速度影响下U型梁噪声特性分析

速度影响下U型梁噪声特性分析

肖思航

重庆交通大学交通运输学院重庆  400074

摘要：针对日益严重的城市轨道交通噪声问题，本次研究选取重庆某U型梁作为研究对象，建立车-轨-桥耦合动力学模型以及噪声预测模型，并通过实测噪声数据以及模态分析验证模型正确性，并对列车在行驶速度分别为60km/h、70km/h、80km/h、90km/的四种工况下进行仿真，分析四种工况下噪声数据进行时域及频域特性，最后得出U梁噪声辐射规律及衰减规律。结果表明：速度越低，整个系统所辐射噪声值越低，且能更好满足乘客的乘车舒适性要求。

关键词：U型梁；噪声；轨道交通；速度

引言：

城市轨道交通发展的速度越来越快，U型梁因为其结构美观，桥梁高度较低同时腹板对轮轨噪声有遮蔽作用的优点，其应用也越来越广泛，研究表明U梁所辐射噪声主要为结构噪声，不同于轮轨噪声，桥梁结构噪声穿透力较强，衰减缓慢且对人体有一定的危害，所以如何准确预测U型梁的振动与噪声是一个值得深入研究的问题。

据调查，目前国内外关于轨道交通噪声的治理多采用以下办法：（1）减振扣件，（2）钢弹簧浮置板，（3）橡胶减振垫。因为U型梁梁壁对轮轨噪声有一定的遮蔽作用所以U型梁主要辐射结构噪声，并且较多的是从结构上优化高架桥，较少研究速度影响下的噪声特性，本文研究不同速度下的轨道交通噪声特性，为相关部门的运营提供参考。

1车-轨-桥耦合动力学模型构建

1.1U型梁有限元模型

通过ANSYSAPDL模块对某轨道交通工程30m单线简支U型梁进行有限元建模。U型梁梁高1.8m，腹板与底板厚度均为为0.3m，底板宽度约为3.6m。U型梁振动噪声属于低频噪声，所以主要分析频率为20～200Hz，为考虑计算精度，桥梁主体建模采用Shell181板壳类型。Shell181称为4节点有限应变壳单元，适用于模拟薄壳至中等厚度壳结构，该单元的每个节点有6个自由度，即沿节点坐标系x、y和z方向的平动位移和绕各轴的转动位移，单元SHELL181非常适用于线性分析及大转动、大应变的非线性分析，在非线性分析中计入壳体厚度的变化，该单元支持完全积分和减缩积分，该单元考虑压力荷载的随动效应，即荷载刚度。

本研究采用模态验证法对桥梁进行验证，利用ANSYS的BlockLanczos模态分析方法对U型梁进行模态分析并与实测模态数据进行对比。自振频率实测结果与桥梁有限元模型结果对比如下：一阶横向对称弯曲实测频率4.4Hz、计算频率4.4574Hz，一阶竖向对称弯曲实测频率5.13Hz、计算频率5.0075Hz，二阶竖向反对称弯曲实测频率11.3Hz、计算频率11.305Hz，误差均控制在6%以内，模型较为准确，可用于后续的分析。

1.2车辆模型

该线路通过的列车为地铁B型车，该车型六车厢为一编组。列车的基本部件组成为车体、轮对、转向架构架等，车体建模考虑5个方向的自由度：侧滚、摇头、点头、横向、垂向，并且考虑了一系及二系悬挂的影响。通过模型仿真车体加速度与规范值对比来验证车辆模型：根据《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范GB/T5599-2019》规定，车体垂向加速度和横向加速度限值为2.5m/s2。由图1可以看出，地铁车辆以80km/h通过U梁时，车体竖向加速度最大值为0.288m/s2，横向加速度最大值0.097m/s2，均满足规范可用于仿真计算。

(a)地铁车体竖向加速度(b)地铁车体横向加速度

图4.28地铁车辆80km/h车体加速度

1.3车-轨-桥桥耦合动力学模型建立

本研究通过UM软件建立车辆模型，并通过ANSYSAPDL对桥梁和轨道进行建模并导入UM中进行耦合,耦合原理为将轨道简化为连续支撑的无质量粘弹性力元，轮轨接触点的力取决于最近时刻的速度和位置。

横向力和垂向力计算公式见式1和2：

               （1）                     （2）

式中，Ry和Rz分别是横向和垂向轮轨力；cry和crz分别是轨道横向和垂向刚度系数；dry和drz分别是轨道横向和垂向阻尼系数，Δyr和Δzr分别是轨道横向和垂向弹性变形。这里的刚度为轨道及下部结构的整体（等效）刚度，包括轨枕、扣件、道砟、轨道板、道床、桥梁以及各层橡胶元件。

2噪声特性分析

在早高峰时期及晚高峰时期，是乘客最多也是周围居民最为疲惫对周围感知最为敏感的时刻，所以本次研究考虑车体载重为42.385吨，速度为60km/h、70km/h、80km/h、90km/h下的噪声特性，主要噪声为桥梁结构噪声。

通过倍频程分析，可以发现在近场点桥梁各板件的声压级峰值都在40Hz，而且由于U梁右翼板比左翼板要宽且薄，所以右翼板辐射噪声比左翼板要大；左腹板与右腹板的所辐射噪声在各个频率都很相近。在近场点，底板所辐射声压级最大，最大幅值为90dB；腹板次之，左腹板为85dB，右腹板为83.2dB；通过UM软件计算桥梁振动响应，可以发现按照振动幅度大小排序为：底板>左腹板>右腹板，桥梁翼板的振幅大，但是其构件小，所以产生的结构噪声也较小。

且随着仿真速度的提升，发现桥梁各部件所辐射噪声呈现线性增加，因为随着速度的增加，车辆轮轨力随之增加，引起的桥梁振动更加剧烈，所辐射噪声则在随之增加。并且发现

车速每增大10km·h-1,高架地段U梁辐射噪声增大2.4～2.7dB,所以为了更好的降低噪声，可以在离居民区较近的轨道线路降低速度。

3结论

本文建立了U梁桥的车-轨-桥耦合振动模型，求解25m混凝土简支U型梁在列车荷载作用下梁体动力响应。以梁体动力响应为边界条件，建立边界元模型，进而分析由于梁体振动产生的噪声分析了在超载情况下不同速度的结构噪声特性，经过对比分析得到以下结论：，主要结论如下：

（1）U型梁跨中截面底板声场声压级较大，腹板两侧的声场声压级较小，由于地面的反射作用，导致距离地面越近声压级越大。

（2）分析了不同速度下的噪声，车速每增大10km·h-1,高架地段U梁辐射噪声增大2.4～2.7dB，所以为了更好的降低噪声，可以在离居民区较近的轨道线路降低速度。

（3）无降噪措施的U型梁声场，由于腹板的遮蔽效应，噪声声压级主要在梁体正上方与斜上方，梁侧与梁下的噪声较小；

参考文献:

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[3]李小珍,梁林,赵秋晨等.不同轨道结构形式对高架箱梁结构噪声的影响[J]土木工程学报,2018,51(10);78-87,106.