基于局部振动的轨道桥梁结构噪声预测方法及控制策略

桥梁结构噪声是高架轨道交通主要低频噪声来源，它容易引起人的烦恼，且难以从传播途径上控制。本课题从桥梁局部振动入手探讨结构噪声预测方法与控制策略。采用有限元法和模态叠加法建立列车-轨道-桥梁耦合振动模型，求解500 赫兹内桥梁局部振动响应。基于波动声学方法建立以桥梁和大地为边界的声场模型，以局部振动响应为声学边界条件进行结构噪声时域求解。依托上海城轨现场实测，验证局部振动与结构噪声数值计算结果，并修正相应计算模型，确保计算可靠性。在此基础上，采用数值计算与理论分析相结合的方法，研究局部振动与结构噪声各自特性。然后对结构噪声与局部振动的相关性以及影响结构噪声的参数敏感性进行分析，探明车辆动力特性、车速、轨道不平顺、轨道结构以及桥梁特性对结构噪声的影响机理和影响程度，并揭示影响结构噪声的关键参数。进而有针对性地提出结构噪声优化控制策略与概念设计方法。其成果可为结构噪声的预测与控制开辟新思路。

在城市高架轨道交通发展过程中，列车通过时产生的桥梁振动噪声问题逐渐为人们所重视。这种低频结构噪声对人的烦劳度、注意力、反映时间及语言交流都有不利影响，但是相对轮轨噪声而言研究较少。对此，我们提出了基于时域车轨桥耦合振动计算和频域边界元波动声学计算的桥梁低频结构噪声数值预测新方法，并进行4次现场测试及验证工作。首先，采用香港青马大桥健康监测系统采集的数据对25Hz以内桥梁振动响应的计算可靠性进行了检验；其次，采用上海轨道交通30m跨度U形梁现场振动测试结果对125Hz以内桥梁振动响应的计算可靠性进行验证；其后，采用30m跨度U梁现场噪声测试结果对200Hz以内结构噪声计算可靠性进行检验；最后，采用25m跨度U形梁现场振动、噪声同步测试对500Hz以内的振动、噪声计算精度进行分析。基于所提出的数值仿真计算方法，我们随后研究了桥梁结构构造、截面尺寸以及轨道结构形式对桥梁结构声辐射的影响，结果表明：桥梁结构噪声由各板件的高阶弯曲振动引起，减小跨度或者增加桥墩处约束不能有效减小梁体辐射的噪声；增加板厚对降低U形梁结构噪声影响较小，设置U梁加劲肋效果稍好，但远不及设置梯形轨枕或浮置板轨道结构达到的减振降噪效果噪声；箱形梁的结构噪声一般小于U形梁。此外，我们对桥梁结构噪声产生机理进行了探讨： U形梁底板振动对结构噪声起主导作用，腹板的贡献较弱，箱形梁底板对近场声压贡献较大而顶板对远场声压贡献显著；混凝土桥梁高频振动及辐射的低频结构噪声主要频率在30-100Hz之内，且这一频率与支撑在轨道结构之上的轮对的竖向基频相吻合，减振降噪应主要从减小轮轨短波粗糙度、优化轨道结构着手。