高速铁路高架桥梁结构噪声的产生机理与控制策略研究

控制高速铁路噪声辐射是当前国家和行业关注的焦点问题之一。高速铁路高架桥梁结构是一个弹性体，在高速列车经过时由于受到激励而产生振动，进而辐射噪声，因此高架桥线路噪声比路基区段辐射要严重。研究高架桥结构噪声的产生机理、传播规律和控制措施可促进高速铁路的技术创新与和谐发展，具有一定理论意义和重要的社会价值。本项目采用理论分析与现场试验相结合的方法，从高速列车-轨道-高架桥动态相互作用出发，建立高速列车-轨道-桥梁耦合动力学模型来预测高架桥结构的振动响应，结合高架桥结构声学边界元模型，探明高架桥结构噪声的产生机理与传播规律，并结合现场试验结果验证理论模型的正确性，重点对高架桥系统参数进行低噪声化研究，探索高架桥结构低噪声控制对策。本项目的创新点为：运用系统工程的思想，基于高速列车-轨道-高架桥梁耦合大系统动力学理论，全面考虑高速列车、轨道结构和高架桥系统的耦合动力作用对高架桥结构噪声辐射的影响。

控制高速铁路噪声辐射是当前国家和行业关注的焦点问题之一。采用理论分析、数值仿真与现场试验相结合的方法，从高速列车-轨道-高架桥动态相互作用出发，分别从时域与频域建立了高速列车—轨道—桥梁耦合动力学模型来预测高架桥结构的振动响应，模型中充分考虑了高速车辆、无砟轨道和高架桥梁的相互耦合作用，研究探明了轮轨系统和轨道-桥梁耦合系统的振动传递特性与振动能量分布；把高架桥梁振动响应结果作为边界条件建立了高架桥结构声学边界元模型，探明了高架桥结构噪声的产生机理与传播规律，并结合现场试验结果验证理论模型的正确性，重点对高架桥系统参数进行低噪声化研究，探索了列车荷载、列车速度、轨道不平顺、轨道结构形式、轨下胶垫、钢轨TMD、轨道板TMD以及高架桥结构自身设计等对桥梁振动与噪声的影响。在分析高架桥梁噪声时也充分考虑了轮轨噪声与桥梁噪声共同作用影响机制。结果表明，充分地考虑车辆、轨道和桥梁系统的耦合效应对精确计算分析高架桥梁结构噪声影响较大；板壳单元能够很好的反映桥梁结构的整体及局部振动特性；采用有限元-边界元方法能够有效的计算分析桥梁结构产生的低频噪声；扣件刚度对钢轨的振动位移和箱梁底板的振动加速度影响较大，对高架箱梁结构噪声的影响主要在32Hz以下；行车速度对钢轨的振动加速度和箱梁底板的振动位移影响较大，对高架桥梁结构噪声的影响比较强烈，而且距离线路中心线距离越远的场点，其所受车速影响越大；轨道不平顺中长波对桥梁结构噪声影响较大，而短波对轮轨噪声影响较大；桥梁声屏障几乎对桥梁结构噪声传播没有影响；地面反射对声场分布的影响明显，增强了桥梁声辐射的指向性，对建筑物集中的远场区域影响较大；减振型轨道结构能有效地降低桥梁结构振动与噪声辐射；钢轨吸振器能有效地降低轮轨振动振源的强度，而对于桥梁结构噪声降低影响较小。因此，从列车-轨道-桥梁系统相互作用出发研究高架桥结构噪声的产生机理、传播规律和控制措施，提出高速铁路高架桥系统结构低噪声化与动力学性能匹配设计原则、方法与手段，可促进高速铁路的技术创新与和谐发展，具有一定理论意义和重要的社会价值。