城市轨道交通桥梁结构噪声特性及降噪技术研究92

博士学位论文城市轨道交通桥梁结构噪声特性及降噪技术研究（国家自然科学基金项目编号：50908178）姓名：韩江龙学号：0910020033所在院系：土木工程学院学科门类：工学学科专业：桥梁与隧道工程指导教师：吴定俊教授二〇一二年九月AdissertationsubmittedtoTongjiUniversityinconformitywiththerequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringCandidate:Jiang-LongHanStudentNumber:0910020033School/Department:SchoolofCivilEngineeringDiscipline:EngineeringScienceMajor:BridgeandTunnelEngineeringSupervisor:Prof.Ding-JunWuSeptember,2012StudyonStructure-bornedNoiseCharacteristicsandNoise-reductionTechnologyofUrbanRailTransitBridges（SurportedbytheNatonalNaturalScienceFoundationofChinaGrantNo：50908178）学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：年月日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月日同济大学博士学位论文摘要I摘要随着城市化进程和经济的快速发展，城市公共交通面临的压力日益增大。而轨道交通集经济、环保、节能、高效和安全于一体，成为我国人口密集城市交通建设的趋势。轨道交通高架线建设周期短、费用低，运营后维护便利，在经济实力较弱的城市应优先考虑；但高架结构的噪声污染重于地下线已成为制约其发展的重要因素。以此为背景，本文详细研究了桥梁结构噪声的相关问题。以往的噪声计算中，通过结构的导纳或者模拟激励力粗略求解结构振动，并据此计算梁体的声辐射，或者仅进行频域内的分析，这难以精细模拟结构在实际运营下的噪声时程。本文引入模态叠加法精细计算声辐射，并详细讨论了计算时选用的参数。该法首先以自编程序精细分析车、轨和桥在列车通过时的耦合振动，同时以结构的模态作为声辐射的边界条件以商用程序计算模态声压，最后联合以上两步骤，叠加得到结构辐射噪声的总声压。上海轨道交通8号线的实测结果验证了本方法的可靠性。8号线实测噪声的频谱分析表明C型车70km/h通过时，槽型梁的1/3倍频程峰值频率在40Hz～80Hz之间。列车编组的车辆数对结构噪声的总声压级影响不大，但噪声持续时间延长。数值计算表明:无论是槽型梁还是箱型梁,结构噪声的1/3倍频程峰值频率都在40Hz～80Hz之间。对结构进行面板的声压贡献量分析表明：槽型梁的底板对空间场点的声压起控制作用，箱梁的底板对近场点声压起主要作用，底板和顶板对远场点起主要作用。腹板的贡献微弱。讨论了不同结构参数（梁的跨高比、板厚、边界条件）对槽型梁声辐射的影响，分析了不同轨道结构（采用高弹性扣件和浮置板）的降噪效果。最后比较了不同梁型的声学性能优劣，初步探索了产生此种现象的机理。分析表明：声学性能最好的梁型是双线的单箱双室梁，同时每线的两股轨道应布置在外腹板两侧。声学性能最差的是槽型梁。有效的降噪手段是采用高弹性扣件和浮置板轨道结构。综合考虑减振降噪效果和设计、施工和维护等因素，宜优先选用6m长的梯形浮置板（梯形轨枕），其次是6m板式浮置板和高弹性扣件。关键词：城市轨道交通，结构噪声，模态叠加法，浮置板，高弹性扣件，降噪TongjiUniversityDoctorofEngineeringAbstractIABSTRACTThepressureoftheurbanpublictransportisincreasingwiththerapiddevelopmentofurbanizationprocessandeconomy.Andtheurbanrailtransitiseconomic,environmentallyharmless,energy-saving,efficientandsafe.So,itisatrendtoconstructurbanrailtransit.Inthecitywithweakeconomicpower,theviaductshouldbeselectedbecauseithasshortperiodandlowcosttoconstructandconvinenttomaintain.Thenoiseoftheviaductisbiggerthanthatofthesubway,whichimpedestheapplicationoftheviaduct.Underthisbackground,thebridge-bornenoiseisstudiedindetailinthispaper.Whenthestructure-bornenoisewascalculatedpreviously,thebridgevibratingvelocitywasfirstworkedoutthroughadmittanceorsimulatedexcitingforce.Ortheacousticradiationwasonlycomputedinfrequencydomain.Butitwasdifficulttocalculatethenoisepreciselyunderurbanrailtransittrainsbythismean.Nowthemodesuperpositionmethodisappliedtocomputetheacousticradiationofthebeam,andtherelatedparametersofthismethodarediscussed.Intheprocess,thecouplingvibrationoftheveicle,trackandbridgeisanalyzed,atthesametimethemodalacousticpressureiscalculatedonconditionthatthemodalvelocityofthebeamhasbeenknown.Thenthemodalacousticpressureissuperposedtoacquirethesoundpressureradiatedfromthebeambasedontheabovetwosteps.Thereliabilityofthenewmethodhasbeenverifiedbythetestonthe8thlineoftheShanghairailtransit.Thetestshowesthatthepeakfrequenciesofthestructure-bornenoiseofthetroughbeamarebetween40Hzand80HzwhenthespeedoftheCtrainwas70km/h.andthetotalveiclemumberhaslittleinfluenceonthesoundpressurelevel,butthenoisefromthetrainwith7veiclescanexistmoretimethanthatofthetrainwith6veicles.Moreover,thenumericalresultsshowthatthepeakfrequenciesofthenoiseradiatedfromthetroughbeamandtheboxbeamarebothbetween40Hzand80Hz.Theacousticcontributionsofdifferentcomponentsofthebeamhavebeenanalyzied.Andthecomputedresultesshowthatthebottomdeckofthetroughbeamhasdominanteffectonthestructure-bornenoise.Fortheboxbeam,thenoiseofthenearfieldpointsarecoltrolledbythebottomdeck,whilethenoiseofthefarfieldpointsarecoltrolledbythetopandbottomdecks.Thewebeitherofthetroughbeamoroftheboxbeamhaslittleeffectonthestructure-bornenoise.同济大学博士学位论文城市轨道交通桥梁结构噪声特性及降噪技术研究IIThestructuralparametersofthetroughbeamhavebeenconsided.Thoseparametersincludethespan-depthratio,thethicknessandtheboundaryconditionsofthebeam.Thennoisereductioneffectofthedifferenttrackstructures,suchasthehighelasticfastenersandthefloatingslabs,hasbeenalsoanalyzed.Finallytheacousticperformanceofthedifferenttypebeamshasbeencompared.Alltheanalysisshowesthatthebeamwithtwoboxeshasthebsetexcellentacousticperformanceandthebadoneisthetroughbeam.Moreover,thetracksontheboxbeammustberespectivelyonthetwosidesoftheouter-web.Italsoshowesthehighelasticfastenerandthefloatingslabcanreducethestructure-bornenoiseeffectively.Inaword,afternoisereducutioneffction,structuredesign,constructionandmaintainceareallconsidered,toreducethestructure-bornenoiseeffectivelytheladdersleeperwith6mspanshouldbefirstapplied,thenthethefloatingslabwith6mspan,finallythehighelasticfasteners.KeyWords:urbanrailtransit,structure-bornenoise,modesuperpositionmethod,floatingslab,highelasticfastener,nois