城市高架桥半封闭式声屏障的车致振动试验研究

谢伟平， 余华彬， 孙亮明， 胡 喆， 赵寒冰

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉 430070；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

城市轨道交通高架桥穿越住宅区、商业区、医院和学校等噪声敏感点时，会引起严重的噪声污染问题。声屏障作为一种最有效的噪声控制方法[1]，在城市轨道交通线路中广为采用，但其结构振动问题也逐渐引起人们的关注。

声屏障结构动力问题的研究首先出现于高速铁路，并将高速列车脉动风荷载考虑为主要影响因素[2-5]。国内外学者对高速列车风荷载作用下声屏障结构的动力问题开展了大量的研究，但很少考虑列车-桥梁/声屏障结构相互作用的影响；对于风屏障等类似的桥上附属结构虽然也做过相关动力研究，但也主要考虑环境风荷载或列车风荷载的影响[6-7]。Tokunaga等[8]研究了高速列车运行对新干线高架桥直立式声屏障结构的动力问题，指出当车速小于150 km/h时，列车脉动风荷载影响很小而列车荷载成为声屏障结构振动的主导因素，但并未对低速情况下声屏障结构在列车荷载作用下的振动规律开展进一步研究，且研究对象为直立式声屏障结构。国内学者蔡理平等[9]、王少林[10]分别对高速铁路桥梁上的全封闭式和半封闭式声屏障在车桥耦合激励下的振动规律进行了数值分析工作，虽然得到了声屏障结构动力响应在高速列车情况下的一些实用性结论，但缺乏实测数据的验证，且其声屏障结构形式与城市轨道交通高架桥上的声屏障结构形式不同。

封闭式(包括半封闭、全封闭式)声屏障因其相对于传统的开放式(如直立式、倒L式等)声屏障有更好的隔声效果[11-12]，在城市轨道交通噪声控制中具有更加广阔的应用前景，但是其动力荷载诱发的结构振动问题不容忽视。考虑到声屏障结构车致振动研究仍处于初始阶段，对声屏障结构在低速列车激励下的振动规律也缺乏一定的认识。因此，本文针对某城市轨道交通高架桥上半封闭式声屏障的车致振动响应进行现场试验，研究地铁列车低速通过时高架桥上半封闭式声屏障的振动响应及传播规律，以期为城市轨道交通高架桥声屏障的车致振动研究及优化设计等方面提供一定的参考。

1 试验概况

某城市轨道交通高架桥沿线噪声敏感点采用半封闭式声屏障进行噪声控制，高架桥采用双线混凝土简支箱梁，运营车辆采用6节编组的地铁B型列车，设计时速100 km/h。为研究地铁列车低速通过时高架桥上声屏障的振动规律，选取水平直线高架桥半封闭式声屏障进行现场测试，如图1所示。

图1 城市高架桥半封闭式声屏障Fig.1 Semi-closed noise barrier of urban viaduct

半封闭式声屏障采用组装轻钢结构形式，高度为4.64 m、宽度为9.3 m、一个单元间距为2 m，噪声敏感点侧布置亚克力板，亚克力板通过塑钢框或铝合金压条固定于H型钢立柱上，H型钢立柱通过螺栓固定于1.6 m高的混凝土护栏上。高架桥采用单箱室结构的双线混凝土简支箱梁，跨度30 m、宽度9.3 m、高度1.8 m，采用茶花型独立柱桥墩，墩高为7.0 m。

测试采用丹麦Brüel & Kjaer Pulse 系统及4507B型加速度传感器，采样频率设为1 000 Hz。测点主要布置在高架桥跨中断面的声屏障封闭一侧，包括跨中处声屏障封闭侧的桥面轨道板(Ⅰ#)、立柱根部(1#)、立柱顶端(2#)，以及亚克力板中部(3#)，测点布置执行我国标准[13]，如图2所示。传感器布置方向统一以轨道桥梁系统为基准，采集列车由声屏障封闭侧和敞开侧通过时，结构的铅垂向、水平垂轨向、水平顺轨向(即竖向、横向、纵向)三个方向的加速度响应。

图2 高架桥-声屏障的测点布置Fig.2 Monitoring point arrangement of the viaduct and noise barrier

