高速铁路沥青混凝土轨下基础振动噪声性能评估

邱延峻, 丁海波, 章天杨, 阳恩慧

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学道路工程四川省重点实验室, 四川 成都 610031)

高速铁路沥青混凝土轨下基础振动噪声性能评估

邱延峻1,2, 丁海波1,2, 章天杨1,2, 阳恩慧1,2

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学道路工程四川省重点实验室, 四川 成都 610031)

为比较不同轨下基础噪声水平,通过ABAQUS建立声-固耦合模型,模拟结构振动产生的声场中的噪声变化.选取声场中的声压值转化得到的声压级值作为定量评价两种沥青混凝土轨下基础(ACRS-1型、ACRS-2型)和普通板式(SlabTrack)结构产生的噪声水平.结果表明,选用的声-固耦合模型可以较好地评估不同轨下基础下噪声.比较3种轨下基础结构可以发现,总体上, ACRS-1型和ACRS-2型结构要比普通板式结构的噪声要低,特别是ACRS-2型结构,比其他两种结构的噪声均要低.噪声降低的幅值出现在0.01、0.02、0.03 s附近,尤其在0.02 s附近, ACRS-2型结构低于普通板式结构的噪声幅值10～20 dB, ACRS-1型结构低于普通板式结构的噪声幅值5 dB左右.

声-固耦合;沥青混凝土;基础;轨道;噪声

随着我国铁路从普通铁路向高速铁路的不断发展,对轨下基础结构性能的要求越来越高,特别是随着我国高铁走出去国家战略的实施,莫斯科至喀山高速铁路等一系列国外高铁项目的中标,对于不同严峻的地域和环境条件下高速运行条件下轨下基础结构的安全性、稳定性和耐久性方面提出了更高的要求.目前我国高速铁路无砟轨道形式以水泥混凝土为主,而水泥混凝土冬季干缩大易开裂、抗变形能力较差、开裂时维修困难,此外高速列车运行通过时产生的振动噪声较大.尤其对轻轨、城际铁路、市郊铁路而言,全线有相当比例线路穿越人群密集的城市区域,随着我国城市化进程的不断加快,城市轨道交通密度与群众轨道交通使用率不断增加,铁路振动及其引起的噪声问题日益突出.

国内外学者对轨道交通环境振动与振动噪声进行了大量的研究,谢素明等[1]采用有限元法、边界元和声波传递向量相结合的方法,通过商业有限元软件ANSYS和SYSNOISE软件,基于仿真手段研究了吸声材料的运用和车身阻尼材料的涂敷对声学特性的影响,结果表明,阻尼材料除了可以改变部件的振动幅值,也可以改变振动发生的相位.郑拯宇等[2]对高速行驶列车所产生的噪声进行了分析,采用流体力学数值仿真技术进行声场分析,提出了基于噪声的优化列车车身设计方法.徐志胜等[3]研究了轨道结构特性对轮轨相互作用产生的噪声的影响,结果表明轨道结构的刚度水平对轮轨噪声具有显著的影响,刚度增大对降噪越不利.杜健等[4]研究表明,受电弓气动噪声随着列车运行速度的增加而显著提高.此外,方锐等[5]采用声学边界元法计算轨道结构各组成部分参数对声辐射影响的研究也表明,轨枕刚度、道床刚度等参数对钢轨、轨枕的声场强度的影响程度不同,道床刚度可以改变轨枕低频部分的声场强度值,可通过改变轨道各层的结构参数特性来达到轨道减振降噪的目的.王昌林等[6-7]的相关研究表明,提高轨下基础的柔韧性可以从振动产生的来源上降低钢轨产生的振动,从而起到降低轨道噪声的效果.

从以上学者的研究可以看出,降低轨下结构层材料的刚度,同时增加其阻尼比有利于减小高速列车行车荷载引起的振动以及由此产生的噪声.此外,在轨道交通振动研究方面, Auersch等[8]研究认为,在轨道交通引起的振动当中的高频部分主要是由机车车轮的振动引起,低频部分主要是由于轨道的振动引起. Remington等[9]采用轮轨耦合相互作用解释了轮轨噪声产生的原因,同时建立了轨道噪声的预测模型.

