雷曉燕，翁凌霄,2，劉慶杰，汪 翠，尹學(xué)軍，張新亞

(1.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，江西 南昌 330013；2.南昌工學(xué)院 新能源車輛學(xué)院，江西 南昌 330108；3.隔而固(青島)振動控制有限公司，山東 青島 266108)

近年來，我國高速鐵路和城市軌道交通延續(xù)高速發(fā)展。為滿足高速鐵路對軌道結(jié)構(gòu)高平順性的要求，設(shè)計速度為200 km/h及以上的高速鐵路線路中，高速鐵路軌道基礎(chǔ)多采用橋梁形式。國外橋梁形式占比最大的高速鐵路是線路全長270 km的日本上越新干線，其中橋梁長度166 km，占線路總長61.5%。國內(nèi)干線高速鐵路的設(shè)計行車速度通常達(dá)到350 km/h，橋梁在高速鐵路中的占比普遍較高。如，廣州—深圳的城際鐵路，橋梁占比達(dá)到94.2%[1]。采用橋梁結(jié)構(gòu)作為高速鐵路的軌道基礎(chǔ)可極大地減小路基不均勻沉降，有利于高速列車安全平穩(wěn)運行，但由此帶來的振動與噪聲又成為新的環(huán)境污染源。

為研究高速行車條件下橋梁結(jié)構(gòu)服役性能和車-橋耦合振動動態(tài)特性，一些學(xué)者對高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進(jìn)行試驗研究。夏禾等[2]在秦沈客運專線狗河大橋進(jìn)行高速列車動力試驗，試驗橋梁為跨度24 m的多跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，試驗列車最高試驗速度分別為321.5、290.0 km/h，試驗結(jié)果表明此實驗橋梁在高速列車作用下的各項動力學(xué)指標(biāo)良好。李志明等[3]以滬昆高鐵某無砟軌道-橋梁的三孔32 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)應(yīng)力簡支箱梁為研究對象，建立多斷面多結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，并開展無砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試，分析無砟軌道-橋梁各結(jié)構(gòu)層在不同行車速度下的動力響應(yīng)規(guī)律及軌道結(jié)構(gòu)-橋面協(xié)調(diào)變形特性。李小珍等[4]針對列車速度為250～385 km/h時的軌道、橋梁、地面振動開展現(xiàn)場測試，分別采用連續(xù)小波變換、1/3倍頻程分頻振級、環(huán)境振動評價標(biāo)準(zhǔn)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，箱梁和墩頂振動的優(yōu)勢頻段為31.5～125.0 Hz，地面振動的峰值頻率為40～50 Hz；地面振動隨距離的衰減規(guī)律符合三次多項式，在列車速度為250～385 km/h時，距離橋墩15 m以外的地面Z計權(quán)振動加速度級小于80 dB。張志俊[5]針對津秦客運專線高架橋梁段車致地面振動問題進(jìn)行仿真分析和現(xiàn)場測試,并分別對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域和頻域分析，得出不同車速下振動波在土體中的傳播規(guī)律，同時探討車速、扣件剛度、高架橋梁支座剛度等因素對模型中的車輛、橋梁、地基土動力響應(yīng)的影響規(guī)律。張凌等[6]對高鐵型綜合交通樞紐南昌西站候車層進(jìn)行大型現(xiàn)場實測，在候車大廳布設(shè)四類測點，從時域及頻域方面分析高鐵列車低速進(jìn)出站引起的振動在候車層垂軌向和順軌向的傳遞特性，同時研究梁、柱、伸縮縫等不同結(jié)構(gòu)位置對振動傳遞特性的影響。

以上研究成果對深入研究高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)服役行為和車-橋耦合振動具有重要的參考價值。但是，研究局限于高速鐵路車-橋耦合振動的某個方面，缺乏全面系統(tǒng)的研究，尤其是積累的試驗數(shù)據(jù)非常有限。為探討高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)振動與噪聲產(chǎn)生機理和傳播規(guī)律，研發(fā)高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)減振降噪關(guān)鍵技術(shù)與裝備，本文選擇滬昆高鐵高安—南昌區(qū)間某鐵路橋梁段，對高速列車通過橋梁時引起的橋梁結(jié)構(gòu)振動、環(huán)境噪聲、大地振動進(jìn)行系統(tǒng)的現(xiàn)場測試。現(xiàn)場測試選取的高速鐵路橋梁段由32 m多跨雙線混凝土簡支箱梁組成，橋面鋪設(shè)CRTS-Ⅱ型軌道板，CHN60鋼軌。測試中運行的高速列車為CRH380A、CRH380B、CRH380C、CRH380D、CRH2A、CRH2B、CRH2C等，8節(jié)或16節(jié)車輛編組，列車速度為300～310 km/h。

