高架线减振轨道减振降噪效果测试与分析

刘锦辉， 刘鹏辉， 杨宜谦, 董振升， 周昌盛， 梁晓东

(1. 深圳市地铁集团有限公司， 广东 深圳 518000； 2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081；3. 中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

我国城市轨道交通已迈入高速发展时期，在满足人民便捷出行的同时，也给乘客、沿线居民、建筑物等带来振动噪声的环境污染，导致众多振动噪声投诉事件频发。随着人们环保意识的增强和现代化工业进程的发展，高要求的减振降噪已成为城市轨道交通发展面临的一项重大挑战[1-2]。当列车通过高架线时，列车引起的振动传递给桥梁结构及其他桥梁附属构件和声屏障，其引起振动并向四周辐射噪声，即结构噪声。桥梁结构辐射噪声以低频噪声为主，其传播距离比高频噪声更远，传播范围更广且衰减更慢。人长期处于低频噪声的环境，容易产生神经衰弱、失眠、高血压等[3-5]。一直以来，对轨道交通噪声的研究主要集中在轮轨和车辆等产生的中、高频噪声，对桥梁结构低频噪声研究较少。李小珍等[6]对高速铁路32 m混凝土简支箱梁结构噪声进行了测试分析，提出了高架线桥梁结构噪声的优化原则；战家旺等[7]对城市轨道交通高架桥梯形轨枕轨道的降噪性能进行了试验分析，对高架线噪声分布进行分析和研究；贺建良等[8-11]对高架城市轨道交通的噪声特性进行了分析。本研究高架桥采用减振垫、橡胶弹簧、钢弹簧3种预制板浮置板和双层非线性减振扣件轨道减振措施和声屏障的综合措施。通过对地铁高架桥上双层非线性减振扣件、减振垫浮置板、橡胶弹簧浮置板、钢弹簧浮置板的现场振动噪声测试，对高架线不同减振轨道结构的实际减振效果进行评价，对桥梁结构振动与结构噪声关系进行分析，研究不同减振轨道对减小桥梁结构辐射噪声的效果，为今后的轨道减振设计提供借鉴。

1 试验概况

所测双层非线性减振扣件整体道床、减振垫浮置板、橡胶弹簧浮置板、钢弹簧浮置板4种轨道结构均铺设于高架箱梁上，不同轨道结构的钢轨、扣件、行车速度等简况对比如表1所示，轨道减振措施断面图如图1所示。测试列车为地铁A型车，6辆编组，固定轴距2.5 m，车辆定距15.7 m，在试运营阶段进行，列车载客量均为空车。

表1 不同轨道类型的简况对比

(a) 减振垫

同地下线类似，高架线轨道减振措施减振效果评价的测试内容包括钢轨铅垂向加速度、道床铅垂向加速度、桥面铅垂向加速度以及列车通过速度。减振效果通过比较有/无减振措施时下部结构(如隧道、路基或桥梁)、地面或地面建筑物的振动来评价。为了减少轨道沿线复杂的环境因素对减振效果评价的影响，CJJ/T 191—2012《浮置板轨道技术规范》[12]规定在桥面离轨道中心线(1.50±0.25) m处进行振动对比，且要求桥梁结构和线路情况相似。减振轨道和普通轨道的铅垂向振动加速度级的差值就是轨道减振措施在该地段取得的效果。目前还未有标准涉及高架线减振轨道减小桥梁结构辐射噪声的效果评价。由于桥上声屏障和桥梁结构的翼缘板充当了屏障的功能，很大程度上屏蔽了轮轨噪声对桥梁结构辐射噪声的干扰，在梁体底板布置铅垂向振动加速度测点和腹板布置法向振动加速度测点，同时在距离梁底面20～30 cm和腹板处布置结构噪声测点，以分析桥梁结构振动与桥梁结构辐射噪声之间的关系以及轨道减振措施对减小桥梁结构辐射噪声的效果，这样桥梁结构辐射噪声的测量数据更可靠，测点布置如图2所示。