2 试验结果及分析

2.1 高架桥-声屏障的动力特性

通过现场测试采集了环境激励下城市轨道交通高架桥及半封闭式声屏障的加速度响应，利用课题组研发的基于随机子空间法的结构模态参数识别软件对实测数据进行分析获得了高架桥和声屏障结构的主要自振频率，如表1所示。

表1 高架桥-声屏障的自振频率

2.2 地铁列车过桥时的激励特性

为分析城市轨道交通高架桥半封闭式声屏障在地铁列车低速运行情况下的车致振动规律，现场实测中采集了高架桥跨中测试断面处轨道板(Ⅰ#测点)在地铁列车激励下的加速度响应。由于桥面轨道板距激励源较近，可根据其动力响应分析声屏障结构所受列车荷载的激励特性。

地铁列车以66 km/h车速由声屏障封闭侧通过测试路段时，封闭侧桥面轨道板的竖向、横向、纵向加速度时程和频谱，如图3所示。图3中加速度时程包括了列车开始驶入测试路段并激起振动到驶离测试路段后振动衰减的全过程。通过对实测结果进行分析可知：地铁列车通过测试路段封闭侧时诱发轨道板的振动以竖向为主，横向次之，纵向最小。由图3(a)～图3(c)的加速度时程可知，轨道板的竖向振动峰值加速度为2.009 m/s2，横向振动峰值加速度为1.056 m/s2，纵向振动峰值加速度为0.667 m/s2。由图3(d)～图3(f)的加速度频谱可知，轨道板的竖向振动主要频段较宽，在频率25～300 Hz内均有较大幅值，其中在39 Hz，86.4 Hz和195.8 Hz处存在较明显幅值；横向振动主要频段分布在频率35～95 Hz，140～200 Hz及270～295 Hz内，其中在73.4 Hz，195.8 Hz，290.4 Hz处存在较大幅值；纵向振动较小，在频率35～480 Hz内幅值相对较均匀，但在71.5 Hz，144 Hz，259.2 Hz处也存在较明显幅值。

基于图3(d)～图3(f)中频率0～35 Hz内的局部放大图可知，地铁列车过桥时存在某些特征性的激振频率

fi=vtr/li(i=1,2,3)

(1)

式中：fi为特征激振频率,Hz；vtr为列车速度，m/s；li为特征频率对应的特征长度,m，如扣件间距、轮对滚动圆周长、车辆轴距等。

轨道板竖向和横向振动的频谱均在7.45 Hz,8.36 Hz和30.64 Hz等频率处存在一定峰值：其中30.64 Hz对应地铁列车过桥时轮对与钢轨扣件间的周期性作用频率f1=30.60 Hz(扣件间距l1=0.6 m)，8.36 Hz对应车辆轴距的轴重加载频率f2=8.30 Hz(轴距l2=2.2 m)。另外，在竖向振动的加速度频谱中，峰值频率28.8 Hz及其倍频57.6 Hz,86.4Hz,144 Hz附近，峰值频率39 Hz及其倍频117 Hz,195 Hz附近等均有较大振动，对应着竖向振动的主要频段。

图3 轨道板振动加速度时程及频谱Fig.3 Time history and Fourier spectrum of vibration acceleration of track slab

图4为地铁列车低速通过测试路段封闭侧时轨道板振动加速度的平滑伪Wigner-Ville分布，从时频分布图中也可识别地铁列车通过时激起轨道板振动的主要频率。由时频分布可知，地铁列车通过高架桥时具有“移动轴重激励”的荷载特性，即地铁列车通过高架桥时其主要激振频率处振动分量的幅值随时间呈规律性变化，且幅值出现峰值处正好对应车辆转向架或轮对作用。此特征在轨道板的竖向和横向振动中表现尤为明显，纵向振动由于本身能量较小，故由纵向振动的时频分布不太容易发现该规律。

图4(d)中给出了地铁列车低速通过测试路段封闭侧时轨道板的竖向振动在其主频195.8 Hz处的时频分布局部放大图，图中每处幅值能量集中点对应单个转向架(包括两个轮对)的作用，可知从第一个转向架作用到最后一个转向架作用历时为Δt=6.066 s，可得地铁列车行驶速度为66.40 km/h，其计算结果与实测车速66 km/h吻合。表明了地铁列车通过高架桥时具有“移动轴重激励”的荷载特性，该特性还可用于计算实测振动响应的列车行驶速度。

图4 轨道板振动加速度时频分布Fig.4 Time-frequency representation of vibration acceleration of track slab

