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原文传递轨道交通高架结构振动噪声建模、预测与控制研究

论文题名：	轨道交通高架结构振动噪声建模、预测与控制研究
关键词：	轨道交通;高架桥;结构振动;噪声建模;预测;浮置板轨道;隔振性能;轨道模型;声功率级;弹性扣件;结构噪声;声辐射效率;支承块轨道;整体道床轨道;轮轨;计算;刚度;频段;车辆;振动和噪声
摘要：	与路面线路相比,列车驶经高架线路时道侧噪声级增加2～20 dBA。因此,控制高架桥结构噪声显得十分重要。列车通过高架桥时,轮轨踏面不平顺引起的轮轨动态作用力经由轨道支承传递到高架桥,导致桥梁结构振动和噪声辐射。采取轨道隔振措施减少传递到高架桥的振动能量可有效地控制高架桥结构噪声。只有深入研究高弹性扣件、弹性支承块和浮置板等轨道隔振技术对高架桥结构的降噪效果,方可为工程中减振降噪选型提供理论依据。这些研究需要相应的轨道模型和高架桥结构振动与噪声预测模型。浮置板轨道因具有高效隔振效果而倍受青睐,但其力学模型和隔振性能研究有待完善,应用中存在一些关键问题亟待解决,如车辆通过浮置板/普通轨道连接处时轨道刚度差引起的轮轨冲击问题,浮置板结构噪声问题。　　本文以高架桥结构噪声控制为目标,结合频域轮轨相互作用模型和高架桥有限元/边界元模型提出了高架桥结构振动和噪声的预测方法:采用频域单车轮-轨道垂向作用模型计算高架桥激励力,然后利用有限元/边界元法计算高架桥结构振动和噪声。借助现场测试结果定性地验证了模型的有效性。根据所提出的减振轨道模型和高架桥结构噪声预测方法,通过数值仿真研究了高弹性扣件、弹性支承块和浮置板轨道的隔振性能及降噪效果。其次,通过仿真计算对车辆通过浮置板/普通轨道连接处时的轮轨冲击响应问题和浮置板结构噪声辐射问题进行了理论分析。具体来讲,本文所开展的研究内容及获得的主要结论如下: 　　 (1)建立了车辆-轨枕埋入式整体道床轨道-高架桥耦合系统的功率流分析模型。通过仿真分析发现,当扣件刚度小于200 MN/m时,不考虑车辆-轨道系统与高架桥的耦合作用所引起的1/3倍频程带平均误差小于1.5 dB,所以计算中可不考虑两者之间的耦合作用。　　 (2)建立了轨枕埋入式整体道床轨道、弹性支承块轨道和浮置板轨道的频域一维力学模型及二维浮置板轨道模型,通过数值计算深入研究了轨道隔振性能。结果表明,浮置板轨道隔振性能最好；在高频段弹性支承块轨道隔振性能优于刚度为6 MN/m的高弹性扣件,但在中频段不如高弹性扣件。浮置板-弹性支承系统的弹性振动模态对中高频段的轨道隔振性能有显著影响,在系统固有频率附近轨道隔振性能降低,但浮置板长度对轨道隔振性能影响不大。轮对载荷差异将激起更多的浮置板振动模态,尤其是浮置板横向反对称模态,此时轨道隔振性能降低。当轮对载荷对称时,可采用一维浮置板轨道模型。　　 (3)利用有限元/边界元法研究了高架桥结构振动和声辐射特性,提出了由有限元分析结果计算高架桥表面法向振动速度的方法。高架桥振动能量和声功率主要集中于100 Hz以下频段,在车轮-轨道系统固有频率处呈现峰值；在200 Hz以上频段箱梁高架桥振动能量和声功率主要来自顶板。高架桥声辐射效率计算结果表明,200 Hz以上频段箱梁高架桥项板、翼板、腹板和底板的声辐射效率差异不大,略等于1；200 Hz以下频段,项板的声辐射效率最高、底板和腹板次之,由于低频段“声短路”效应翼板声辐射效率最低。　　 (4)轨道隔振措施的降噪效果研究表明,扣件刚度每降低10倍,高架桥结构A计权总声功率级约降低14.4 dBA；与扣件刚度为60 MN/m的整体道床轨道相比,刚度为6 MN/m的高弹性扣件、弹性支承块轨道(支承块质量为90 kg,支承刚度为25 MN/m)和浮置板轨道(隔振频率为18 Hz)对高架桥结构的降噪量分别为16.5 dBA、10.7 dBA和28.5 dBA。高架桥结构和钢轨扣件损耗因子每增加一倍,则高架桥总声功率级分别降低约3.0 dBA和1.5 dBA；车辆速度每提高一倍,则高架桥总声功率级约增加5.5 dBA。减振轨道对高架桥结构的隔振量和降噪量基本成线性关系。　　 (5)应用所建立的时域车辆-浮置板/普通轨道垂向耦合动力学模型计算分析了车辆通过两种轨道连接处的动态响应,发现在正常车速(40～120 km/h)下轨道刚度差引起的轮轨冲击力较小,故理论上可不必专门设置过渡段。车辆通过浮置板轨道段时,轨道刚度的周期变化引起轮轨系统的参数激励振动。参激振动引起的轮轨载荷随车速提高而增加,但小于轮轨冲击载荷。其次,用单元辐射叠加法建立了浮置板辐射声功率预测模型。计算结果表明,采用普通钢轨扣件时高架桥跨度内所有浮置板声功率之和大于桥体辐射声功率。增加板厚或减小板长均可降低浮置板噪声；与普通扣件(60 MN/m)相比,高弹性扣件(6 MN/m)可使浮置板A计权总声功率级降低约15 dBA。
作者：	李增光
专业：	机械设计及理论
导师：	吴天行
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文