高速铁路桥梁结构噪声辐射特性及预测方法

桥梁结构是我国高速铁路的主要结构方式，随着列车速度的提高和高速铁路的大量新建，高速铁路桥梁噪声扰民问题日益突出，已成为高铁建设和城市发展中人们关注的焦点。目前国内外学者对高速铁路桥梁结构噪声辐射特性及预测方法研究较少，少量的研究也主要限于低频范围，这些研究忽略了中高频振动的影响，低估了桥梁的结构振动与噪声，与实际情况有差异。本课题拟采用理论分析、数值计算和现场测试相结合的方法，通过建立列车-轨道-桥梁耦合系统模型，探索联合运用子结构和能量法分析宽频范围高速铁路桥梁结构振动的有效数值方法，研究高速铁路桥梁结构局部振动特性、共振机理及影响因素，分析桥梁结构高频振动与结构辐射噪声的相关性，以及桥梁结构噪声的空间分布和频谱特性。在此基础上提出高速铁路桥梁结构噪声的预测方法。研究成果对于低噪声高速铁路桥梁的设计，对于既有桥梁结构噪声的控制，对于新建桥梁噪声的预测具有重要的指导作用。

桥梁结构是高速铁路的主要结构方式，随着高速铁路的大量新建，高速铁路桥梁振动噪声问题日益突出，已成为高铁建设和城市发展中人们关注的焦点之一。本项目取得的主要成果如下：.1 高架桥梁轨道随机不平顺数据的采集、分析和模拟.编制了轨道不平顺数据分析程序，对实测的高速铁路随机不平顺数据进行预处理、统计分析、频谱分析、相干分析、功率谱密度函数拟合以及确定影响高速行车的不平顺波长范围。 .2高架桥梁轨道结构振动与噪声特性分析.建立了高架轨道轮轨垂向振动与噪声解析模型和有限元模型。采用动柔度法计算了桥梁和轨道的位移和速度导纳，分析了桥梁支座刚度、截面形状、桥梁基础和扣件刚度对桥梁和轨道结构振动的影响。建立了高架轨道桥梁结构轮轨噪声预测模型，分析了桥梁截面型式（箱型梁、U型梁）、行车速度、轨道扣件刚度、桥梁结构阻尼和支座刚度对高架轨道轮轨噪声的影响。.3 列车-无砟轨道-桥梁耦合系统有限元建模.运用子结构法、能量法和有限元法，建立以梁振动精确模态为插值函数的新型轨道单元和车辆单元模型。轨道单元包括无砟轨道－桥梁四层梁单元和无砟轨道－路基三层梁单元，车辆单元为4个具有二系悬挂的独立动轮单元，车体、转向架和车轮考虑沉浮振动，轮轨间为弹性协调接触。推导了车辆单元和轨道单元的刚度、质量和阻尼矩阵。建立了车辆－无砟轨道－桥梁（路基）系统的动力方程和有效数值方法。.4 列车-无砟轨道-桥梁耦合系统混合法建模.建立了有限元与统计能量（FE-SEA）混合法的高架轨道桥梁全局运动方程和局部运动方程，推导了修正的动力刚度矩阵和修正的力矩阵及全局模态输入功率的表达式，提出了混合法动力仿真计算框图，编制了计算软件。将混合法应用到高架轨道桥梁振动分析中，钢轨的低频和高频振动分别采用FEM和SEA模拟，轨道板及桥梁振动采用FEM仿真。模型考虑了短波和中长波轨道不平顺，实现了高架轨道桥梁结构从低频到高频全频段的随机振动分析。.5 列车-无砟轨道-桥梁耦合系统振动特性分析.利用车辆－无砟轨道－桥梁耦合系统混合法模型，考虑轨道不平顺激励、列车速度和轨道桥梁参数等因素，系统分析了轨道桥梁结构振动对轨道结构参数和不平顺波长的敏感性，得到了各工况下轨道桥梁各振动物理量的变化以及钢轨在整个频域范围内速度、加速度级的变化规律。