另一方面,沥青混凝土作为公路路面的一种粘弹性材料,不仅广泛用于公路面层,也适用于公路的基层,其在承载能力、防水、减振、耐久性等方面的长期实践表明，均能满足性能的要求.国内外将沥青混凝土用于轨下基础也进行了一定的实践与研究,日本《铁路结构设计标准(土结构物)》提出了沥青混凝土强化机床表层设计方法,德国GETRACK轨道结构形式也引入沥青混凝土层[10-11].我国京津城际无砟轨道和武广客专武汉综合试验段也采用沥青混凝土层作为轨道路基面防水层[12-13].美国的J. G. Rose教授课题组也对沥青混凝土的阻尼特性进行了系统的试验研究,表明沥青混凝土具有良好的阻尼效果[14].目前铁路沥青混凝土的应用已经由铁路两侧的路基面防水逐渐到面层式轨下基床表层.鉴于沥青混凝土优良的保温与防水性能,中铁二院中标的莫斯科至喀山穿越季冻区,最高时速达400 km的高速铁路基床表层结构也拟采用沥青混凝土,可以预见,铁路沥青混凝土的应用前景将越来越广阔.

虽然国内外对沥青混凝土轨下基础进行了一些研究及应用,但关于沥青混凝土轨下基础在削弱振动及振动噪声方面的研究仍较为缺乏,国内外对沥青混凝土作为轨下基础降噪方面评价仅局限于经验性的判断,缺乏定量的数据描述,且沥青混凝土全断面轨下基础工程实践应用鲜有报道.因此,有必要探寻沥青混凝土全断面轨下新型基础结构形式的降振减噪特性,从而为大范围的推广沥青混凝土全断面轨下结构形式提供更多的依据.

本文通过ABAQUS建立声-固耦合模型,模拟结构振动产生的声场中的噪声变化.主要计算参数选取声场中的声压值转化得到的声压级值,以此来定量评价两种沥青混凝土全断面轨下基础结构形式,即ACRS-1型(沥青混凝土基床)、ACRS-2型(沥青混凝土支承层)[15]和普通板式(SlabTrack)结构产生的噪声水平,从而揭示沥青混凝土轨下基础减振降噪的机理.

1 噪声计算有限元模型的建立

1.1 沥青混凝土层模拟

按设计要求,沥青层的空隙率控制在1%～3%,本文计算取目标空隙率为2%.在ABAQUS有限元计算模拟中,沥青混凝土空隙率的模拟如图1所示.

沥青混凝土层的长宽尺寸为3 m×2 m,以方孔模拟孔隙,均匀布置,方孔贯穿沥青层,孔径为e,孔距为dc,dc+e=0.2 m.计算得dc=0.025 m,e=0.175 m.沥青混凝土层表面孔布置如图2所示.

图1 孔隙率模拟示意Fig.1 Schematic diagram of porosity simulation

图2 表面孔布置示意(局部)Fig.2 Layout of the surface pores (local diagram)

1.2 轮轨耦合模型

采用激振力函数模拟列车荷载,简化形式为

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F(t)=P0+P1sinωt,

(1)

式中:P0为单边静轮载;P1为对应于动力附加荷载的振动荷载.

假设列车簧下质量为M0,相应的振动荷载幅值为P1=M0αω2,其中,α为矢高,ω为振动波长的圆频率,ω=2πv/L(v为列车运行速度,L为振动荷载波长m).取单边静轮重125 kN,M0=750 kg,α=0.4 mm,L=2 m,v=200 km/h,则列车荷载为

F(t)=125×103+9.13×103sin(174t).

(2)

钢轨采用60 kg/m的钢轨,钢轨断面尺寸参数如表1所示.将车轮考虑为厚度同钢轨顶面宽度的圆盘,车轮直径915 mm.

表1 60 kg/m钢轨断面尺寸参数Tab.1 Cross-section parameters of the rail of 60 kg/m type

为了简化ABAQUS中有限元的模拟的钢轨断面为工字钢.采用的车轮有限元模型及轮轨耦合有限元模型如图3所示

图3 轮轨接触有限元模型Fig.3 Finite element model for weel-rail contact

ABAQUS有限元软件中建模时采用AC3D20的三维声学单元对网格进行划分以表示声场,声场的边界条件定义为*Acoustic impedance,可用来表示声波向外传播形成的声场.建模时的结构模型采用C3D8R的实体单元来进行有限元的网格划分,接触模型选择*tie的接触模型,从而使得结构物和结构物外部的大气形成耦合效应,结构物的钢轨形成的振动可以传播到大气中,产生大气振动,而大气的振动即为噪声.大气具体的计算参数选取1.2 kg/m3,体积模量选择为142 kPa.轮轨噪音有限元耦合模型(切片)如图4所示.

