城市轨道交通高架结构噪声研究的进展

韩江龙 吴定俊 李 奇

（同济大学桥梁工程系，200092，上海∥第一作者，博士研究生）

城市轨道交通的高架结构与地下结构相比，具有建设周期短、建设费用低的优势，但噪声污染已成为制约其发展的主要因素。长期以来，国内外相关研究集中在轮轨和车辆等声源产生的中、高频振动噪声方面，而对桥梁结构产生的低频振动噪声研究较少，甚至不被重视。文献［1］认为：声屏障能最大地减小总体噪声并可能是有效的，进一步减小噪声应基于减小轮轨滚动噪声而不是专门去减小桥梁结构噪声。然而，当城市轨道交通的列车速度低于80 km/h时，结构噪声成为高架噪声的主要来源之一［2］。日本也将桥梁结构噪声作为高速铁路主要噪声源之一。总体而言，对高架结构低频噪声的研究近年来逐渐活跃，香港和日本的研究成果可以作为代表。

1 有关桥梁结构声振特性的研究

研究人员通过数值计算与实际测试得到桥梁结构噪声的频率主要分布在0～300Hz范围内，且当列车以不同的速度通过时，不同测点位置的峰值频率多集中在50Hz左右。这表明峰值频率与列车速度的关系不大［3－7］。但文献［2］对上海轨道交通3号线实测数据进行分析，得到桥梁结构噪声峰值频率出现在80～125Hz之间，高于其他研究者的峰值频率。因此，在研究结构噪声的频率特性时可不计车速的影响，将频率控制在300Hz以下。

相关研究认为结构声辐射或声压与列车车速有一定的关系，但目前认识还不统一。日本高速铁路高架线的测试结果表明，距离高架桥线路中心25m时桥梁结构噪声与列车速度有一定的相关性（见图1）［4］。他们对结构噪声的预测公式也体现了列车速度的影响。文献［8］研究了一般边界条件下矩形正交各向异性薄板在移动荷载作用下的振动声辐射问题，其分析表明，移动荷载的速度越大，产生的声压越大。而文献［2］的结论是结构的低频噪声随列车速度的增加无显著变化，其结论不同于前述研究者。因此车速对噪声大小的影响还须作进一步研究。文献［9］认为，车速越低，桥面振动辐射噪声对总噪声的贡献度越大。

文献［5］、［11］对混凝土高架结构的噪声与振动模态进行研究后认为：桥梁整体模态对结构声辐射贡献不大，局部模态的频率高于整体模态的频率，却能够更有效地辐射结构噪声。当以腹板模态进行振动时，腹板边缘的输入阻抗小，如果和中心模态有相当的辐射效率，则频率小于520Hz的腹板模态可能辐射更大的噪声。试验结果也证实，不能假定腹板激振总是增加输入阻抗而有效降低了噪声辐射。结构噪声的峰值主要源于混凝土结构的共振，振动共振比声共振重要得多；为了减少高架结构的结构噪声，振动共振是要分析的一个重要方面。箱形梁腹板的局部模态是平面外的振动模态，其对声辐射的影响要大于腹板平面内随桥梁振动的低频整体模态；而顶板和底板振动的整体模态和局部模态都属于平面外的振动模态，这两种振动模态都能对声辐射有影响，同时局部模态的高频率影响更大。

图1 结构噪声与车速关系［4］

文献［11］指出，箱形梁内部空腔的声场共振可能使桥梁的上下两个面的辐射声增加，关于箱梁内部气体对声场的影响，这一结论并不具有确定性。而文献［12］对空气中两端简支的钢筋混凝土加肋壳体声辐射问题的研究表明，在低频情况下，内部空气对壳体的外部声场的声辐射影响不大，声压级几乎相等。从流固耦合的角度考虑，空气作为轻质流体，与箱梁属于弱耦合，内部流体对刚度和质量都大的结构振动影响很小，难以对外声场形成显著影响。