1 高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)場測試

測試選擇空曠地帶的連續(xù)橋梁，橋下平坦，地面距離橋底2.7 m，橋梁周邊30 m內(nèi)無高大建筑物和樹林，測點附近無其他干擾。

為實測高速列車通過時引起的橋梁結(jié)構(gòu)振動，從右到左在橋梁上選取4個橫截面，即橋梁支座截面、L/4、L/2、3L/4處橋梁截面。測試斷面示意見圖1，圖1中，L為橋梁跨度。在4個橫截面的翼板、頂板、腹板和底板處共設(shè)置20個振動測點，見圖2。

圖1 高鐵橋梁結(jié)構(gòu)振動測試斷面示意(單位：m)

圖2 橋梁截面振動測點布置

本次測試采用的儀器設(shè)備：德國Head公司DATaRec 4 DIC24數(shù)據(jù)采集儀、GRAS聲傳感器以及393B04加速度傳感器(靈敏度為1 000 mV/g，頻響范圍為0.06～450.00 Hz，測試范圍±5g)。

高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)場試驗根據(jù)GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[7]、GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》[8]和ISO 2631-1—1985《Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration》[9]進(jìn)行；環(huán)境振動現(xiàn)場試驗根據(jù)HJ 453—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》[10]進(jìn)行；噪聲振動現(xiàn)場試驗根據(jù)GB 3096—1993《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》[11]、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(biāo)準(zhǔn)》[12]進(jìn)行。

根據(jù)列車上、下行和編組情況分為四種列車工況，其中，上行指向南昌方向，下行指向長沙方向，見表1。如無特別說明，文中給出的測試結(jié)果均指在列車工況一(向西/下行、8節(jié)編組)作用下得到的數(shù)據(jù)，其他工況下獲得的結(jié)果與此類似。

表1 列車工況

1.1 橋梁跨中截面加速度時程曲線及頻譜

橋梁跨中截面測點加速度時程曲線及頻譜見圖3。由圖3可見，橋梁結(jié)構(gòu)振動頻率范圍主要為0～200 Hz，頻率高于200 Hz時加速度急劇下降。根據(jù)測試結(jié)果橋梁結(jié)構(gòu)振動幅值有如下規(guī)律：頂板振動>底板振動>腹板振動>兩翼振動。

圖3 橋梁跨中截面測點加速度時程曲線及頻譜

1.2 橋梁各截面測點1/3倍頻程加速度振級

橋梁各截面測點1/3倍頻程加速度振級見圖4。

圖4 橋梁各截面測點1/3倍頻程加速度振級

由圖4(a)可見，各測點振動頻率范圍為3.15～200.00 Hz，且加速度振級非常相似，頻率高于200 Hz時，加速度振級急劇下降。在20～200 Hz頻率范圍，頂板振動最大，加速度振級峰值頻率為40 Hz。

由圖4(b)可見，在0～50 Hz頻率范圍，橋梁頂板振動>兩翼振動>底板振動>腹板振動；在50～200 Hz頻率范圍，頂板振動>底板振動>兩翼振動>腹板振動，且車輛運行側(cè)的橋梁振動要大于另一側(cè)。加速度振級峰值頻率為40 Hz，大于200 Hz時加速度振級急劇下降。在16 Hz處有一個明顯的波谷，是由列車激發(fā)橋梁的反共振引起的[13]。盡管頂板處振動最大，但由于腹板和底板的遮擋作用，頂板對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響較小，而底板對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻(xiàn)最大。

圖4(c)、圖4(d)中各測點加速度振級整體分布規(guī)律與圖4(b)類似。

1.3 橋梁頂板、翼板、腹板和底板測點1/3倍頻程加速度振級

橋梁頂板、翼板、腹板和底板測點1/3倍頻程加速度振級見圖5。

圖5 橋梁各位置處測點1/3倍頻程加速度振級

由圖5(a)可見，在0～50 Hz頻率范圍，除支座截面頂板加速度振級較小外，其余截面頂板加速度振級相差不大；在大于50 Hz頻率范圍，各截面頂板加速度振級基本相同；在頻率31.5、40.0 Hz處，頂板加速度振級出現(xiàn)峰值。