图4 轮轨噪音有限元耦合模型(切片)Fig.4 Wheel-rail noise finite element coupling model (section)

2 不同轨下基础下结构的噪声分析

2.1 有限元噪声分布云图

ACRS-1型结构、ACRS-2型结构和SlabTrack3种轨下基础结构不同时刻的噪声分布云图如图5～8所示.

(a)0.004s(b)0.008s(c)0.016s(d)0.032s图5 ACRS-1型结构噪声分布云图Fig.5 NoisenephogramoftheACRS-1typestructure

(a)0.004s(b)0.008s(c)0.016s(d)0.032s图6 ACRS-2型结构噪声分布云图Fig.6 NoisenephogramoftheACRS-2typestructure

(a)0.004s(b)0.008s(c)0.016s(d)0.032s图7 SlabTrack结构噪声分布云图Fig.7 Noisenephogramoftheslabtracktypestructure

从以上ACRS-1型结构、ACRS-2型结构和SlabTrack结构三者的有限元噪声响应图中可以看出,随着时间的增长,有限元响应的声压幅值逐步减少,总体上在0.004 s时,声压幅值最大,在0.008、0.016 s时,有限元的声压幅值有所降低,当达到0.032 s时,有限元声压幅值响应为最小.此外还可以看出,列车产生噪声的来源主要为车轮的表面以及轨道钢轨的表面,而采用有限元计算ACRS-1型结构、ACRS-2型结构和SlabTrack结构三者噪声响应时的假设即为噪声的来源为车轮的表面和钢轨的表面,由此可知,基于ABAQUS的有限元采用声固耦合模型是合理的.

2.2 噪声随时间的变化关系

因为当采用ABAQUS有限元软件计算结果声压大小进行噪声的定量评价时,其计算结果可能为正数或负数,很难明显地看出不同轨道结构产生的噪声水平,因此通过数学处理的方法将计算得到的声压转化为声压级值,从而准确地评价各种结构产生的噪声水平.

声压级值的计算公式为

(3)

式中: Lp为声压级值;p为声压;pref为参考声压,一般pref=2×10-5Pa.

为了定量评价,且考虑到计算的工作量在水平方向共取4个具有代表性的点位,生成的声压级值进行数值比较,其具体的选点位均在纵向跨中截面,距轨顶的垂直距离h均为0.1 m. 4个点位距钢轨中心的水平距离d分别为0.1、0.4、0.8 m.距钢轨中心的水平距离不同点位的声压级随时间变化如图8所示.

从图8可以看出,当水平距离从0.1 m增加到0.8 m时,声压级值总体上呈现降低的趋势,对某一个具体水平距离而言,随着时间的增加,声压级值表现为波动的特性,但总体上仍可呈现随着时间的延长,声压级值表现为先增大然后逐渐振荡减弱的总体趋势,即从物理意义上而言,噪声呈现出先增大然后降低的总体趋势.产生该现象的原因为轮轨加载力的作用和声波的传递不是瞬时完成的,而是一个渐进的过程,表现为噪声随着时间的延长有增大的趋向,此后,由于列车的不断行使,噪声观测点位逐步远离发声源,从而产生降低的效果.比较3种轨下基础结构可以发现,总体上, ACRS-1型和ACRS-2型结构要比普通板式结构的噪声要低,特别是ACRS-2型结构,比另外两种结构的噪声均要低,噪声降低的幅值出现在0.01、0.02、0.03 s附近,特别是在0.02 s附近, ACRS-2型结构低于普通板式结构的噪声幅值10～20 dB, ACRS-1型结构低于普通板式结构噪声幅值5 dB左右.

(a)h=0.1m,d=0.1m(b)h=0.1m,d=0.4m(c)h=0.1m,d=0.8m图8 距钢轨中心的水平距离不同点位的声压级随时间变化Fig.8 Variationofthesoundpressurelevelwithtimeatdifferenthorizontaldistancefromthecenteroftherail

3 结 论

(1) 本文选用的声-固耦合模型可以较好地评估不同轨下基础下噪声,且噪声分布云图验证了选用模型的合理性.

