza的減振效果分別為10.3 dB，12.7 dB，12.6 dB。受對比條件的限制，本測試是與雙層非線性減振扣件對比，以上減振效果會比實際低估3～5 dB。

(a) 雙層非線性減振扣件

(c) 橡膠彈簧浮置板

(a) 未計權

表3 不同軌道結構的振動加速度

(3) 由于軌道結構系統(tǒng)的自振特性不同，鋼軌、道床、橋面等振動加速度在不同的頻率處有明顯的峰值。比如在鋼彈簧浮置板和橡膠彈簧浮置板的自振頻率為10 Hz，減振墊浮置板的自振頻率為18 Hz，在此頻率處附近均出現(xiàn)峰值；橋面均在中心頻率4.0～6.3 Hz出現(xiàn)峰值，這主要于梁體一階豎向自振頻率有關。

(4) 根據JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》規(guī)定，橋面4～200 Hz頻率范圍分頻振級見圖4(b)。減振扣件最大分頻振級VLmax為86.6 dB；減振墊浮置板VLmax為73.1 dB；橡膠彈簧浮置板VLmax為69.4 dB；鋼彈簧浮置板VLmax為68.9 dB。

(5) 與減振扣件相比，減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板在高于25 Hz的橋面振動有明顯的減振效果；高架線上減振軌道對于控制列車運行產生的橋梁結構輻射噪聲影響更有效；但是會增大鋼軌的加速度，尤其是對于630 Hz的振動，從一定程度上，減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板增大了輪軌噪聲。

3.2 噪聲與振動

(1) 地鐵無聲屏障地段A型車時速為70 km/h的噪聲(距離線路7.5 m、軌面以上1.2 m處)時域波形和1/3倍頻程頻譜，如圖5所示。從圖5可知，當列車通過時，聲級變化很大，比背景噪聲高30 dB(A)，聲級上升的最大陡度約為5.5 dB(A)/s，突如其來的強大的噪聲很容易使地鐵沿線的人們煩惱、焦慮。噪聲頻譜是寬頻的，在中心頻率80 Hz和630 Hz處噪聲出現(xiàn)明顯峰值，80 Hz對應橋梁結構輻射噪聲，630 Hz主要對應輪軌噪聲，與前面鋼軌加速度的峰值一致。

(a)時域波形

(b) 頻譜圖

(2)橋梁結構振動和橋梁結構輻射噪聲

列車通過時橋梁底板和腹板的振動速度頻譜圖，如圖6所示。從圖6可知，橋梁底板和腹板的振動加速度頻率主要集中在250 Hz以內，橋梁結構輻射噪聲是由于橋梁結構振動而輻射引起的噪聲，為低頻噪聲，所以橋梁結構輻射噪聲主要考慮10～250 Hz內的噪聲。橋梁底板振動遠大于橋梁腹板，所以橋梁底板的振動對于橋梁結構輻射噪聲的貢獻最大，在一定程度上可通過優(yōu)化高架橋梁的截面形狀，達到了降低橋梁結構輻射噪聲的目的，如圖7所示。

圖6 橋梁底板和腹板振動速度頻譜圖

圖7 地鐵列車通過時橋梁結構輻射噪聲

如圖7所示，振動激勵的構件表面振動輻射聲功率為

(4)

(5)

式中：LV為橋梁結構的平均振動速度級，dB，振動速度基準值ref=5×10-8m/s；ρ為媒介密度，kg/m3;c為聲速，m/s ;ρ0c0為空氣特性阻抗(在20 ℃時為420Ns/m3)。通常情況下，最后一項小于1 dB。所以式(5)可表示為

Lp=LV+10lgσ

(6)

從圖8可以看出，總體而言，底板振動速度級(ref=1×10-9m/s)以及梁體正下方聲壓級主要集中在100 Hz以下，且在40 Hz，50 Hz，63 Hz 3個中心頻率附近最大；由式(5)和梁底結構噪聲聲壓級與底板振動速度級頻譜曲線對比來看，橋梁結構噪聲與橋梁底板結構振動速度頻譜圖相似，各1/3倍頻程中心頻率點處二者差值約23～30 dB，這與不同頻率下輻射效率有關，高頻振動以剪力波為主導，輻射效率σ≈1；低頻部分含有大量的彎曲波，輻射效率σ比1小很多。

