輪軌動(dòng)荷載作用下全封閉聲屏障的振動(dòng)分析

蔡理平，李小珍，陳錫民，邵華平，楊得旺

（1. 廣州鐵路（集團(tuán)）公司，廣東 廣州 510600；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

輪軌動(dòng)荷載作用下全封閉聲屏障的振動(dòng)分析

蔡理平1，李小珍2，陳錫民1，邵華平1，楊得旺2

（1. 廣州鐵路（集團(tuán)）公司，廣東 廣州 510600；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

以全封閉聲屏障為研究對(duì)象，分析CRH2型動(dòng)車組、C80型貨車輪軌動(dòng)荷載作用下聲屏障的振動(dòng)響應(yīng)。建立金屬吸聲板聲屏障、混凝土聲屏障與32 m箱梁耦合的有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?，分析列車作用在箱梁上的輪軌力。通過計(jì)算得到不同列車速度下聲屏障的位移和加速度響應(yīng)，分析動(dòng)位移、振動(dòng)加速度、頻譜特性和總振級(jí)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：輪軌動(dòng)荷載作用下聲屏障的豎向、橫向位移很小，均在2 mm以內(nèi)；動(dòng)車組作用下聲屏障的振動(dòng)加速度峰值可達(dá)5 m/s2；金屬吸聲板聲屏障各考察點(diǎn)處的豎、橫向振動(dòng)加速度在各車速下均較混凝土聲屏障大；聲屏障振動(dòng)加速度級(jí)在頻率40～80 Hz出現(xiàn)第一個(gè)峰值（較大），在頻率400～800 Hz出現(xiàn)次峰值（較?。?/p>

全封閉聲屏障；振動(dòng)響應(yīng)；輪軌動(dòng)荷載；箱梁

高速鐵路為人們帶來一種方便、快捷和舒適的出行方式，但同時(shí)其噪聲也給周邊環(huán)境帶來了嚴(yán)重影響，國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路噪聲控制進(jìn)行了大量研究[1-3]。在高速鐵路建設(shè)工程中，聲屏障是降低車外噪聲的有效措施[4-5]。

由于直立式或半封閉聲屏障具有“敞開性”，仍存在大量的直達(dá)聲，同時(shí)繞射現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因此降噪效果有限[6]。全封閉聲屏障可以把聲源“封閉”起來，與直立式或半封閉聲屏障相比，絕大部分聲波在傳播過程中被聲屏障吸收和反射，不存在繞射聲。在密閉性能良好的前提下，只有少量聲波會(huì)透射過全封閉聲屏障到達(dá)敏感目標(biāo)點(diǎn)，因此，全封閉聲屏障可取得最佳的降噪效果[7]。

聲屏障作為高速鐵路降噪的重要措施，在列車高速行駛的環(huán)境下，對(duì)其強(qiáng)度、抗疲勞性能均有較高要求。聲屏障的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)引起連接件的疲勞進(jìn)而影響服役周期甚至威脅列車運(yùn)行安全[8]。通過數(shù)值分析研究高架橋上全封閉聲屏障在動(dòng)車組（CRH2型）、貨車（C80型）輪軌動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)，可為橋上全封閉聲屏障的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

作為我國(guó)“四縱四橫”客運(yùn)專線網(wǎng)四縱之一的深（圳）茂（名）鐵路，是連接廣東與海南、廣西的主通道之一，東起廣東深圳，經(jīng)東莞、廣州、中山市后，在江門地區(qū)通過江門南站分別連接廣珠鐵路、廣珠城際鐵路。線路自江門南站南端引出，向西經(jīng)過新會(huì)的銀州湖地區(qū)后，跨越潭江繼續(xù)向西經(jīng)陽江市到達(dá)茂名市，全長(zhǎng)約394 km。

由于受新會(huì)區(qū)城市規(guī)劃的影響，以及江門南站站位及南端小半徑曲線的限制，深茂鐵路無法遠(yuǎn)離新會(huì)區(qū)的小鳥天堂區(qū)域。深茂鐵路新會(huì)段距離小鳥天堂較近的線路區(qū)段約3 km，距小鳥天堂風(fēng)景區(qū)規(guī)劃邊界北面約300 m，距小鳥天堂現(xiàn)管理邊界北面約630 m，距景區(qū)內(nèi)鳥類集中分布區(qū)（竹島）約670 m，距大榕樹約800 m[9]（見圖1）。