由圖5(b)可見，兩側(cè)翼板振動規(guī)律基本相同，近列車荷載一側(cè)翼板測點的加速度振級較大，在頻率31.5 Hz處，翼板加速度振級出現(xiàn)峰值。

由圖5(c)可見，兩側(cè)腹板振動規(guī)律基本相同，近列車荷載一側(cè)腹板測點的加速度振級較大，在頻率31.5 Hz處，腹板加速度振級出現(xiàn)峰值。

由圖5(d)可見，由于梁端截面底板測點Z4靠近橋梁支座，加速度振級較低，橋梁其余截面底板測點的加速度振級幅值和分布規(guī)律相同，在頻率63.0 Hz處，底板加速度振級出現(xiàn)峰值。

由圖4、圖5可見，高速列車通過橋梁時引起橋梁結(jié)構(gòu)振動的優(yōu)勢頻率為31.5～125.0 Hz。

各測點加速度分頻振級最大值及對應(yīng)頻率見表2，由表2可見，各測點振動峰值頻率為31.5～63.0 Hz。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)各測點加速度分頻振級最大值及對應(yīng)頻率

2 高速鐵路橋梁環(huán)境噪聲現(xiàn)場測試

高速列車通過橋梁時引起的環(huán)境噪聲現(xiàn)場測點布置見圖6，聲傳感器布置在下行線的近軌側(cè)。

圖6 高速鐵路橋梁環(huán)境噪聲測點布置(單位：m)

距離地面不同距離處各測點聲壓級曲線見圖7。

由圖7(a)可見，聲壓級優(yōu)勢頻率為80～2 500 Hz，峰值頻率為63～160 Hz。測點S1位于箱梁內(nèi)腔，受混響聲的影響，聲壓級分布與S3～S6四個測點不同；測點S3～S6緊靠橋梁底板、腹板和翼板位置，噪聲源主要為橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，以中低頻為主，四個測點的聲壓級和分布規(guī)律基本一致。測點S3在頻率80 Hz處出現(xiàn)峰值，對應(yīng)于底板的局部振動。

由圖7(b)可見，測點S7、S8分別距離地面1.2、2.4 m，噪聲源分別為橋梁結(jié)構(gòu)噪聲、部分繞射的輪軌噪聲、空氣動力噪聲，優(yōu)勢頻率為80～2 500 Hz；S9距離軌面1.2 m，噪聲源主要為輪軌噪聲、受電弓噪聲、空氣動力噪聲，優(yōu)勢頻率為160～5 000 Hz；3個測點的峰值頻率均為1 250 Hz。

由圖7(c)可見，測點S13、S14的聲壓級比測點S11、S12高。四個測點的優(yōu)勢頻率為160～5 000 Hz，峰值頻率為1 250 Hz。

由圖7(d)可見，4個測點變化趨勢相同，優(yōu)勢頻率為200～5 000 Hz；S17、S18的聲壓級比測點S15、S16高，峰值頻率為1 250 Hz。

圖7 距離地面不同距離處各測點聲壓級曲線

由圖7(e)可見，在小于40 Hz頻率范圍，4個測點聲壓級高度一致，說明低頻噪聲傳播遠(yuǎn)，衰減小。在大于40 Hz頻率范圍，位于橋梁正下方的測點S4由于橋梁隔絕輪軌噪聲和空氣動力噪聲，測點S4聲壓級最小；測點S7、S11和S15距離軌道較遠(yuǎn)，受輪軌噪聲和空氣動力學(xué)噪聲的影響，聲壓級較大，其聲壓級分布規(guī)律為：S15>S11>S7>S4。

由圖7(f)可見，4個測點聲壓級的分布規(guī)律與距離地面1.2 m處的測點相同，在大于200 Hz頻率范圍，各測點聲壓級分布規(guī)律為：S16>S12>S8>S3；測點S3在80 Hz處出現(xiàn)峰值，對應(yīng)于橋梁底板的局部振動。