2.3 半封闭式声屏障的车致振动规律

2.3.1 加速度时程与频谱分析

为了分析城市轨道交通高架桥半封闭式声屏障在列车低速运行情况下的车致振动规律，现场实测采集了高架桥跨中测试断面处半封闭式声屏障(1#,2#,3#测点)在地铁列车激励下的加速度响应。其中，地铁列车以66 km/h车速由声屏障封闭侧通过测试路段时，封闭侧声屏障立柱顶端(2#测点)的竖向、横向、纵向加速度时程和频谱如图5所示。

由图5(a)～图5(c)的加速度时程可知，地铁列车通过测试路段封闭侧时诱发半封闭式声屏障立柱顶端的竖向振动峰值加速度为3.341 m/s2，横向振动峰值加速度为2.486 m/s2，纵向振动峰值加速度为3.447 m/s2。实测结果表明：城市轨道交通高架桥半封闭式声屏障立柱顶端的车致振动响应在三个方向上的峰值加速度比较接近，以横向的峰值加速度稍小，且其振动响应与桥面轨道板的对比明显增大。

由图5(d)～图5(f)的加速度频谱可知，半封闭式声屏障立柱顶端在三个方向的加速度响应主要集中在频率35～95 Hz，且还在频率170～200 Hz也存在较大的振动响应。半封闭式声屏障立柱顶端竖向、横向和纵向振动的加速度频谱均在39 Hz，47.4 Hz，63.2 Hz和88.3 Hz处存在明显幅值。与桥面轨道板车致振动的加速度频谱对比可知，振源附近桥面轨道板车致振动的主要频段较宽，而声屏障立柱顶端车致振动的主要频段相对较窄。因为地铁列车低速过桥时激励引起了较宽频段的振动，当车致振动传播至声屏障立柱顶端时在各频率成分处振动分量发生了选择性放大或衰减，导致声屏障结构的振动响应主要集中在频率35～95 Hz内的较窄频段。

为了比较高架桥和声屏障结构不同位置处车致振动峰值加速度的大小，表2给出了4个组次地铁列车以66 km/h车速通过测试路段时各测点峰值加速度的平均值，并考虑了敞开侧行车和封闭侧行车的影响。通过峰值加速度比较可知，半封闭式声屏障的车致振动加速度相对于桥面轨道板的车致振动存在明显放大的现象，并且亚克力板横向振动的峰值加速度相对于声屏障立柱的又有显著增大。亚克力板横向振动的峰值加速度可达9.270 m/s2，约为桥面轨道板的8倍、声屏障立柱的2～3倍。通过敞开侧行车和封闭侧行车的工况对比可知，封闭侧行车时各测点的峰值加速度较大，为敞开侧行车时的1.1～1.7倍；由于表中各测点均为声屏障封闭侧测点(见图2)，封闭侧行车时测点距激励源较近，因而各测点的峰值加速度较大，这与通常情况相符，同时也在一定程度上说明了测试结果的有效性。

图5 声屏障立柱顶端振动加速度时程及频谱Fig.5 Time history and Fourier spectrum of vibration accelerations on the top of steel column of noise barrier

Tab.2 Peak acceleration of the viaduct and noise barrier m/s2

2.3.2 振动加速度级分析

本文通过振动加速度级(Vibration Acceleration Level, VAL)来衡量高架桥和声屏障结构振动量的大小，由振动加速度级差来表征振动量的衰减或放大。

其中振动加速度级定义为

VAL=20 lg(arms/a0)

(2)

式中:a0为基准加速度，本文计算中取a0=10-6m/s2；arms为振动加速度有效值,m/s2，对于长度为N的加速度信号序列

(3)

振动加速度级差LD定义为

LD=VAL1-VAL2=20 lg(a1/a2)

(4)

式中:a1和a2分别为关注点和参考点的振动加速度有效值。

为了从频域上进一步对比分析桥面轨道板和声屏障立柱在地铁列车低速运行情况下的车致振动规律，给出了基于1/3倍频程分析的分频振动加速度级(分频VAL)和总振动加速度级，如图6～图8所示，对比分析如下：

