城市高架橋半封閉式聲屏障的車致振動(dòng)試驗(yàn)研究

謝偉平， 余華彬， 孫亮明， 胡 喆， 趙寒冰

(1.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

城市軌道交通高架橋穿越住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、醫(yī)院和學(xué)校等噪聲敏感點(diǎn)時(shí)，會(huì)引起嚴(yán)重的噪聲污染問題。聲屏障作為一種最有效的噪聲控制方法[1]，在城市軌道交通線路中廣為采用，但其結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題也逐漸引起人們的關(guān)注。

聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力問題的研究首先出現(xiàn)于高速鐵路，并將高速列車脈動(dòng)風(fēng)荷載考慮為主要影響因素[2-5]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速列車風(fēng)荷載作用下聲屏障結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問題開展了大量的研究，但很少考慮列車-橋梁/聲屏障結(jié)構(gòu)相互作用的影響；對(duì)于風(fēng)屏障等類似的橋上附屬結(jié)構(gòu)雖然也做過相關(guān)動(dòng)力研究，但也主要考慮環(huán)境風(fēng)荷載或列車風(fēng)荷載的影響[6-7]。Tokunaga等[8]研究了高速列車運(yùn)行對(duì)新干線高架橋直立式聲屏障結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問題，指出當(dāng)車速小于150 km/h時(shí)，列車脈動(dòng)風(fēng)荷載影響很小而列車荷載成為聲屏障結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主導(dǎo)因素，但并未對(duì)低速情況下聲屏障結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的振動(dòng)規(guī)律開展進(jìn)一步研究，且研究對(duì)象為直立式聲屏障結(jié)構(gòu)。國內(nèi)學(xué)者蔡理平等[9]、王少林[10]分別對(duì)高速鐵路橋梁上的全封閉式和半封閉式聲屏障在車橋耦合激勵(lì)下的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值分析工作，雖然得到了聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)在高速列車情況下的一些實(shí)用性結(jié)論，但缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，且其聲屏障結(jié)構(gòu)形式與城市軌道交通高架橋上的聲屏障結(jié)構(gòu)形式不同。

封閉式(包括半封閉、全封閉式)聲屏障因其相對(duì)于傳統(tǒng)的開放式(如直立式、倒L式等)聲屏障有更好的隔聲效果[11-12]，在城市軌道交通噪聲控制中具有更加廣闊的應(yīng)用前景，但是其動(dòng)力荷載誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題不容忽視?？紤]到聲屏障結(jié)構(gòu)車致振動(dòng)研究仍處于初始階段，對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)在低速列車激勵(lì)下的振動(dòng)規(guī)律也缺乏一定的認(rèn)識(shí)。因此，本文針對(duì)某城市軌道交通高架橋上半封閉式聲屏障的車致振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究地鐵列車低速通過時(shí)高架橋上半封閉式聲屏障的振動(dòng)響應(yīng)及傳播規(guī)律，以期為城市軌道交通高架橋聲屏障的車致振動(dòng)研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概況

某城市軌道交通高架橋沿線噪聲敏感點(diǎn)采用半封閉式聲屏障進(jìn)行噪聲控制，高架橋采用雙線混凝土簡支箱梁，運(yùn)營車輛采用6節(jié)編組的地鐵B型列車，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。為研究地鐵列車低速通過時(shí)高架橋上聲屏障的振動(dòng)規(guī)律，選取水平直線高架橋半封閉式聲屏障進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如圖1所示。

圖1 城市高架橋半封閉式聲屏障Fig.1 Semi-closed noise barrier of urban viaduct

半封閉式聲屏障采用組裝輕鋼結(jié)構(gòu)形式，高度為4.64 m、寬度為9.3 m、一個(gè)單元間距為2 m，噪聲敏感點(diǎn)側(cè)布置亞克力板，亞克力板通過塑鋼框或鋁合金壓條固定于H型鋼立柱上，H型鋼立柱通過螺栓固定于1.6 m高的混凝土護(hù)欄上。高架橋采用單箱室結(jié)構(gòu)的雙線混凝土簡支箱梁，跨度30 m、寬度9.3 m、高度1.8 m，采用茶花型獨(dú)立柱橋墩，墩高為7.0 m。

