混凝土箱梁的结构噪声及其影响因素
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第48卷第3期2013年6月西南交通大学学报JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITYVol.48No.3Jun. 2013
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（51008250）； 新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET-10-0701）； 国家863计划资助项目（2011AA11A103）； 高等学校博士点基金资助项目（20110184110020）
作者简介： 张迅（1985-），男，讲师，博士，研究方向为桥梁结构减振降噪，电话：15902820405，E-mail：
通讯作者： 李小珍（1970-），男，教授，博士生导师，研究方向为车桥耦合振动，电话：13880808086，E-mail：
文章编号： 0258-2724（2013）03-0409-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.003
摘要：为探讨箱梁的结构噪声及其影响因素，以跨度32 m的混凝土简支箱梁为研究对象，采用混合有限元-边界元法进行数值仿真，并进行了现场试验验证.在此基础上，探讨了板厚和腹板倾角对箱梁结构噪声的影响规律.研究结果表明：混合有限元-边界元法适用于箱梁的结构噪声分析；箱梁振动和结构噪声的主要频率范围分别为40.0～125.0 Hz和31.5～100.0 Hz，底板附近在63.0 Hz出现噪声峰值；增大板厚能降低箱梁结构噪声，且增大顶板厚度最有效；当腹板倾角为0°～12°时，箱梁的结构噪声较小.
关键词：箱梁；结构噪声；振动；数值仿真；现场试验；影响因素
中图分类号： U24； TB53文献标志码： A
列车通过桥梁时，振动能量经过轨道结构传递到桥面及其他桥梁构件，并激发其振动，形成一个个“声板”，这部分噪声源称之为“结构噪声”.桥梁结构噪声频率较低，在空气中传播时，具有衰减慢、穿透力强，难以隔断等特点，长期处于低频噪声环境中的人容易产生莫名其妙的失眠、头痛、耳鸣、胸闷等症状，对人的身心健康带来极大的危害.
国外对桥梁结构噪声的研究较早，并进行了一系列理论和现场实测研究，其中以英国南安普顿大学声振研究所的研究最具代表性[1].日本学者研究了公路桥梁低频噪声（包括次声）带来的危害，并制定了相关法律法规[2].在国内，谢旭等研究了公路钢桥在汽车荷载作用下的振动声辐射问题，并从改善路面粗糙度、提高桥面板刚度等角度探讨了降噪措施[3-5].谢伟平等为探讨轨道箱形梁结构噪声产生的机理，对空气中混凝土圆柱壳在简谐荷载作用下的结构噪声进行了理论研究[6-7].李奇等通过车-线-桥耦合振动分析研究了桥梁的振动响应，基于边界元法求得了模态声传递向量，研究了轨道交通混凝土U形梁的声辐射特性[8].夏禾等以北京地铁高架桥为研究对象，进行了桥梁结构噪声的试验研究，推导了结构振动加速度与辐射声压之间的关系，实现了轨道交通高架结构辐射噪声的预测[9-11].李小珍等采用边界元法对混凝土简支箱梁的结构噪声进行了理论分析，得到了地面声反射、声屏障、列车速度、墩高等外界因素及箱梁纵隔板对桥梁结构噪声的影响规律[12-13].
不同结构形式的桥梁，其振动声辐射特性不同，由此可以考虑通过改变桥梁结构形式达到减振、降噪的目的.如果能找出最“安静”的桥梁结构或截面形式等，将是桥梁工程师最乐意看到的结果.为此，本文以某城际铁路跨度32 m的混凝土简支箱梁为研究对象，通过混合有限元-边界元法进行箱梁结构噪声的理论求解，并进行了现场试验验证.在此基础上，分析了板厚和腹板倾角这2个重要设计参数对箱梁结构噪声的影响规律，研究结果可供降低桥梁噪声参考.
1
混合有限元-边界元法
振动为噪声之源，对于桥梁结构振动声辐射问题，桥梁振动响应可基于有限元法，通过车-线-桥耦合振动分析求得，这已成为一种成熟的方法[14-15].但是，对于无限域的外场声辐射问题，声学有限元法的剖分截止边界难以确定，且计算量极大，故其主要用于研究简单结构在中、低频激励下的内场声辐射问题.边界元法基于格林公式，把一个区域上的积分转化为该区域边界上的积分，具有降维、误差小和适用于无穷域等优点，并逐渐被用来求解声学问题.因此，将两者有机结合起来的混合有限元-边界元法成为目前工程中最常用的数值方法，该方法在理论上可以求解具有任意表面形状的复杂弹性结构的振动声辐射问题.
2
数值算例及试验验证
2.1
试验概况
某城际铁路跨度32 m的混凝土简支箱梁为单箱单室结构，梁体全长32.600 m，高2.354 m，宽7.150 m.顶板厚0.30～0.40 m，腹板厚0.30～0.60 m，底板厚0.28～0.60 m；设计活载ZC活载，设计速度200 km/h；采用C50混凝土，二期恒载97.1 kN/m；桥上装有遮板，高1.65 m，无声屏障.
试验桥位于空旷的乡村田野中，背景噪声可忽略不计，且周围无明显的声反射障碍物.
振动及噪声测点布置在跨中横断面（图1），其中，A1～A3为加速度传感器，分别垂直紧贴于底板、腹板和翼板中心；N1～N3为麦克风，分别距底板、腹板和翼板中心0.3 m；底板底面距地面的高度为3.5 m.实测车速为198 km/h.
