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原文传递高速铁路32m简支箱梁结构噪声研究

论文题名：	高速铁路32m简支箱梁结构噪声研究
关键词：	高速铁路;结构噪声;简支箱梁桥;振动声辐射;仿真分析;瞬态动力分析
摘要：	自1964年日本建成世界上第一条高速铁路起，世界高速铁路的发展经历了三次高潮，以日本、法国、意大利、德国等最具代表性。高速铁路的发展共分为三个阶段:20世纪60年代至80年代末为第一次发展高潮，90年代初为第二次高潮，以及90年代中后期的第三次建设高潮。　　我国高速铁路建设起步较晚，但是起点高，发展迅速，并且具备独立自主的高速铁路技术，迎来了我国高速铁路建设的高峰期。截止2013年底，我国高铁里程1.1万千米，居世界第一，占世界高速铁路总里程的约50％，在建高铁规模达1.2万千米。世界其他国家和地区高铁总里程1.1605万千米，在建高铁规模4883千米，规划建设高铁1.257千米。　　伴随着高速铁路的发展，高铁桥梁结构的振动和噪声问题也受到社会越来越多的关注。本文简要介绍了高速运行列车与结构动力相互作用研究历史，分析了车辆荷载的演变过程和桥梁结构的简化模型。高速铁路具有高速、高架、电气化等特点，其辐射噪声与一般的铁路有所不同。高速铁路的噪声包括:轮轨噪声、桥梁结构噪声、空气动力噪声、集电系统噪声等。本文总结了桥梁结构噪声的产生机理、特性、计算和降低桥梁结构噪声的研究现状。桥梁结构噪声以低频噪声为主，主要集中在200Hz以下，其传播距离比高频噪声更远，传播范围更广且衰减更慢。如果人长期处于低频噪声的环境，容易神经衰弱、失眠等，因此低频噪声在医学界被称为“隐形杀手”。文章具体分析了日本和香港对桥梁结构辐射噪声的研究情况和异同点。此外总结了通过改变轨道结构、改变结构边界条件、改变板厚和加肋、改变桥梁结构的截面形式和设置阻尼层或调频质量阻尼器等几种降低桥梁结构噪声的方式。　　本文介绍了进行声音主客观评价时常用的声学指标:响度级、响度、声级和计权声级;在进行轨道交通噪声评价时采用的评价物理量:等效连续声级、昼夜等效声级、声暴露级、累计百分声级、交通噪声指数和噪声评价指数。简单介绍了国内外低频噪声的限值和评价标准，它们对于低频噪的规定，有些是专门针对铁路或地铁的结构噪声，其它通常是针对室内低频噪声的，但是这些规范有时也被用作铁路或地铁项目振动噪声评估的参考依据。各国对低频噪声的频率范围未达成共识，但大多限定在16～250Hz。室内噪声的常采用的声级也不尽相同，中国、瑞士等一般采用等效A声级LpAeq，美国采用最大A声级LpAmax，而ISO、澳大利亚同时采用两个指标。LpAmax和LpAeq的不同在于:前者与人睡眠质量相关，而后者与人的生活质量相关。德国、瑞典等国家同时采用LAeq和LCeq，且当LCeq-LAeq＞15～20dB，认定含有低频噪声成分。各国标准的限值范围不尽相同:LpAmax变化范围为30～45dB，LpAeq变化范围为25～40dB，不相同的原因可能是由于标准侧重的噪声（结构噪声、空气噪声、低频噪声等）来自于建筑物内、外不同的声源。各国最大声级以LpASmax（时间常数:慢）为主，只有挪威和瑞典采用LpAFmax（时间常数:快）。LpAFmax一般比LpASmax大1～2dB。对于低频噪声的测量，50Hz以下的噪声测量难度大于50Hz以上噪声的测量难度。杨宜谦全面分析了世界各国的结构（低频）噪声标准。从使用范围、计权方式、限值范围、评价指标等方面进行比较研究这些标准的异同点，方便进行桥梁结构低频噪声的科学评价。为我国完善高速铁路振动、低频噪声评价标准提供科学的理论依据和参考意见。　　桥梁结构在车辆荷载作用下会产生振动，振动就会相应地产生噪声。所以研究桥梁结构噪声的研究分为桥梁振动分析和声辐射分析两部分。进行桥梁振动分析时，将采用两种车辆模型:移动荷载列模型和移动质量模型。移动荷载模型不考虑列车与桥梁的耦合动力作用，忽略车辆自重惯性力对桥梁振动的影响。移动质量模型考虑移动质量惯性力对桥梁的冲击作用，ANSYS计算利用生死单元，根据移动速度，在质量块到达的节点处都建立质量单元，然后利用质量单元MASS21的生死技术，杀死到达位置前的质量单元，激活到达处的质量单元。　　文章系统地归纳了通过有限元-边界元解决桥梁结构振动声辐射问题的计算原理。