振动和噪声测试采用了24位精度的INV306智能信号采集处理分析仪，根据预设程序自动触发、采集、存储，桥梁振动和噪声同步采集、测量与分析。振动采用内装IC压电加速度传感器，噪声用AWA14411型传声器，具有低阻抗输出、抗干扰、噪声小等特点，主要技术指标如表2所示。轨道、桥梁振动和桥梁结构辐射噪声采样频率为2 560 Hz，距离线路外7.5 m轨面以上1.2 m处噪声采样频率为51.2 kHz。

图2 测点布置示意图

表2 传感器技术指标

2 评价标准及数据处理方法

插入损失是主要用于评价减振效果的物理量，定义为

(1)

对式(1)进行变换，引入基准加速度a0=1×10-6m/s2得

(2)

式中，a1为无隔振装置时测点的振动加速度有效值；a2为有隔振装置时对应测点的振动加速度有效值。当L1≥0时，隔振系统起作用；当L1≤0时，隔振系统无衰减作用。由于不同频率的响应之比是不同的，因此插入损失是一个随频率改变的物理量。在国内有时为方便描述，通过对竖向振动响应的插入损失进行计权处理，可以得到Z振级插入损失。分析列车通过时段下列物理量。

(1) Z振级VLz

在城市轨道交通环境影响评价时，减振效果评价采用减振轨道与普通整体道床，按GB/T 13441—1992《人体全身振动环境的测量规范》铅垂向计权网络计算的VLzmax的差值ΔVLzmax。

(2) 分频振级均方根插入损失

CJJ/T 191—2012《浮置板轨道技术规范》中减振效果评价指标为分频振级均方根，频率范围为1～200 Hz，计权网络为GB/T 13441.1—2007《振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第一部分：一般要求》铅垂向计权网络，评价量为减振轨道与普通整体道床对比时的分频振级均方根的差值ΔVLza。

(3)

式中：VLq(i)为普通整体道床桥面铅垂向振动加速度在1/3倍频程第i个中心频率的分频振级，dB；VLh(i)为减振轨道桥面铅垂向振动加速度在1/3倍频程第i个中心频率的分频振级，dB。

(3) 分频最大振级

依据JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》[13]，按照GB/T 13441.1—2007《振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第一部分：一般要求》铅垂向计权网络得到的4～200 Hz内的1/3倍频程各中心频率的最大振级，即列车通过时的VLzmax(i)。

需要说明的是，插入损失是一种理想状态下的评价量，它需要同时分析减振前、后的振动响应。在进行数值模拟和实验室试验时，获得插入损失相对容易；然而实际工程中，当一段减振轨道铺设完成后，只能得到一种响应：即采用减振轨道以后的振动响应。为了获得插入损失，工程上补充测试相似地段采用普通轨道的振动响应，但需要指出的是，这种方法仅是一种工程近似，称为对比插入损失，它的近似度受选取线路和车辆状态，地质条件、线路平面曲线半径、钢轨类型、车辆类型、车辆轴重、簧下质量、列车速度等一系列因素控制。

3 测试结果与分析

3.1 减振效果分析

不同轨道结构在列车通过时的钢轨、桥面(Z计权与未计权)1/3倍频程谱及其对比图，分别如图3、图4所示。不同轨道结构的振动加速度级，如表3所示。可以看出：

(1) 地铁振动源频谱特性呈现宽频带特性，以f=80～1 000 Hz的频率为主，各种轨道结构钢轨振动加速度频谱均以630 Hz为主，道床和桥面在63～80 Hz有明显峰值，这主要是由于轮轨相互耦合作用产生的。

(2) 相对于减振扣件整体道床桥面，减振垫浮置板、橡胶弹簧、钢弹簧浮置板在1～80 Hz内VLzmax的减振效果分别为10.2 dB，10.6 dB，11.8 dB；在1～200 Hz内VLza的减振效果分别为10.3 dB，12.7 dB，12.6 dB。受对比条件的限制，本测试是与双层非线性减振扣件对比，以上减振效果会比实际低估3～5 dB。

