阻尼板材在高架轨道箱梁结构噪声控制中的应用研究

2021-03-17欧开宽雷晓燕

振动与冲击 2021年5期

欧开宽，罗锟，雷晓燕

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，南昌 330013)

列车在高架桥梁结构上运行时，会诱发桥梁结构振动噪声问题[1-2]，近年来，高架桥梁结构振动噪声问题越来越突出。桥梁结构振动会对周围结构造成一定危害，桥梁结构噪声频率低、衰减慢和影响范围广等，长期处于该环境中会对人体健康造成一定的危害[3-5]。因此，对桥梁结构开展减振降噪研究具有重要的现实意义。目前，国内外学者对桥梁结构噪声做了大量的研究。文献[6]在混凝土箱梁结构噪声试验的基础上，研究了不同轨道结构对桥梁结构噪声的影响。文献[7]利用数值仿真的方法，研究了不同降噪措施下混凝土U梁的噪声特性。文献[8]通过有限元、边界元方法及声学试验，研究了混凝土箱梁原型与模型结构噪声之间的相似关系。文献[9]通过模态声传递向量法，分析了箱梁与槽型梁结构噪声的特点。文献[10]研究了槽形梁结构噪声特性，并对结构低频噪声进行了合理优化。文献[11]利用有限元法，研究了时速60 km的列车过桥时桥梁结构噪声辐射特性。文献[12]研究了TD09型阻尼板材在铁路箱型桥梁中的减振性能。文献[13]通过现场测试，分析了扣件刚度与阻尼对铁路箱梁结构噪声的影响。文献[14]研究了约束阻尼层对铁路常用的钢板组合桥结构噪声控制的影响。文献[15]研究了U梁在列车荷载作用下的结构噪声的声辐射规律。

目前，将阻尼材料用于箱梁结构噪声试验研究的相对较少。本文以京沪高速铁路32 m无砟轨道箱梁结构为原型，设计制作1/10的模型试验系统。通过模型试验，研究了阻尼板材对高架轨道箱梁结构噪声的降噪效果。

1 原型概况

原型结构为京沪高铁常用的32 m无砟轨道箱梁结构，由梁体、底座板、CA砂浆层、轨道板等组成。其中，箱梁体为预应力混凝土结构，全长32 m，计算跨径31.40 m，顶板宽12.00 m，梁高3 m，采用C50混凝土浇筑，底板宽5.5 m，上部结构为CRTS-II型双线板式无砟轨道。

2 模型结构制作

完整的模型为无砟轨道箱梁系统，按照1/10的几何尺寸制作的模型结构。文中的高架轨道箱梁模型结构为轨道-箱梁结构，即轨道板-CA砂浆层-底座板-箱梁结构，从下到上依次为梁体、底座板、CA砂浆层及轨道板，不含有钢轨。为进行不同工况研究，先安装一侧轨道板结构，进行相应的试验后，再安装另一侧。轨道-箱梁结构如图1所示，几何尺寸如图2所示。

(1) 箱梁

箱梁原型结构为单孔双线钢筋混凝土简支箱梁。模型结构按照几何相似比1/10进行设计，采用自密实混凝土和钢丝等材料现场制作，使用性能相似的4 mm钢丝代替受力钢筋，使用2 mm钢丝代替箍筋，经验证，其强度能够满足本实验要求。待养护28天后测得梁体密度为2 203 kg/m3、弹性模量为30 GPa。箱梁和桥墩之间通过弹性支座连接，支座刚度为2.8×108N/m。

(2) 底座板

根据模型设计，混凝土底座板宽度为295 mm，厚为30 mm，两条底座板的中心相距500 mm。底座板在养护后的箱梁体上浇筑。为保证底座板的强度、完整性及与原型能够相似，在底座板内布置一定数量的钢筋网结构。钢筋网结构中主筋为2 mm细钢筋，钢筋网用扎丝扎劳。经验证，其强度能够满足试验要求。养护后测得底座板密度为2 149 kg/m3、弹性模量为32.7 GPa。

(3) 橡胶板层

在原型结构中，底座板与轨道板之间为CA砂浆层。在模型设计中，用橡胶板进行代替，数值仿真模拟时，使用弹簧单元进行模拟。橡胶板厚度为10 mm，使用阻尼膏将橡胶板固定在底座板与轨道板之间。经测定，橡胶板密度为1 550 kg/m3，刚度为3.5x107N/m，弹性模量为3.6 GPa。