由圖7(g)可見，3個測點聲壓級的變化趨勢一致，各測點聲壓級主要受輪軌噪聲、受電弓噪聲和空氣動力噪聲的影響，其聲壓級分布規(guī)律為：S9>S13>S17，表明聲壓級隨著離開軌道距離的增大而減小。

由圖7(h)可見，2個測點聲壓級的變化趨勢高度一致，測點S14距離軌道近，其聲壓級比測點S18的大，峰值頻率為1 250 Hz。

橋梁跨中截面各測點實測噪聲總聲壓級見圖8。各測點實測聲壓級最大值及對應(yīng)頻率詳見表3。

圖8 橋梁跨中截面各測點實測噪聲總聲壓級(單位：dB(A))

表3 各測點實測聲壓級最大值及對應(yīng)頻率

由圖8和表3可得如下結(jié)論：

(1)測點S1位于箱梁內(nèi)部，腔內(nèi)的混響聲較大，最大聲壓級為79.9 dB(A)，對應(yīng)的峰值頻率為160 Hz，總聲壓級為84.6 dB(A)。

(2)測點S3、S5、S6分別緊靠橋梁底板、腹板、翼板，噪聲源主要為橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，最大聲壓級分別為65.5、61.5、62.3 dB(A)，對應(yīng)的峰值頻率分別為80、125、160 Hz，表明橋梁附近環(huán)境噪聲源主要來自橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，其分布規(guī)律為：橋梁底板結(jié)構(gòu)振動噪聲>翼板噪聲>腹板噪聲，底板結(jié)構(gòu)振動聲壓級最大，且底板輻射面積最大，因而底板振動對橋梁結(jié)構(gòu)振動的貢獻(xiàn)最大。

(3)測點S9、S13、S17均高于鋼軌頂面，噪聲源主要為輪軌噪聲、受電弓噪聲、空氣動力噪聲，最大聲壓級為77.0～83.3 dB(A)，對應(yīng)的峰值頻率為1 250 Hz。

(4)在距離軌道外軌30 m斷面處，4個測點的優(yōu)勢頻率為200～5 000 Hz；噪聲源主要為輪軌噪聲、受電弓噪聲、空氣動力噪聲, 最大聲壓級分別為71.6、72.3、77.0、79.7 dB(A)，峰值頻率分別為800(S15)、1 250 Hz(S16～S18)，總聲壓級分別為81.1、81.9、85.6、87.2 dB(A)。根據(jù)GB 3096—1993《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)定，各類聲環(huán)境功能區(qū)夜間突發(fā)噪聲，其最大聲壓級超過環(huán)境噪聲限值的幅度不得高于15 dB(A)，即不得高于70 dB(A)。表明即使在距離軌道外軌30 m處，夜間高速列車通過橋梁時引起的突發(fā)噪聲超過環(huán)境噪聲限值。

(5)由于列車速度大于300 km/h，輪軌噪聲、受電弓噪聲和空氣動力噪聲為主要噪聲源，高速列車通過橋梁時引起的環(huán)境噪聲容易超過聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。因此，當(dāng)高速鐵路橋梁穿過城區(qū)時，必須采取降噪措施。

3 高速鐵路橋梁環(huán)境振動現(xiàn)場測試

高速鐵路橋梁環(huán)境振動測試是在橋梁一側(cè)自由場地上進(jìn)行。以46#橋墩墩底中心為坐標(biāo)原點，沿與橋梁中心線垂直方向(Y方向)的大地表面布置8個測點，其中V1緊靠橋墩底，距離橋墩中心距離為3 m，其余測點之間的距離見圖9。

圖9 高速鐵路橋梁環(huán)境振動現(xiàn)場試驗測點布置(單位：m)

3.1 大地各測點振動加速度時程曲線及頻譜

測點V5振動加速度時程與頻譜曲線詳見圖10。由圖10可見，代表性測點V5橫向和垂向振動頻率范圍在200 Hz內(nèi)，橫向振動幅值略大于垂向振動。

圖10 測點V5振動加速度時程與頻譜曲線

3.2 大地各測點加速度振級1/3倍頻程分析

各測點1/3倍頻程加速度振級見圖11。

由圖11可見，大地垂、橫向振動的優(yōu)勢頻率為20～63 Hz；在1.00～3.15 Hz范圍，測點V3～V8加速度振級很小；振動能量主要集中在3.15～80.00 Hz；在頻率16 Hz處，有一明顯波谷；距離橋梁中心線5～40 m范圍，垂向振動16、50、80 Hz時分別衰減了18.57、36.91、38.95 dB；橫向振動16、50、80 Hz時衰減了6.29、41.51、26.29 dB；隨著離開橋梁距離的增加，高頻振動衰減快，低頻振動衰減慢，低頻振動傳遞更遠(yuǎn)；近場大地振動包含各種頻率成分；遠(yuǎn)場大地振動以中、低頻為主。