(1)图6表示不同测点分频VAL对比，由图6(a)～图6(c)可知，对于同一测点，地铁列车低速从声屏障封闭侧行车和敞开侧行车时其分频VAL基本一致，即振动量随频率分布规律比较接近；但由图8可知，当地铁列车由声屏障封闭侧行车时，轨道板及立柱顶端的总VAL较敞开侧行车时要大，竖向差值为3～4 dB，横向差值为2 dB，纵向差值为3 dB。

(2)对比桥面轨道板和声屏障立柱顶端的分频VAL，可以发现声屏障立柱顶端的横向和纵向振动相对于桥面轨道板的几乎在整个分析频率0～500 Hz内都存在一定的放大，其中横向振动放大主要表现在频率1～125 Hz内，而纵向振动放大主要表现在频率1～4 Hz和20～315 Hz内。对于声屏障立柱的竖向VAL，主要在频率40～100 Hz内有较明显放大，而在125～250 Hz为主的部分频率范围内振动却存在一定的传递损失。相应地，由图8可知，声屏障立柱顶端总VAL在竖、横、纵三个方向比桥面轨道板依次增大5.5 dB，9 dB和15 dB左右。

(3)由图6(a)～图6(c)还可知，桥面轨道板和声屏障立柱顶端的分频VAL均在中心频率8 Hz处有一个较明显峰值。其中8 Hz处峰值正好对应列车轴距(2.2 m)的加载频率8.33 Hz。此外，对于图6(a)高架桥-声屏障结构的竖向VAL在中心频率5 Hz处也存在一个较小峰值，而该频率即高架桥-声屏障的整体一阶竖弯频率4.75 Hz(见表1)。

(4)图7表示封闭侧行车时桥面轨道板和声屏障立柱顶端两个测点在三个方向的分频VAL对比。由图可知，各测点在不同方向的分频VAL曲线趋势也是基本一致的，但其幅值存在一定的差异。尤其是桥面轨道板，几乎是在整个分析频率范围内都表现为竖向振动大于横向振动，横向振动又大于纵向振动；但声屏障立柱顶端则仅在5～12.5 Hz内较明显地表现为竖向和横向振动大于纵向振动，而在其它频率范围内不同方向之间振动量差值不太明显。由图8也可知：桥面轨道板振动以竖向为主，横向次之，纵向最小，横向和纵向VAL分别比竖向VAL要小3～5 dB和8～9 dB；而声屏障立柱顶端各向VAL相差较小，纵向VAL比横向和竖向VAL大1～2 dB。

图6 不同测点分频VAL对比Fig.6 Comparison of 1/3 octave spectrum of the VAL for different measuring points

图7 各测点不同方向分频VAL对比Fig.7 Comparison of 1/3 octave spectrum of the VAL in different directions of measuring points

图8 各测点总VAL对比Fig.8 Comparison of overall VAL of measuring points

为分析地铁列车低速运行情况下车致振动对声屏障结构不同构件或位置的影响，同时测试了声屏障结构立柱根部(1#测点)和亚克力板(3#测点)的振动加速度，图9对比了封闭侧行车时声屏障结构封闭侧立柱根部、立柱顶端和亚克力板的横向VAL，分析可知：

(1)声屏障结构立柱根部、立柱顶端和亚克力板的分频VAL同样均在列车轴距加载频率8.33 Hz附近存在较明显峰值。

(2)立柱顶端相对于立柱根部的横向VAL主要在中心频率2.5～16 Hz，80～125 Hz处有所增大，而在其它频率范围内均有减小，立柱顶端横向总VAL比立柱根部的减小了3 dB左右。

(3)亚克力板的横向振动相对于立柱存在明显的放大效应，且在中心频率4～12.5 Hz内振动分量的增大最为显著，其横向总VAL在封闭侧行车时达到125 dB，比立柱增大7～10 dB。此外还可看出，图9(b)中亚克力板的横向振动相对于立柱根部在其固有频率10.8 Hz附近(中心频率10 Hz处)有一个明显峰值，这也说明了结构振动在传播过程中对与其固有频率接近的振动分量有一定的放大效应。

图9 声屏障结构不同部位横向振动加速级对比Fig.9 Lateral VAL of different measuring points on the noise barrier