(4) 轨道板

轨道板单独预制，安装时只需将预制好的轨道板粘结固定在橡胶板层上。由于制作工艺的限制，轨道板上侧设计为长方体凸台。根据模型设计，轨道板模型长为645 mm，宽为255 mm，厚为30 mm，两条轨道板的中心相距500 mm。轨道板内布置纵向直径为2 mm、横向直径为2 mm的钢筋片网结构，为确保凸台与轨道板完整性，在凸台部分设计了一部分弯起钢筋。经过验算，钢筋网的强度满足试验要求。养护后测得轨道板密度为2 253 kg/m3、弹性模量为28.8 GPa。

图1 轨道-箱梁模型结构Fig.1 Track-box girder model structure

图2 轨道-箱梁结构几何尺寸(mm)Fig.2 Geometric size of track-box girder (mm)

3 相似关系

根据相似理论，原型与模型结构涉及的物理量有：荷载F、几何尺寸L、截面惯性矩I、质量m、重力加速度g、阻尼c、时间T、频率f、箱梁弹性模量E1、箱梁泊松比σ1、箱梁密度ρ1、箱梁位移δ1、支座刚度k1、箱梁速度v1、箱梁加速度a1、底座板弹性模量E2、底座板密度ρ2、底座板泊松比σ2、底座板位移δ2、底座板速度v2、底座板加速度a2、橡胶板刚度k2、轨道板弹性模量E3、轨道板密度ρ3、轨道板泊松比σ3、轨道板位移δ3、轨道板速度v3、轨道板加速度a3。以几何尺寸L、箱梁密度ρ1、箱梁弹性模量E1作为控制参数，通过量纲分析法[16-18]可推导出原型与模型结构各参数间的相似关系，并根据实测，即可得各参数的相似比，结果如表1所示。其中，箱梁几何尺寸L相似比为10，箱梁弹性模量E1相似比为1.206 7，箱梁密度ρ1相似比为1.134 5。

表1 相似关系

4 试验测试

本文将使用阻尼材料进行桥梁结构噪声控制模型试验研究。

4.1 测试概况

试验仪器有激振器、德国HEAD振动噪声采集分析系统和GRAS传声器，试验仪器如图3所示。测试前，各个仪器、传感器等均经过标定。由于现场列车车辆过桥的荷载比较复杂，模型桥仅采用激振器施加激励进行模拟。激振器荷载类型为随机猝发信号，采集频率为1～1 024 Hz。整个测试过程都在半消声室内进行，试验前使用吸声棉包裹激振器做一定的隔声处理，尽最大可能避免影响测试结果。

(a) GRAS传声器(b) HEAD采集系统图3 试验仪器Fig.3 Test Instruments

4.2 阻尼板材

TD09型高性能阻尼板材是一种在汽车、航天及船舶中应用较多的减振降噪材料。它是以阻尼胶、阻尼填料、交联剂、阻燃剂等为原材料的黑色平整块状结构，厚度约为1 cm，其敷设施工简单、使用时间长、不易老化，可以很好的抑制箱梁结构的振动噪声，适合在箱梁平整的表面上敷设，因此，本文选择TD09型阻尼板材进行试验研究。

4.3 工况及测点设置

为了从试验的角度分析阻尼板材敷设位置对箱梁结构噪声的影响，试验中分别在箱梁不同面板敷设阻尼板材。根据阻尼板材的敷设位置，建立了四种工况，如表2所示，阻尼板材敷设位置如图4所示。为避免试验本身造成的影响，各工况下仅阻尼板材的敷设位置有差异，阻尼板材的材质、敷设工艺等相同，试验的激励及激励位置相同，其他试验条件相同。各测试工况下阻尼板材敷设位置都靠近含有轨道板结构的一侧。

在桥梁结构跨中截面布置5个GRAS传声器。五个测点1～5的位置为：轨道板上方0.05 m，翼缘板上方0.05 m和翼缘板下方位置0.05 m，腹板左侧0.05 m及底板下方0.05 m各1个，激励作用点及传声器的位置如图4所示。