(a) 双层非线性减振扣件

(c) 橡胶弹簧浮置板

(a) 未计权

表3 不同轨道结构的振动加速度

(3) 由于轨道结构系统的自振特性不同，钢轨、道床、桥面等振动加速度在不同的频率处有明显的峰值。比如在钢弹簧浮置板和橡胶弹簧浮置板的自振频率为10 Hz，减振垫浮置板的自振频率为18 Hz，在此频率处附近均出现峰值；桥面均在中心频率4.0～6.3 Hz出现峰值，这主要于梁体一阶竖向自振频率有关。

(4) 根据JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》规定，桥面4～200 Hz频率范围分频振级见图4(b)。减振扣件最大分频振级VLmax为86.6 dB；减振垫浮置板VLmax为73.1 dB；橡胶弹簧浮置板VLmax为69.4 dB；钢弹簧浮置板VLmax为68.9 dB。

(5) 与减振扣件相比，减振垫浮置板、橡胶弹簧浮置板、钢弹簧浮置板在高于25 Hz的桥面振动有明显的减振效果；高架线上减振轨道对于控制列车运行产生的桥梁结构辐射噪声影响更有效；但是会增大钢轨的加速度，尤其是对于630 Hz的振动，从一定程度上，减振垫浮置板、橡胶弹簧浮置板、钢弹簧浮置板增大了轮轨噪声。

3.2 噪声与振动

(1) 地铁无声屏障地段A型车时速为70 km/h的噪声(距离线路7.5 m、轨面以上1.2 m处)时域波形和1/3倍频程频谱，如图5所示。从图5可知，当列车通过时，声级变化很大，比背景噪声高30 dB(A)，声级上升的最大陡度约为5.5 dB(A)/s，突如其来的强大的噪声很容易使地铁沿线的人们烦恼、焦虑。噪声频谱是宽频的，在中心频率80 Hz和630 Hz处噪声出现明显峰值，80 Hz对应桥梁结构辐射噪声，630 Hz主要对应轮轨噪声，与前面钢轨加速度的峰值一致。

(a)时域波形

(b) 频谱图

(2)桥梁结构振动和桥梁结构辐射噪声

列车通过时桥梁底板和腹板的振动速度频谱图，如图6所示。从图6可知，桥梁底板和腹板的振动加速度频率主要集中在250 Hz以内，桥梁结构辐射噪声是由于桥梁结构振动而辐射引起的噪声，为低频噪声，所以桥梁结构辐射噪声主要考虑10～250 Hz内的噪声。桥梁底板振动远大于桥梁腹板，所以桥梁底板的振动对于桥梁结构辐射噪声的贡献最大，在一定程度上可通过优化高架桥梁的截面形状，达到了降低桥梁结构辐射噪声的目的，如图7所示。

图6 桥梁底板和腹板振动速度频谱图

图7 地铁列车通过时桥梁结构辐射噪声

如图7所示，振动激励的构件表面振动辐射声功率为

(4)

(5)

式中：LV为桥梁结构的平均振动速度级，dB，振动速度基准值ref=5×10-8m/s；ρ为媒介密度，kg/m3;c为声速，m/s ;ρ0c0为空气特性阻抗(在20 ℃时为420Ns/m3)。通常情况下，最后一项小于1 dB。所以式(5)可表示为

Lp=LV+10lgσ

(6)

从图8可以看出，总体而言，底板振动速度级(ref=1×10-9m/s)以及梁体正下方声压级主要集中在100 Hz以下，且在40 Hz，50 Hz，63 Hz 3个中心频率附近最大；由式(5)和梁底结构噪声声压级与底板振动速度级频谱曲线对比来看，桥梁结构噪声与桥梁底板结构振动速度频谱图相似，各1/3倍频程中心频率点处二者差值约23～30 dB，这与不同频率下辐射效率有关，高频振动以剪力波为主导，辐射效率σ≈1；低频部分含有大量的弯曲波，辐射效率σ比1小很多。