目前，全封閉聲屏障僅應(yīng)用在少數(shù)城市軌道交通中，在高速鐵路中尚未得到應(yīng)用[9]。為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司率先嘗試在深茂鐵路上使用全封閉聲屏障。

圖1 深茂鐵路與小鳥天堂的地理位置[9]

圖2為兩種聲屏障方案的橫截面圖。金屬吸聲板聲屏障方案由鋼拱架和金屬單元板組成，每榀鋼拱架縱向間距2 m，金屬單元板長(zhǎng)2.0 m、寬0.5 m。混凝土聲屏障方案由鋼拱架和高韌性混凝土蓋板組成，每榀鋼拱架縱向間距2 m，混凝土蓋板厚5 cm，蓋板外弧長(zhǎng)分為2.604 m、2.302 m兩種。兩種聲屏障鋼拱架均為H型鋼，且結(jié)構(gòu)尺寸完全一致。兩種聲屏障拱腳橫向間距均為11.650 m，金屬吸聲板聲屏障高9.075 m，混凝土聲屏障高9.125 m。

圖2 全封閉聲屏障的橫截面

2 車致振動(dòng)分析模型

2.1 全封閉聲屏障-箱梁耦合有限元模型

聲屏障柱腳通過螺栓錨固在箱梁頂板翼緣基座上。在輪軌動(dòng)荷載作用下，作用在箱梁上的振動(dòng)能量通過柱腳傳遞給聲屏障。以高速鐵路32 m簡(jiǎn)支箱梁為例進(jìn)行分析，混凝土箱梁跨中截面尺寸見圖3，頂板寬11.600 m，厚0.334 m；底板寬5.000 m，厚0.280 m；梁高2.7 m；腹板厚0.36 m。

圖3 32 m箱梁跨中橫截面

假定聲屏障鋼拱架與混凝土箱梁翼緣固接。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，根據(jù)兩種聲屏障的構(gòu)造特點(diǎn)，忽略金屬單元板和高韌性混凝土蓋板對(duì)鋼拱架的剛度貢獻(xiàn)，將其視為附加質(zhì)量施加在鋼拱架上。因此，兩種聲屏障動(dòng)力分析模型的差異性體現(xiàn)在鋼拱架的附加質(zhì)量上。全封閉聲屏障-箱梁耦合的有限元模型見圖4。

在該模型中，鋼拱架和縱向連接系采用兩節(jié)點(diǎn)空間梁?jiǎn)卧炷料淞翰捎盟墓?jié)點(diǎn)板單元，鋼拱架柱腳節(jié)點(diǎn)與箱梁翼緣節(jié)點(diǎn)采用共節(jié)點(diǎn)處理。二期恒載取165 kN/m，以面荷載的形式均勻施加到箱梁頂板上。

圖4 全封閉聲屏障-箱梁耦合有限元模型

2.2 動(dòng)態(tài)輪軌力

采用西南交通大學(xué)的車-線-橋耦合振動(dòng)分析程序BDAP 2.0[10]得到列車作用在橋梁上的輪軌力。車型分別采用CRH2型動(dòng)車組和C80型貨車，速度分別取200 km/h和80 km/h，軌道不平順采用ISO 3095: 2005制定的軌道譜[11]。

圖5為動(dòng)車組（CRH2型，8節(jié)編組，車速200 km/h）作用下的動(dòng)態(tài)輪軌力頻譜圖。從圖中可以看出，輪軌力的峰值主要集中在頻率40～80 Hz，并且由于多輪對(duì)的反射疊加作用，輪軌力在高頻段有較多的波動(dòng)。

圖6為貨車（C80型，20節(jié)編組，車速80 km/h）作用下的動(dòng)態(tài)輪軌力頻譜圖。從圖中可以看出，輪軌力的峰值主要集中在頻率60～100 Hz，并且由于多輪對(duì)的反射疊加作用，輪軌力在高頻段有較多的波動(dòng)；動(dòng)態(tài)輪軌力較動(dòng)車組（CRH2型）作用時(shí)小。