2.2
试验比较
将箱梁采用四节点板单元模拟，采用自编车-线-桥耦合振动分析程序BDAP 2.0分析桥梁振动响应[14-15].在此基础上，将桥梁振动响应作为结构噪声的振动边界输入，采用边界元法分析该箱梁的结构噪声.
振动加速度级（简称“振级”）是描述结构振动强弱的指标.图2给出了测点A1～A3的实测法向振级，可见：
（1） 各测点的振动在63.0 Hz附近出现振动峰值，40.0～125.0 Hz为结构振动的主要频率范围；
（2） 随频率增大，振级逐渐降低；
（3） 总体而言，底板的法向振级最大，翼板次之，腹板最小.
图3给出了测点N1～N3声压级的实测值与理论值的比较.可见：
（1） 各测点的声压级频谱曲线理论值与实测值比较接近；
（2） 箱梁结构噪声的频率较低，主要分布在31.5～100.0 Hz范围内；
（3） 总体而言，底板附近的声压级最大，翼板次之，腹板最小，这与振级的相对大小一致；
（4） 腹板与翼板附近的声压级频谱曲线比较一致，这是由于声波在此范围可以自由传播，而在底板附近，声压级则完全是由于底板的振动引起的；
（5） 底板附近在63.0 Hz的声压级最大，主要原因是振动与辐射效率均较高[1].
3
影响参数分析
为了考察结构参数对箱梁结构噪声的影响规律，以该箱梁为研究对象，假设梁底距地面10 m.采用国产CRH2动车组进行分析，列车编组为6节动车与2节拖车（6M2T），共8节，速度200 km/h，轨道不平顺取德国低干扰谱.图4给出了考察场点的位置.
3.1
板厚
设该混凝土简支箱梁的顶板、底板和腹板厚度分别为t1、t2和t3.图5给出了顶板、底板和腹板厚度变化时，箱梁前10阶自振频率的变化曲线.
由于板厚增大，一方面结构的刚度增大，另一方面结构的自重增大，使得结构自振频率的变化较为复杂.对于高阶次自振频率，主要为箱梁顶板、底板的局部振动；板越厚，结构的自振频率越大，此时，自重对振动频率的影响弱于刚度的影响.
图6给出了顶板、底板和腹板厚度分别变化时，场点S01～S12总体声压级的变化曲线.总体声压级是对各频率成分的噪声进行叠加的结果，反映噪声的总体大小.从图6可见：
（1） 随顶板、底板和腹板厚度增大，场点总体声压级降低，但降低幅度随板厚增大而逐渐减小.
（2） 场点总体声压级对顶板厚度最敏感，对腹板次之，对底板最不敏感，原因是顶板直接承受车辆荷载，然后传递给腹板，最后到达底板.顶板刚度（板厚）对列车作用下结构的振动响应影响最大，因而对结构噪声的影响最大.
（3） 根据板厚对结构辐射噪声的影响规律，可以适当增大箱梁顶板厚度，这样能显著降低结构噪声.同时，在满足结构静、动力受力性能的前提下，可以适当减小腹板和底板（特别是底板）的厚度，以减轻结构自重，而又对结构噪声的影响较小.
3.2
腹板倾角
该混凝土简支箱梁的腹板倾角为24°.保持底板横向宽度不变，考察腹板倾角分别为12°和0°时（此时翼板变宽，顶板变窄），箱梁结构噪声的变化.表1给出了腹板倾角变化时，箱梁前8阶自振频率.可见：腹板倾角改变后，结构的一阶竖弯频率变化较小.
图7～8分别给出了腹板倾角变化时，场点的总体声压级、箱梁平均法向振动速度变化曲线.可见：
（1） 腹板倾角为24°时，箱梁结构噪声最大，结构的平均法向振动速度也最大.
（2） 腹板倾角为12°和0°时，场点总体声压级降低较多；总体而言，腹板倾角越小，场点总体声压级越低.腹板倾角为0°和12°时，场点声压级相差较小，即降噪效果相当.
（3） 腹板倾角越小，腹板对顶板的“支承”作用越好，箱梁的整体阻抗随之增大，导纳降低.由此可以推测，如果2个腹板恰好位于2股钢轨（单线）的中心线下时，箱梁的整体阻抗最大，其降噪效果也会最好.
（4） 设计时，应对箱梁腹板参数，如位置、厚度、角度等进行重点分析，在满足结构静、动力受力性能以及美观、节省材料的基础上，设计出更“安静”的桥梁.
4
结论
通过对跨度32 m的混凝土简支箱梁结构噪声的理论分析和试验研究，可以得到以下结论：
（1） 对于箱梁结构噪声问题，以车-线-桥耦合振动为基础求解桥梁振动响应，并将其作为边界元分析的振动边界输入，这种混合有限元-边界元法适用于箱梁结构的噪声分析.
（2） 箱梁振动和结构噪声的主要频率范围分别是40.0～125.0 Hz和31.5～100.0 Hz.底板附近的声压级最大，翼板次之，腹板最小.底板附近在63.0 Hz出现噪声峰值，降噪时可优先考虑削弱此频段的结构噪声.
（3） 板厚是影响结构噪声的重要因素，为减小箱梁振动和降低结构噪声，应增大顶板厚度，减小底板厚度.
（4） 腹板倾角越小，对顶板的支撑效果越好，结构噪声越低.腹板倾角为0°～12°时，箱梁的结构噪声较小.
致谢：感谢西南交通大学扬华之星项目资助.
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