图8 列车通过时桥梁振动、噪声1/3倍频程谱图

我国桥梁振动和轨道振动多以振动加速度表征和测试，振动加速度与振动速度级的关系为

(7)

桥梁结构辐射噪声通过桥梁结构的振动加速度预测见式(8)。图9为地铁通过时引起桥梁结构振动计算桥梁结构辐射噪声的对比，从图9可以看出两者吻合度很高。

(8)

式中：Lp(f)为桥梁1/3倍频程声压级，dB；La(f)为桥梁1/3倍频程倍频带加速度级，dB；f为1/3倍频程中心频率，Hz。

图9 通过桥梁振动预测桥梁结构辐射噪声对比图

列车通过时段的桥梁结构辐射噪声等效连续A声级LAeq(12.5～250.0 Hz)按式(9)计算。

(9)

式中：LAeq为桥梁结构辐射噪声等效连续A声级(12.5～250.0 Hz)，dB(A)；Lp,i为桥梁结构辐射噪声1/3倍频程声压级(12.5～250.0 Hz)，dB(A)；Cf,i为第i个频带的A计权修正值，dB；i为第i个1/3倍频程，i=1～14；n为1/3倍频程带数。

(3) 桥梁结构辐射噪声以低频噪声为主，其传播距离比高频噪声更远，传播范围更广且衰减更慢。为此，高架线采用减振轨道以减小桥梁结构辐射噪声的影响。不同减振轨道对减小桥梁结构辐射噪声的效果(由于受地面交通的影响，通过桥面竖向加速度计算得到，不同减振轨道的桥梁结构辐射噪声1/3倍频程谱见图10)，如表4所示。相对于减振扣件整体道床桥面12.5～250 Hz的LAeq，减振垫浮置板、橡胶弹簧、钢弹簧浮置板的降噪效果(无考虑背景噪声)分别为7.6dB(A)，20.9 dB(A)，17.1 dB(A)。

图10 不同减振轨道的桥梁结构辐射噪声1/3倍频程谱

表4 不同减振轨道对减小桥梁结构辐射噪声的效果

4 结 论

通过对地铁高架桥上预制板轨道双层非线性减振扣件、减振垫浮置板、橡胶弹簧浮置板、钢弹簧浮置板的现场振动测试分析，结果表明：

(1) 相对于减振扣件道床桥面，减振垫浮置板、橡胶弹簧、钢弹簧浮置板在1～80 Hz内VLzmax的减振效果分别为10.2 dB，10.6 dB，11.8 dB；在1～200 Hz内VLza的减振效果分别为10.3 dB，12.7 dB，12.6 dB。

(2) 桥上声屏障和桥梁结构的翼缘板屏蔽了轮轨噪声等干扰，在距离梁底面20～30 cm布置噪声测点以分析桥梁结构辐射噪声，评价物理量为列车通过时段的等效连续A声级LAeq(12.5～250.0 Hz)。

(3) 桥梁结构辐射噪声以12.5～250.0 Hz低频噪声为主，桥梁结构辐射噪声可通过桥梁振动速度级或振动加速度级来计算。

(4) 高架线采用减振轨道以减小桥梁结构辐射噪声的影响，相对于减振扣件整体道床桥面，减振垫浮置板、橡胶弹簧、钢弹簧浮置板减小12.5～250.0 Hz内桥梁结构辐射噪声LAeq的效果分别为7.6 dB(A)，20.9 dB(A)，17.1 dB(A)。

(5) 减振轨道在减小桥面振动的同时，放大了钢轨的振动，在实际的运营中应重视由于钢轨振动尤其是500～800 Hz内的钢轨振动引起的振动和噪声问题。