圖5 動(dòng)車組引起的動(dòng)態(tài)輪軌力頻譜圖

圖6 貨車引起的動(dòng)態(tài)輪軌力頻譜圖

2.3 振動(dòng)響應(yīng)輸出點(diǎn)

聲屏障振動(dòng)響應(yīng)輸出點(diǎn)示意見圖7。僅考慮兩種全封閉聲屏障的鋼拱架（H型鋼）以及橋梁跨中的動(dòng)力響應(yīng)?？疾?個(gè)振動(dòng)響應(yīng)輸出點(diǎn)，包括5個(gè)聲屏障輸出點(diǎn)和1個(gè)橋梁跨中輸出點(diǎn)。5個(gè)聲屏障動(dòng)力響應(yīng)輸出點(diǎn)分別編號(hào)1#、2#、3#、4#、5#，分別為拱頂、1/4拱、1/2拱、3/4拱和拱腳。

圖7 聲屏障振動(dòng)響應(yīng)輸出點(diǎn)示意圖

3 振動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果

3.1 時(shí)域內(nèi)的動(dòng)位移對(duì)比

圖8為動(dòng)車組（CRH2型）與貨車（C80型）分別作用時(shí)，不同列車速度下兩種聲屏障方案各考察點(diǎn)的豎向與橫向動(dòng)位移峰值對(duì)比。從圖中可以看出：

（1）對(duì)于豎向位移，動(dòng)車組作用下聲屏障的最大響應(yīng)可達(dá)0.50 mm；貨車作用下聲屏障的最大響應(yīng)約1.50 mm；橋梁跨中以及聲屏障拱腳的豎向位移較??；鋼拱架豎向位移大于箱梁豎向位移，這與拱圈存在局部振動(dòng)有關(guān)，并且最大豎向位移響應(yīng)出現(xiàn)在1/2拱附近，即3#、4#點(diǎn)處。

圖8 兩種方案的動(dòng)位移峰值對(duì)比

（2）對(duì)于橫向位移，動(dòng)車組作用下聲屏障的最大響應(yīng)約0.35 mm；貨車作用下聲屏障的最大響應(yīng)約0.90 mm；橋梁跨中橫向位移幾乎為0；聲屏障的最大橫向位移響應(yīng)出現(xiàn)在拱頂，即1#點(diǎn)處，并且鋼拱架自拱頂至拱腳，橫向位移逐漸減小。由于該線路為雙線鐵路，對(duì)于聲屏障來說，列車偏心加載使箱梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)聲屏障鋼拱架產(chǎn)生橫向位移。因此，拱頂處因箱梁的扭轉(zhuǎn)引起的橫向位移最大，而越靠近拱腳位置橫向位移越小。

（3）貨車作用下各考察點(diǎn)的動(dòng)位移最大值較動(dòng)車組作用時(shí)大，這是由于前者的荷載大，而位移響應(yīng)主要受列車軸重的影響。

（4）金屬吸聲板聲屏障鋼拱架豎、橫向動(dòng)位移最大值在各車速下均較混凝土聲屏障大。列車速度越大，通過時(shí)聲屏障位移響應(yīng)越大。

（5）兩種聲屏障方案對(duì)箱梁的動(dòng)位移最大值（豎向與橫向）基本無影響。

3.2 時(shí)域內(nèi)的振動(dòng)加速度對(duì)比

圖9為動(dòng)車組（CRH2型）與貨車（C80型）分別作用時(shí)，不同列車速度下兩種聲屏障方案各考察點(diǎn)處的豎向與橫向振動(dòng)加速度峰值對(duì)比。從圖中可以看出：

（1）當(dāng)動(dòng)車組列車運(yùn)行速度超過200 km/h時(shí)，金屬吸聲板聲屏障豎向、橫向振動(dòng)加速度最大接近5 m/s2；混凝土聲屏障豎向、橫向振動(dòng)加速度最大約4 m/s2。在貨車輪軌動(dòng)荷載作用下，聲屏障豎向加速度小于1.2 m/s2，橫向加速度小于1.6 m/s2。