不同形式的结构声辐射大小还没有形成权威的定论。文献［7］用数值方法计算、比较了单箱单室梁、单箱双室梁和槽型梁在不同跨度和支撑条件下的辐射声压级。得到的结论是：在相同的跨度和支撑条件下，单箱双室梁A权级声压级最小，而单箱单室梁的A权级声压级为最大（见图2、图3），但没有进行运营条件下的实际测试验证。现在进行声压级比较时多使用A权级声压级标准，这一标准对低频噪声削弱较大，由此得到的声辐射比较结果的可靠性还有待进一步研究。

2 有关桥梁结构噪声计算方法的研究

文献［8］用解析法研究了一般边界条件下矩形正交各向异性薄板在移动荷载作用下的振动声辐射问题，根据瑞雷积分和板的动力响应解析解，获得了时域下板周围的声压分布。文献［13］通过Fourier积分变换和稳相法研究箱形梁声辐射问题，得到了空气中无限长混凝土箱形梁声辐射问题的半解析解，但没有进行实际的计算应用。由于现代动力分析考虑了车辆、轨道和结构的相互作用，因系统复杂，很难获得严谨的结构声辐射解析解。

文献［14－16］用统计能量法计算包括桥梁结构辐射噪声在内的总体噪声。但统计能量法适用于解决高频区高模态密集的系统宽带振动噪声。目前应用统计能量法单独计算桥梁结构中、低频噪声的相关文献极少。

中低频区的振动声辐射问题通常采用单元离散法。对结构采用有限元离散，对声场可采用有限元法、边界元法或者无限元法，但有限元法和边界元法都有一个计算量大的问题。文献［17］用有限元分析了多跨连续梁桥，考虑了车桥耦合作用和轨道不平顺，将桥梁的瞬态加速度作为单极子激励源，通过求解亥姆霍兹方程得到声场的声压，但其列车车辆只考虑了两个竖向自由度。

相对于现代车桥耦合振动理论，列车车辆考虑23个甚至更多的自由度数，故文献［17］的模型过于简单，难以更精细地模拟复杂的车桥耦合振动并分析其产生的声场。

3 有关降噪措施的研究

3.1 减隔振降噪

文献［1］、［18］进行了钢轨隔振降噪的研究，发现减小轨道的支撑刚度，可以减小移动荷载传递到桥梁上的动作用力，可降低桥梁产生的噪声，但桥梁振动减小的同时钢轨的振动增加了，产生了高频区噪声，故轨道隔振的整体效果较小。而文献［2］则通过设计新型轨道扣件来降低结构噪声，通过现场测试发现：桥下噪声在几乎所有频段内都有不同程度的降低，特别是结构峰值噪声；总体噪声水平也有显著下降。轨道减振对降低结构噪声作用显著。文献［19］通过数值模拟和试验研究，采用了轨道隔振来降低正交异性板钢箱梁桥的结构噪声，取得了预期效果。香港轨道交通通过设置浮置板道床和弹性轨道支撑板并结合其它综合措施，取得了很好的降噪效果；同时指出仅靠改善结构措施（增加质量和刚度）能够改善低频区的二次噪声水平，但不能消除浮置板噪声，要达到要求的噪声水平，必须采取浮置板道床和弹性轨道支撑板等多项措施［20－21］。可见，通过轨道减隔振可以降低结构噪声和总体噪声，关键是相关各构件之间的刚度要匹配。

通过增加结构的刚度来减小结构振动也是一条降低声辐射的途径。日本进行的板冲击试验表明，板边梁的固定支撑能够增加输入阻抗、减小噪声辐射［22］。其实质是改变边界条件，增加板振动方向的刚度。文献［23］提出了“短接刚性梁法”（见图4），通过改变梁边界条件来减少总体噪声，并试用于上海轨道交通1号线北延伸二标段和轨道交通4号线浦东段。此方法的实质是通过简支梁变连续梁来增加结构的刚度。然而，文献［8］的结论是边界条件确实影响移动荷载产生的声压，板的刚度越大、结构的振动频率越大，移动荷载产生的声压也越大。