2.4 列车速度对声屏障车致振动的影响

通过实测统计发现，该城市轨道交通线路在该实测直线路段行驶时地铁列车的运营速度主要集中在60～97 km/h波动；考虑封闭侧行车情况，主要统计了66 km/h,70 km/h,74 km/h,89 km/h和96 km/h五种车速下高架桥-声屏障结构的车致振动响应，各测点总VAL如图10所示。为从频域分析车速对高架桥-声屏障结构的影响，图11给出了高架桥-声屏障结构在74 km/h和89 km/h两种车速下相对于66 km/h情况的分频VAL差。

由图10可知，考虑到地铁列车正常行驶时车速范围为66～96 km/h，桥面轨道板在地铁列车激励下的VAL基本上有随列车车速增大而增大的趋势，声屏障立柱和亚克力板的VAL虽然在个别车速处存在一定的波动，但在总体上也基本符合随车速增大而增大的规律。地铁列车在上述车速范围内变化时，桥面轨道板和立柱顶端的各向VAL最大波动幅度分别为3.7 dB和2.3 dB，立柱根部和亚克力板的横向VAL最大波动幅度分别为2.7 dB和3.8 dB。

由图11可知，当列车车速改变时，高架桥-声屏障结构的分频VAL也会发生变化，除10～12.5 Hz附近有较明显增大外，各中心频率处分频VAL变化基本都控制在5 dB以内。具体地，当车速为74 km/h时，在中心频率10 Hz处增幅较大，而车速为89 km/h时，则在10～12.5 Hz附近均有较大增幅。而这正好也分别对应了列车的轴距加载频率9.34 Hz和11.23 Hz(中心频率10 Hz和12.5 Hz对应1/3倍频程频率范围分别为8.91～11.2 Hz和11.2～14.1 Hz)。因此，在一般情况下，当列车速度变化时，高架桥-声屏障结构振动加速度的改变主要发生在列车轴距加载频率处，即随列车车速的增大，列车轴距加载频率也增大，而高架桥-声屏障结构振动加速度级的变化也主要表现为在相应的轴距加载频率处振动分量幅值的变化。

图10 不同车速下结构振动加速度级Fig.10 Comparison of overall VAL in the cases of different train speeds

注：图中为相对于66 km/h车速情况下分频VAL差图11 不同车速下分频VAL差Fig.11 1/3 octave spectrum of VAL difference in the cases of different train speeds

3 结 论

(1)地铁列车低速过桥时具有“移动轴重激励”的荷载特性，即地铁列车通过高架桥时其主要激振频率处振动分量的幅值随时间呈规律性变化，且幅值出现峰值处正好与列车转向架或轮对作用呈对应关系。

(2)地铁列车低速通过高架桥-声屏障结构时，诱发桥面轨道板的振动以竖向最大、横向次之、纵向最小，横向和纵向VAL分别比竖向要小3～5 dB和8～9 dB，频带范围较宽，主要分布在25～300 Hz范围内；而声屏障立柱顶端的竖向、横向、纵向振动加速度比较接近，以纵向稍大，纵向VAL比横向和竖向VAL大1～2 dB，频率范围主要集中在35～95 Hz，且其振动分量发生了较显著的放大效应，尤其在39 Hz,47.4 Hz,63.2 Hz和88.3 Hz存在明显峰值。另外，封闭侧行车时诱发的封闭侧桥面轨道板、声屏障立柱、亚克力板等振动响应相对于敞开侧行车时的要大。

(3)半封闭式声屏障采用组装轻钢结构形式，其质量和刚度相对于下部混凝土箱梁突然减小，在地铁列车激励下声屏障立柱和亚克力板的振动加速度相对于桥面轨道板存在显著的放大效应。声屏障立柱顶端总VAL在竖、横、纵三个方向比桥面轨道板依次增大5.5 dB,9 dB和15 dB。对于声屏障结构本身，其亚克力板的横向振动相对于立柱的也存在明显放大，亚克力板的横向VAL在封闭侧行车时达到125 dB，比立柱的增大7～10 dB。

(4)地铁列车低速通过高架桥-声屏障结构时，桥梁轨道板振动加速度随列车车速的增大而增大，声屏障结构的振动加速度虽在某些车速附近存在一定的波动，但在总体上也符合随车速增大而增大的规律。当列车以66～96 km/h速度通过时，高架桥-声屏障结构的分频VAL除在10～12.5 Hz附近有较明显增大外，各中心频率处分频VAL变化基本都控制在5 dB以内。但是，高架桥-声屏障结构VAL的变化主要表现为在相应的轴距加载频率处振动分量幅值的变化。