（2）兩種聲屏障方案下各考察點(diǎn)處的豎向與橫向振動(dòng)加速度最大值均出現(xiàn)在1/2拱附近，即3#與4#考察點(diǎn)處，且豎向與橫向振動(dòng)加速度基本相等。對(duì)于橋梁而言，金屬吸聲板方案，跨中豎向振動(dòng)加速度小于1.5 m/s2；混凝土方案，跨中豎向振動(dòng)加速度小于0.3 m/s2；橋梁跨中橫向振動(dòng)加速度幾乎為0。

圖9 兩種方案的振動(dòng)加速度峰值對(duì)比

（3）通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，動(dòng)車組作用下各考察點(diǎn)的加速度最大值均比貨車作用時(shí)大，這是由于前者的速度快，而加速度響應(yīng)主要受列車速度的影響。列車速度越大，列車通過時(shí)聲屏障振動(dòng)加速度越大。由于混凝土聲屏障質(zhì)量大，對(duì)體系的剛度貢獻(xiàn)量大，故混凝土聲屏障的振動(dòng)加速度要小于金屬聲屏障。

在我國(guó)高鐵規(guī)范TB 10621—2014[12]中，橋面豎向和橫向振動(dòng)加速度限值分別為3.5 m/s2（有砟軌道）和1.4 m/s2。由圖9可知，箱梁的振動(dòng)加速度滿足限值要求，而聲屏障振動(dòng)已超過高鐵規(guī)范對(duì)于橋面振動(dòng)加速度限值的要求。

3.3 頻譜特性

動(dòng)車組和貨車作用下，金屬吸聲板聲屏障和混凝土聲屏障各考察點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)頻譜曲線見圖10、圖11。

由圖10、圖11可以看出，各考察點(diǎn)處的振動(dòng)加速度級(jí)頻譜圖變化規(guī)律基本一致，均在頻率40～80 Hz出現(xiàn)第一個(gè)峰值（較大），在頻率400～800 Hz出現(xiàn)次峰值（較小）。這是由于輪軌動(dòng)荷載分別在該2個(gè)頻段內(nèi)出現(xiàn)峰值，且第一個(gè)峰值大于第二個(gè)峰值。

隨著列車速度的提高，橋梁跨中、鋼拱架各考察點(diǎn)處的橫向與豎向的總振級(jí)均呈增大趨勢(shì)。聲屏障的豎向與橫向振動(dòng)加速度級(jí)基本相等，而橋梁的豎向振動(dòng)加速度級(jí)明顯大于橫向振動(dòng)加速度級(jí)。動(dòng)車組作用下各頻段的最大振動(dòng)加速度級(jí)較貨車作用振動(dòng)加速度級(jí)時(shí)大5~10 dB。

3.4 總振級(jí)對(duì)比

圖12為動(dòng)車組（CRH2型）與貨車（C80型）分別作用時(shí)，兩種聲屏障方案鋼拱架各考察點(diǎn)處的豎向與橫向總振級(jí)對(duì)比。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

圖10 金屬吸聲板聲屏障方案的振動(dòng)加速度級(jí)頻譜圖

圖11 混凝土聲屏障方案的振動(dòng)加速度級(jí)頻譜圖

（1）對(duì)于橋梁跨中而言，豎向總振級(jí)明顯比橫向總振級(jí)大，并且采用混凝土聲屏障方案時(shí)的總振級(jí)比金屬吸聲板聲屏障方案小。主要原因?yàn)椋毫熊嚈M向搖擺力較列車豎向荷載小，且橋梁橫向剛度較大；混凝土聲屏障質(zhì)量較大，對(duì)橋梁的剛度貢獻(xiàn)量大。

（2）金屬吸聲板聲屏障各考察點(diǎn)的豎、橫向總振級(jí)在各車速下均較混凝土聲屏障大。動(dòng)車組作用下，二者總振級(jí)的差值大約為4 dB（豎向）和5 dB（橫向）。

（3）兩種聲屏障方案下，鋼拱架各考察點(diǎn)處橫向總振級(jí)最大值均出現(xiàn)在1/2拱附近，即3#與4#處。并且鋼拱架各考察點(diǎn)處的豎向與橫向總振級(jí)大小相差不大，橫向略大于豎向，說明聲屏障鋼拱架的橫向與豎向振動(dòng)均較明顯。