(2) 当水平距离逐渐增加时,声压级值的变化规律为总体上呈现降低的趋势,对某一个具体水平距离而言,随着时间的增加,声压级值表现为波动的特性,但总体上仍可呈现随着时间的延长,声压级值表现为先增大然后逐渐振荡减弱的总体趋势,即从物理意义看,噪声呈现出先增大然后降低的总体趋势.

(3) 通过比较ACRS-1型结构、ACRS-2型结构和SlabTrack轨下基础结构可以看出,总体而言,ACRS-1型和ACRS-2型结构要比普通板式结构(SlabTrack)的噪声要低,特别是ACRS-2型结构,比其他两种结构的噪声均要低.噪声降低的幅值出现在0.01、0.02、0.03 s附近,尤其在0.02 s附近,ACRS-2型结构低于普通板式结构的噪声幅值10～20 dB以上, ACRS-1型结构低于普通板式结构的噪声幅值5 dB左右.

(4) 铁路沥青混凝土具有优良的减振降噪、保温、支承以及防水功能,是未来高速铁路无砟轨道发展的重要方向之一,然而将其应用到极端低温达-48 ℃,以及最高时速达400 km穿越季冻区的莫斯科至喀山高速铁路基床表层,其耐久性值需要进一步研究.

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邱延峻(1966—),博士,1988年起至今任职于西南交通大学,现为土木工程学院教授,博士生导师,道路工程四川省重点实验室主任.主要研究方向为道路工程、铁道工程、工程教育、大学国际化.主持国家自然科学基金、铁道部、交通部、博士点基金、四川省交通厅和教育部优秀青年教师计划等资助的课题研究.在《铁道学报》、《土木工程学报》、《岩土工程学报》、《Soils and Foundations》、《Geotechnical Engineering Journal》、《Transportation Research Record》和国内外国际会议上共发表论文100 余篇.现为四川省公路学会副理事长,《西南交通大学学报》、《公路交通科技》、《Journal of Traffic and Transportation Engineering》学术期刊编委.

E-mail: publicqiu@vip.163.com

丁海波(1990—),博士研究生,2015年 9月就读于西南交通大学道路与铁道工程专业. International Society for Asphalt Pavement(ISAP)会员.主要研究方向为高性能改性沥青、沥青混凝土轨下基础、沥青与沥青混合料新型测试方法.

E-mail: dinghaibo@my.swjtu.edu.cn

(中文编辑:秦 瑜 英文编辑:兰俊思)

Acoustic Performance of Asphalt Concrete Underlayment for High-Speed Railway Substructures

QIUYanjun1,2,DINGHaibo1,2,ZHANGTianyang1,2,YANGEnhui1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Key Laboratory of Road Engineering of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To compare the rail noise levels with different substructures, a sound-solid coupling model was established using FEM-based ABAQUS software to simulate noise changes in the sound field generated from structural vibration. Sound pressure values were selected from the sound field and transformed to sound pressure levels for quantitative evaluation of noise levels of two asphalt concrete underlayments (ACRS-1 type and ACRS-2 type) and an ordinary slab track structure. The results show that the sound-solid coupling model can successfully evaluate different rail noise levels. Comparison of the above three kinds of track infrastructures indicates that the noise levels of the ACRS-1 and ACRS-2 type structures are generally lower than that of the slab track structure; especially, the noise level of the ACRS-2 structure is lower than the noise levels of the other two structures. Moreover, noise reduction amplitude occurs in 0.01 s, 0.02 s and near 0.03 s, particularly in the vicinity of 0.02 s. The noise amplitude of the ACRS-2 type structure is 10-20 dB lower than the ordinary slab track structure, whereas the noise amplitude of the ACRS-1 type structure is 5 dB lower than that of the ordinary slab track structure.

sound-solid coupling; asphalt concrete; underlayment; railway; noise

2015-11-20

国家重点基础研究发展计划资助项目(2013CB036204); 国家自然科学基金资助项目(50978222)

邱延峻,丁海波,章天杨,等. 高速铁路沥青混凝土轨下基础振动噪声性能评估[J]. 西南交通大学学报,2016,51(2): 381-387.

0258-2724(2016)02-0381-07

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.017

U414

A