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城市轨道交通桥上典型减振轨道的低频声振特性研究

张晓芸  
【摘要】:随着我国城市化进程的快速发展,城市交通中车辆拥堵问题越显突出,已成为城市发展过程中迫切需要解决的问题之一。发展城市轨道交通已成为解决这些问题最有效的措施,但城市轨道交通主要修建于城市区域,将带来环境振动与噪声问题。例如,当地铁列车运行至振动敏感地段,地铁列车与线路基础结构相互作用引起的振动问题极大地困扰着城市居民的工作和生活环境,并且长期作用下将对周围建筑物造成破坏。为了解决城市轨道交通环境振动的问题,研发了很多减振措施,包括铺设了大量不同的减振轨道。另外,城市轨道交通引起的噪声问题,不仅影响乘客的乘坐舒适性,还对沿线声环境造成极大的影响,尤其是高架线路由于桥梁结构辐射噪声将会导致噪声问题更加突出。因此,本文采用列车-轨道-桥梁相互作用理论、声学边界元理论以及结构声学理论,以城市轨道交通铺设典型减振轨道的高架线路为研究对象,深入开展了城市轨道交通高架线路的低频声振特性研究;详细地研究了桥上轨道结构声学模型的建立方法和桥上典型减振轨道自身的低频声振特性及其机理;分析了铺设减振轨道箱梁桥的声振特性,对比研究了轨道和桥梁结构声振特性的共性和区别;探究了减振轨道铺设方式以及刚性桥面反射对轨道结构声辐射的影响。研究表明,本文建立的理论模型能够有效地预测城市轨道交通高架线路的结构低频声振特性,通过对比一跨桥上不同数量浮置板声学模型的计算结果,表明研究桥上轨道结构的声辐射特性时,需要建立整体轨道结构的声学模型进行求解,不能将其进行简化。钢弹簧浮置板在0~150Hz具有密集的小幅振动,振动形态主要表现为竖向弯曲振动,在自由声场中的声辐射规律表现规则。该频段浮置板的振型和振动形态吻合度较高,固有频率与振动频率相近,产生了共振现象,导致小幅振动引起了钢弹簧浮置板较强的声辐射能力。200~250Hz频段为钢弹簧浮置板的主振频段,剧烈的振动能够激发较强的声辐射能力,但在200~250Hz浮置板的振动形态主要为复杂的局部振动,声辐射没有明显的规律可循。两类钢弹簧浮置板的声振特性相近,短浮置板在0~50Hz的声辐射特性强于长浮置板的声辐射特性,并且不同的短浮置板在同一声场的声辐射贡献有很大差异。梯形轨枕减振轨道的振动主要集中在轨枕和减振垫部位,在200~250Hz范围内的声振特性最为显著,垂向减振垫在剧烈振动频段的减振作用更加显著。L型支座能够对轨枕和减振垫的声辐射传播产生较大影响,不仅改变了梯形轨枕的声辐射规律,同样也影响不同声场场点接收的声压。箱梁桥的声振频段集中在0~250Hz,低于轨道结构的声振频段。钢弹簧浮置板双线箱梁桥和梯形轨枕单线箱梁桥均在0~150Hz的振动最为密集,其中0~50Hz的声辐射能力最强,主要是因为共振效应和声辐射效率极大地增强了箱梁桥该频段的声辐射能力。两类箱梁桥在较低频段的声辐射规律都很规则,由于箱梁桥振动形态随频率的增大变得更加复杂,导致声辐射也不规律。两类箱梁桥在外激励作用下均能形成整体竖向弯曲振动和顶板(m,n)形态的局部振动特性,两种振动特性对箱梁桥的声辐射影响很大,上述两种振动形态的规整程度和形成的概率逐渐减弱顺序依次是:梯形轨枕单线箱梁桥、钢弹簧长浮置板和短浮置板双线箱梁桥。一般情况下单线箱梁桥所有板件的声辐射贡献明显强于双线箱梁桥的贡献,单线箱梁桥两侧腹板的声辐射贡献较为均衡,而双线箱梁桥运行侧腹板的声辐射贡献明显强于未运行侧腹板的贡献,单线箱梁桥的声辐射总体上强于双线箱梁桥的声辐射。城市轨道交通高架箱梁桥的降噪方案设计可以主要针对0~50Hz频段,但梯形轨枕单线箱梁桥的声辐射频段更宽,因此还需综合考虑其余频段。刚性混凝土桥面能够明显改变轨道结构的声辐射规律和声场受声点接收的声压,水平和远场声场的声压有大幅度增强。距离减振轨道25m处水平声场场点,钢弹簧短浮置板和梯形轨枕减振轨道的整体声压分别增大了约26.2dB/L和6.3dB/L。钢弹簧浮置板正上方的声场则更加集中,短浮置板和长浮置板正上方场点的整体声压分别增大了约0.8dB/L和0.5dB/L。梯形轨枕由于L型支座对轨枕和减振垫的声辐射存在遮蔽效应,因此与桥面反射效应共同影响其上方声场的声辐射特性,正上方部分区域的整体声压反而有不同程度的减小。


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