（4）貨車作用下各點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)（豎向與橫向）比動(dòng)車組作用下的振動(dòng)加速度級(jí)約小10 dB。

4 聲屏障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗疲勞性能

考慮自質(zhì)量、列車活載、列車氣動(dòng)力等使用荷載及列車輪軌力對(duì)聲屏障振動(dòng)組合作用下，聲屏障立柱最大平均應(yīng)力為88 MPa，滿足強(qiáng)度要求。通過進(jìn)行立柱柱腳段疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明在進(jìn)行200萬次加載過程中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力-推力關(guān)系無明顯變化（見圖13），在結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大處沒有產(chǎn)生裂縫，柱腳螺栓未發(fā)生松動(dòng)。聲屏障立柱本身及柱腳連接件強(qiáng)度及疲勞性能滿足要求。

5 結(jié)論

通過分析金屬吸聲板、混凝土全封閉聲屏障在動(dòng)車組（CRH2型）與貨車（C80型）輪軌動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)，可得出以下結(jié)論：

圖12 兩種方案的總振級(jí)對(duì)比

圖13 經(jīng)疲勞試驗(yàn)后立柱翼緣點(diǎn)應(yīng)力-推力關(guān)系

（1）輪軌動(dòng)荷載作用下兩種聲屏障豎向、橫向位移很小，均在2 mm以內(nèi)。

（2）動(dòng)車組輪軌動(dòng)荷載作用下金屬吸聲板聲屏障振動(dòng)加速度最大可達(dá)5 m/s2；混凝土聲屏障振動(dòng)加速度最大約4 m/s2。

（3）動(dòng)車組作用下，各考察點(diǎn)的動(dòng)位移峰值較貨車作用時(shí)小，而振動(dòng)加速度最大值比貨車作用時(shí)大。

（4）兩種聲屏障方案下，各考察點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律與頻譜特性在兩種車型作用下均一致，只是量值不同。

（5）聲屏障振動(dòng)加速度級(jí)頻譜在頻率40～80 Hz出現(xiàn)第一個(gè)峰值（較大），在頻率400～800 Hz出現(xiàn)次峰值（較?。?/p>

（6）聲屏障結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及疲勞性能滿足要求。

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責(zé)任編輯 李鳳玲

On Vibration of Fully-Enclosed Noise Barriers Under Wheel-Rail Dynamic Load

CAI Liping1，LI Xiaozhen2，CHEN Ximin1，SHAO Huaping1，YANG Dewang2
（1. Guangzhou Railway (Group) Corporation，Guangzhou Guangdong 510600，China；2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

With fully-enclosed noise barriers as its object of study, this paper analyzes the vibration responses under wheel-rail dynamic loads of the high-speed train (CRH2) and the freight train (C80). The coupled f nite element dynamic analysis models of metal noise absorbing panels, concrete noise barriers, and 32 m box girders are established to analyze the wheel-rail forces exerted by the train on the box girders. The displacement and acceleration response of noise barriers under different train speeds are calculated to analyze the change rules of dynamic displacements, vibration acceleration, spectrum characteristics and total vibration levels. The results of the study show that the vertical and lateral displacement of the noise barrier under the dynamic load of the wheel-rail dynamic load is very small, both within 2 mm; the vibration acceleration peak of the noise barrier can be as high as 5 m/s2under the effect of the EMU; the vertical and lateral vibration acceleration of metal noise absorbing panels at different observation points are all greater than that of concrete noise barriers under different train speeds respectively. As for the vibration acceleration levels, the f rst peak (larger) appears at the frequency range of 40~80 Hz, and the second peak (smaller) ranges from 400 Hz to 800 Hz.

fully-enclosed noise barrier；vibration response；wheel-rail dynamic load；box girder

TB53

A

1001-683X（2017）04-0059-09

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.04.059

2016-12-28

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2014G004-Q）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51308469、51378429）；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016HH0076）；四川省教育廳科研項(xiàng)目（16ZA0009）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2682016CX022）

蔡理平（1986—），男，工程師。E-mail：357469456@qq.com