3.3 大地各測點分頻垂向Z振級

大地各測點實測垂向Z振級見圖12，其垂向Z振級最大值及對應(yīng)頻率見表4。由圖12和表4可見，大地振動能量主要集中在3.15～80.00 Hz頻率范圍。V1～V5測點最大Z振級均出現(xiàn)在31.5 Hz，V6測點最大Z振級出現(xiàn)在25 Hz處，遠(yuǎn)場測點V7、V8最大Z振級出現(xiàn)在10 Hz處，再次說明低頻振動傳遞的更遠(yuǎn)。

表4 大地各測點實測垂向Z振級最大值及對應(yīng)頻率

圖12 大地各測點實測垂向Z振級(取12趟列車平均值)

3.4 大地各測點分頻垂向Z振級隨距離的變化規(guī)律

大地各測點分頻Z振級隨距離衰減規(guī)律詳見圖13。由圖13可見，各分頻Z振級隨距離的增加而衰減，但不是線性變化而是呈波動衰減趨勢。在1～16 Hz頻率范圍，Z振級在距離橋梁中心線5 m處有一個明顯下降；在20～63 Hz頻率范圍，Z振級平緩下降，說明大地振動的優(yōu)勢頻率為20～63 Hz。

圖13 大地各測點分頻Z振級隨距離衰減規(guī)律

3.5 大地振動垂向Z振級評價

大地振動各測點實測垂向Z振級詳見圖14，其實測垂向Z振級詳見表5。

圖14 大地振動各測點實測垂向Z振級

表5 大地振動各測點實測垂向Z振級(取15次平均值)

由圖14和表5可見，V1測點與V2測點相距僅2 m，振級接近；V3測點Z振級衰減明顯；V1～V6各測點的垂向Z振級隨著距離的增加，衰減幅度較大，V6測點之后，衰減變緩。在距離橋梁中心線0～40 m范圍，所有測點的垂向Z振級均小于80 dB(Z振級限值為80 dB)，距離橋梁中心線大于20 m的測點，其垂向Z振級均低于城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)65 dB。

4 結(jié)論

通過對高速列車經(jīng)過橋梁時引起的橋梁結(jié)構(gòu)振動、噪聲和環(huán)境振動現(xiàn)場測試，得到如下結(jié)論：

(1)橋梁結(jié)構(gòu)振動優(yōu)勢頻率為31.5～125.0 Hz，峰值頻率為31.5～63.0 Hz，在16 Hz處有一明顯波谷，大于200 Hz時加速度振級急劇下降，因此可用31.5～63.0 Hz頻率進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)減振設(shè)計。

(2)橋梁頂板最大加速度振級為88.59～100.48 dB，對應(yīng)的峰值頻率為31.5、40.0 Hz；橋梁底板最大加速度振級為82.96～94.29 dB，對應(yīng)的峰值頻率為31.5、63.0 Hz，底板對橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻(xiàn)最大。減小橋梁結(jié)構(gòu)噪聲主要應(yīng)針對底板和腹板采取減振降噪措施。

(3)高速列車通過橋梁時引起的環(huán)境噪聲頻率范圍為80～5 000 Hz，近橋梁測點峰值頻率為80～160 Hz，遠(yuǎn)離橋梁測點峰值頻率為800～1 250 Hz；在距離軌道外軌30 m處，噪聲源主要為輪軌噪聲、空氣動力噪聲、受電弓噪聲，最大聲壓級均大于70 dB(A)，總聲壓級均大于80 dB(A)，超過聲環(huán)境限值。因此，當(dāng)高速鐵路橋梁穿過城區(qū)時，必須采取設(shè)置聲屏障等降噪措施。

(4)高速鐵路車-橋耦合振動引起的大地橫向和垂向振動優(yōu)勢頻率為20～63 Hz；距離橋梁中心線大于20 m范圍時，高速鐵路車-橋耦合振動引起的大地振動低于城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)65 dB。