说明了有限元软件ANSYS进行瞬态仿真分析的科学、可信性;然后介绍了以波动方程为基础的时域内声场求解方法和以Helmholts方程为基础的频域求解方法;并且简要介绍了应用声学软件Virtual.LabAcoustics计算结构辐射噪声的基本要求和步骤。值得一提的是，本文所使用的声辐射边界元法包含时域、频域两种分析方法，对桥梁结构辐射噪声边值问题的研究具有极大优势。　　本文基于有限元—边界元理论，进行了高速列车过桥的仿真分析，以此为基础进行了桥梁结构辐射噪声的计算分析。以32m筒支箱梁为模型，移动荷载模型采用两种:移动荷载列和移动质量模型。分别计算桥梁结构的振动特性和桥梁周围的辐射噪声。桥梁结构振动特性的计算以车-桥系统动力相互作用分析为基础，采用通用有限元软件ANSYS的模态分析模块进行桥梁自振特性的计算分析，然后利用ANSYS动力分析进行列车过桥的瞬态动力分析。对于桥梁周围的辐射噪声的计算，将有限元模型导入声学软件Virtual.Lab Acoustics作为计算网格，瞬态分析的数据文件作为声学边界条件，利用Virtual.Lab Acoustics的瞬态边界元模块进行时域声学计算，然后利用DSP工具将时域声学转换到频域内。此外，通过桥梁跨中附近建立的场点和网格考察周围声场特性，也分析了空间声场的分布状况。　　在桥梁振动特性仿真分析阶段，移动质量模型计算得到的竖向位移响应小于移动荷载列模型，但是由于车辆重力的影响，前者计算得到加速度响应大于后者，这主要是由于列车运行时直接作用在了顶板上，力和振动响应经过腹板传递到底板，能量得到一定的衰减，所以对底板的影响小于顶板。Virtual.Lab Acoustics时域声学的计算则是以节点的位移响应为边界条件，所以移动质量模型的计算声场大于移动荷载列模型的计算声场，同一个场点的Z声级两者之差最大能达到2.57dB。箱梁底部P1～P4的声场一般会随着高度的降低而逐渐衰弱，但是由于地面的反射作用，靠近地面的声场会出现增大现象;处于距地面1.2m高度的P4～P9场点的声场一般随着距桥梁中心线距离的增大而出现衰减趋势;在距离桥梁中心线25m处P9～P13场点的声场随着距离地面高度的增大呈增大趋势。通过Z声级频谱分析可知，底板下方的场点Z声级频谱峰值点频率和底板加速度峰值点频率基本一致，说明底板下方的声场主要受底板振动的影响;同样，箱梁远方的场点Z声级频谱峰值点频率和顶板加速度峰值点频率基本一致，说明箱梁项板的振动对远离箱梁中心线的场点影响更大。　　本文通过改变桥梁、车辆参数来研究其对振动和辐射噪声的影响程度，为指导工程实践进行减振降噪提供了理论依据。文章采用移动荷载列模型分析了高速列车通过32m双线简支箱梁的振动响应和辐射噪声。通过改变桥梁、车辆的某一个参数来分析桥梁的振动和噪声变化，确定其对噪声的影响程度。桥梁板厚增加，则辐射噪声减小，反之增大。当板厚减小时，腹板对辐射噪声的影响程度大于顶板和底板;但当板厚增大时，顶板对辐射噪声的影响程度更大。通过板块贡献量分析，顶板和底板对场点声压的贡献远远大于腹板的贡献量。因此优化箱梁顶板、底板和腹板的厚度能够实现降低噪声的目的。随着桥梁阻尼比的增加，桥梁的动挠度、加速度最大值逐渐减小，而且动挠度、加速度与阻尼比均呈非线性关系;阻尼比越大振动减小的越慢。场点辐射噪声与桥梁振动特性变化规律一致，也是随着阻尼比的增大而减小。弹性模量按0.5E的间隔增加到1.5E的过程中，振动逐渐减小，而场点辐射声压先减小，从1.25E到1.5E时则出现了增大现象。声场辐射噪声计算中，是否考虑地面反射是一个重要的影响因素。通过计算发现，P4～P9场点考虑地面反射时的A声级都大于不考虑地面反射时的A声级，它们在两种情形下A声级两者之差平均为4.09dB(A)。通过改变列车过桥的速度发现，桥梁的振动和辐射噪声都随着速度的增大而增大。现在铁路桥梁大多数为双线桥梁，通过对单线列车过桥和双线相向同时过桥分析，双线列车过桥时桥梁的振动数值是单线振动的2倍，辐射声场内场点的声压也是显著增大。
作者：	李宝银
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	杨宜谦
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2014
正文语种：	中文