增加刚度的另一种方法是设置加劲肋或增加结构厚度。此方法减小了结构振动的均方速度，但增加了声辐射效率，因此声辐射总功率的变化由二者的变化综合决定。如果振动速度的减小不能抵消辐射效率的增加，增加板厚和增设加劲肋会辐射更多的噪声［24］。研究表明，仅改变刚度的光滑圆柱壳不能有效地降低系统的辐射声压级，合理的环向加肋措施可降低结构的辐射声压级［25］。因此，对于增加刚度来减小振动噪声需要综合考虑多种因素的影响，单纯的增加刚度未必能有效地降低噪声。

图4 短接刚性梁［24］

香港轨道交通曾通过修改高架桥截面形状，使腹板直接支撑铁路荷载来降低结构噪声，但文献［10］证实腹板直接支撑铁路荷载，受到激振后会产生局部振动，可以辐射更高的噪声。香港西铁降噪的成功取决于结构改善和设置浮置板道床等综合措施的采用。

3.2 限制振动传播降噪

文献［26］发现带切缝的金属圆锯片在切割铝板时能降低噪声，原因在于切缝割断了振动。此后很多学者研究了圆锯片的开槽降噪技术；而车轮穿孔理论，也是通过穿孔造成声学短路，限制了振动传播来减小车轮的低频噪声［27］。文献［25］提出了梁体开洞降低结构噪声的概念。穿孔和开洞除了限制振动传播还可以减少辐射面积。但以上措施在桥梁中都未见到研究和应用，故其降噪效果与可行性有待研究。

声屏障的降噪原理是限制声波在空气中的传播。研究发现，顶端部分向外倾斜的声屏障对总体噪声的降噪效果优于相同竖直高度的直立式声屏障［28］。这为降低结构噪声提供了一种思路，即改变槽型梁的腹板倾角。

3.3 能量衰减降噪

文献［29－30］讨论了在结构表面粘贴阻尼材料吸收结构振动的能量来降低结构噪声的方法，其中文献［29］还对粘贴位置和面积进行了优化计算。还有在槽型梁的腹板和声屏障的内表面采取粘贴吸声材料来降噪。能量衰减法在降低轮轨噪声中有较多研究与实践。

4 结论与建议

国内外学者多年的研究结果可归纳为如下结论：

1）高架结构噪声是低频噪声。其频率主要分布在300Hz以内，且峰值频率多集中在100Hz以下。局部振动模态对结构噪声有重要影响。

2）目前声振分析都采用数值方法，工作量很大，对车－轨－桥耦合振动考虑得还不够细致。文献［13］提出的箱梁结构的半解析解未见应用，有待检验。

3）最常用的降噪措施是轨道和梁体的减隔振。对于采取结构措施进行降噪的相关研究，尤其是设置加劲肋和修改截面形式的措施现在还没有定论。

4）目前对槽型梁和T型梁的研究是空白，更鲜有对箱型梁、槽型梁和T型梁的比较。不同结构型式在应用中产生的噪声大小还无权威性定论。

目前城市轨道交通建设如火如荼，轮轨噪声已经有了一定幅度的降低，进一步降低总体噪声亟需解决结构噪声问题。建议对如下方面进行深入研究：

1）近年槽型梁在轻轨中应用增多，而且板厚只有20多cm，其结构噪声很大，亟需研究解决箱型梁和槽型梁在不同条件下的噪声优劣问题。

2）由于车－轨－桥系统的复杂性，难以找到声场的解析解，但可尝试寻找适用的能进行定性分析的半解析解，以便对降噪进行理论指导。

3）开槽、开洞的措施也只是处于概念阶段，可进行尝试。

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