表2 工况设置

5 试验结果分析

为研究阻尼板材的降噪效果，将未敷设阻尼板材的试验测试结果与敷设阻尼板材的试验测试结果进行对比分析。

5.1 翼缘板敷设阻尼板材的降噪效果分析

将未敷设阻尼板材的测试结果与翼缘板下侧敷设阻尼板材的测试结果进行对比，即将工况1与工况2对比，两种工况的测试如图5所示。桥梁结构噪声以低频为主，为与规范进行对比，分析时采用A计权声压级，两种工况下各测点的A计权声压级有效值如表3所示，两种工况下各测点的实测频域声压级对比如图6所示。

(a) 工况1(b) 工况2(c) 工况3(d) 工况4

表3 测点声压级有效值

由表3及图6可以发现：① 在翼缘板下侧敷设阻尼板材对箱梁结构噪声具有一定的降噪效果，各位置处的降噪效果有所不同，翼缘板的上侧与下侧、腹板及底板位置噪声分别降低了1 dB(A)、1.6 dB(A)、1.1 dB(A)、1.2 dB(A)，敷设阻尼板材处的降噪效果最好，而轨道板靠近激励源，降噪效果不明显；② 各测点噪声的峰值频段均为200～1 000 Hz，且阻尼板材在峰值频段内均具有一定的降噪效果，其中翼缘板的上侧与下侧、腹板及底板处测点在峰值频率500 Hz处噪声降噪分别约为1.3 dB(A)、1.1 dB(A)、1.1 dB(A)及3.4 dB(A)。

(a) 工况1

(b) 工况2图5 结构噪声测试过程Fig.5 Structural noise testing process

(a) 测点1比较(b) 测点2比较(c) 测点3比较

(d) 测点4比较(e) 测点5比较图6 各测点声压级1/3倍频程频谱Fig.6 Sound pressure level 1/3 octave spectrum of each measuring point

5.2 腹板敷设阻尼板材的降噪效果分析

将未敷设阻尼板材的测试结果与腹板敷设阻尼板材的测试结果进行对比，即将工况1与工况3对比，结构噪声测试如图7所示，各测点的A计权声压级有效值如表4所示，各测点的实测频域声压级对比如图8所示。

表4 测点声压级有效值

由表4及图8可以发现：① 在腹板敷设阻尼板材对箱梁结构噪声具有一定的降噪效果，各位置处的降噪效果有所不同，翼缘板的上侧与下侧、腹板及底板处噪声分别降低了1.3 dB(A)、0.1 dB(A)、1.5 dB(A)、3.8 dB(A)，底板处的降噪效果最好，腹板次之，而翼缘板下侧处降噪效果不明显。② 各测点噪声的峰值频段

(a) 工况1

(b) 工况3图7 结构噪声测试过程Fig.7 Structural noise testing process

(a) 测点1比较(b) 测点2比较(c) 测点3比较

(d) 测点4比较(e) 测点5比较图8 各测点声压级1/3倍频程频谱Fig.8 Sound pressure level 1/3 octave spectrum of each measuring point

均为200～1 000 Hz，阻尼板材在峰值频段内均具有一定的降噪效果，其中翼缘板的上侧与下侧、腹板及底板处测点在峰值频率500 Hz处噪声降噪分别约为0.5 dB(A)、0.9 dB(A)、1 dB(A)及4.4 dB(A)。

5.3 腹板与翼缘板同时敷设阻尼板材的降噪效果分析

在箱梁腹板与翼缘板下侧位置同时敷设阻尼板，即将工况1与工况4对比，结构噪声测试如图9所示，各测点的A计权声压级有效值如表5所示，各测点的实测频域声压级对比如图10所示。

表5 测点声压级有效值

由表5及图10可以发现：① 在腹板及翼缘板下侧同时敷设阻尼板材对箱梁结构噪声具有一定的降噪效果，各位置处的降噪效果有所不同，翼缘板的上侧与下侧、腹板及底板位置噪声分别降低了0.8 dB(A)、0.8 dB(A)、1.4 dB(A)、3 dB(A)，底板处的降噪效果最好，腹板次之，翼缘板上侧与下侧处降噪效果较小。② 各测点噪声的峰值频段均为200～1 000 Hz，阻尼板材在峰值频段内均具有一定的降噪效果，其中翼缘板的上侧与下侧、腹板及底板位置测点在峰值频率500 Hz处噪声降噪分别约为1.5 dB(A)、1.1 dB(A)、0.8 dB(A)及5.3 dB(A)。