圖8 列車通過時橋梁振動、噪聲1/3倍頻程譜圖

我國橋梁振動和軌道振動多以振動加速度表征和測試，振動加速度與振動速度級的關系為

(7)

橋梁結構輻射噪聲通過橋梁結構的振動加速度預測見式(8)。圖9為地鐵通過時引起橋梁結構振動計算橋梁結構輻射噪聲的對比，從圖9可以看出兩者吻合度很高。

(8)

式中：Lp(f)為橋梁1/3倍頻程聲壓級，dB；La(f)為橋梁1/3倍頻程倍頻帶加速度級，dB；f為1/3倍頻程中心頻率，Hz。

圖9 通過橋梁振動預測橋梁結構輻射噪聲對比圖

列車通過時段的橋梁結構輻射噪聲等效連續(xù)A聲級LAeq(12.5～250.0 Hz)按式(9)計算。

(9)

式中：LAeq為橋梁結構輻射噪聲等效連續(xù)A聲級(12.5～250.0 Hz)，dB(A)；Lp,i為橋梁結構輻射噪聲1/3倍頻程聲壓級(12.5～250.0 Hz)，dB(A)；Cf,i為第i個頻帶的A計權修正值，dB；i為第i個1/3倍頻程，i=1～14；n為1/3倍頻程帶數。

(3) 橋梁結構輻射噪聲以低頻噪聲為主，其傳播距離比高頻噪聲更遠，傳播范圍更廣且衰減更慢。為此，高架線采用減振軌道以減小橋梁結構輻射噪聲的影響。不同減振軌道對減小橋梁結構輻射噪聲的效果(由于受地面交通的影響，通過橋面豎向加速度計算得到，不同減振軌道的橋梁結構輻射噪聲1/3倍頻程譜見圖10)，如表4所示。相對于減振扣件整體道床橋面12.5～250 Hz的LAeq，減振墊浮置板、橡膠彈簧、鋼彈簧浮置板的降噪效果(無考慮背景噪聲)分別為7.6dB(A)，20.9 dB(A)，17.1 dB(A)。

圖10 不同減振軌道的橋梁結構輻射噪聲1/3倍頻程譜

表4 不同減振軌道對減小橋梁結構輻射噪聲的效果

4 結 論

通過對地鐵高架橋上預制板軌道雙層非線性減振扣件、減振墊浮置板、橡膠彈簧浮置板、鋼彈簧浮置板的現(xiàn)場振動測試分析，結果表明：

(1) 相對于減振扣件道床橋面，減振墊浮置板、橡膠彈簧、鋼彈簧浮置板在1～80 Hz內VLzmax的減振效果分別為10.2 dB，10.6 dB，11.8 dB；在1～200 Hz內VLza的減振效果分別為10.3 dB，12.7 dB，12.6 dB。

(2) 橋上聲屏障和橋梁結構的翼緣板屏蔽了輪軌噪聲等干擾，在距離梁底面20～30 cm布置噪聲測點以分析橋梁結構輻射噪聲，評價物理量為列車通過時段的等效連續(xù)A聲級LAeq(12.5～250.0 Hz)。

(3) 橋梁結構輻射噪聲以12.5～250.0 Hz低頻噪聲為主，橋梁結構輻射噪聲可通過橋梁振動速度級或振動加速度級來計算。

(4) 高架線采用減振軌道以減小橋梁結構輻射噪聲的影響，相對于減振扣件整體道床橋面，減振墊浮置板、橡膠彈簧、鋼彈簧浮置板減小12.5～250.0 Hz內橋梁結構輻射噪聲LAeq的效果分別為7.6 dB(A)，20.9 dB(A)，17.1 dB(A)。

(5) 減振軌道在減小橋面振動的同時，放大了鋼軌的振動，在實際的運營中應重視由于鋼軌振動尤其是500～800 Hz內的鋼軌振動引起的振動和噪聲問題。