測(cè)試采用丹麥Brüel & Kjaer Pulse 系統(tǒng)及4507B型加速度傳感器，采樣頻率設(shè)為1 000 Hz。測(cè)點(diǎn)主要布置在高架橋跨中斷面的聲屏障封閉一側(cè)，包括跨中處聲屏障封閉側(cè)的橋面軌道板(Ⅰ#)、立柱根部(1#)、立柱頂端(2#)，以及亞克力板中部(3#)，測(cè)點(diǎn)布置執(zhí)行我國標(biāo)準(zhǔn)[13]，如圖2所示。傳感器布置方向統(tǒng)一以軌道橋梁系統(tǒng)為基準(zhǔn)，采集列車由聲屏障封閉側(cè)和敞開側(cè)通過時(shí)，結(jié)構(gòu)的鉛垂向、水平垂軌向、水平順軌向(即豎向、橫向、縱向)三個(gè)方向的加速度響應(yīng)。

圖2 高架橋-聲屏障的測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Monitoring point arrangement of the viaduct and noise barrier

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高架橋-聲屏障的動(dòng)力特性

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集了環(huán)境激勵(lì)下城市軌道交通高架橋及半封閉式聲屏障的加速度響應(yīng)，利用課題組研發(fā)的基于隨機(jī)子空間法的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得了高架橋和聲屏障結(jié)構(gòu)的主要自振頻率，如表1所示。

表1 高架橋-聲屏障的自振頻率

2.2 地鐵列車過橋時(shí)的激勵(lì)特性

為分析城市軌道交通高架橋半封閉式聲屏障在地鐵列車低速運(yùn)行情況下的車致振動(dòng)規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中采集了高架橋跨中測(cè)試斷面處軌道板(Ⅰ#測(cè)點(diǎn))在地鐵列車激勵(lì)下的加速度響應(yīng)。由于橋面軌道板距激勵(lì)源較近，可根據(jù)其動(dòng)力響應(yīng)分析聲屏障結(jié)構(gòu)所受列車荷載的激勵(lì)特性。

地鐵列車以66 km/h車速由聲屏障封閉側(cè)通過測(cè)試路段時(shí)，封閉側(cè)橋面軌道板的豎向、橫向、縱向加速度時(shí)程和頻譜，如圖3所示。圖3中加速度時(shí)程包括了列車開始駛?cè)霚y(cè)試路段并激起振動(dòng)到駛離測(cè)試路段后振動(dòng)衰減的全過程。通過對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析可知：地鐵列車通過測(cè)試路段封閉側(cè)時(shí)誘發(fā)軌道板的振動(dòng)以豎向?yàn)橹?，橫向次之，縱向最小。由圖3(a)～圖3(c)的加速度時(shí)程可知，軌道板的豎向振動(dòng)峰值加速度為2.009 m/s2，橫向振動(dòng)峰值加速度為1.056 m/s2，縱向振動(dòng)峰值加速度為0.667 m/s2。由圖3(d)～圖3(f)的加速度頻譜可知，軌道板的豎向振動(dòng)主要頻段較寬，在頻率25～300 Hz內(nèi)均有較大幅值，其中在39 Hz，86.4 Hz和195.8 Hz處存在較明顯幅值；橫向振動(dòng)主要頻段分布在頻率35～95 Hz，140～200 Hz及270～295 Hz內(nèi)，其中在73.4 Hz，195.8 Hz，290.4 Hz處存在較大幅值；縱向振動(dòng)較小，在頻率35～480 Hz內(nèi)幅值相對(duì)較均勻，但在71.5 Hz，144 Hz，259.2 Hz處也存在較明顯幅值。

基于圖3(d)～圖3(f)中頻率0～35 Hz內(nèi)的局部放大圖可知，地鐵列車過橋時(shí)存在某些特征性的激振頻率

fi=vtr/li(i=1,2,3)

(1)

式中：fi為特征激振頻率,Hz；vtr為列車速度，m/s；li為特征頻率對(duì)應(yīng)的特征長度,m，如扣件間距、輪對(duì)滾動(dòng)圓周長、車輛軸距等。

軌道板豎向和橫向振動(dòng)的頻譜均在7.45 Hz,8.36 Hz和30.64 Hz等頻率處存在一定峰值：其中30.64 Hz對(duì)應(yīng)地鐵列車過橋時(shí)輪對(duì)與鋼軌扣件間的周期性作用頻率f1=30.60 Hz(扣件間距l(xiāng)1=0.6 m)，8.36 Hz對(duì)應(yīng)車輛軸距的軸重加載頻率f2=8.30 Hz(軸距l(xiāng)2=2.2 m)。另外，在豎向振動(dòng)的加速度頻譜中，峰值頻率28.8 Hz及其倍頻57.6 Hz,86.4Hz,144 Hz附近，峰值頻率39 Hz及其倍頻117 Hz,195 Hz附近等均有較大振動(dòng)，對(duì)應(yīng)著豎向振動(dòng)的主要頻段。

圖3 軌道板振動(dòng)加速度時(shí)程及頻譜Fig.3 Time history and Fourier spectrum of vibration acceleration of track slab

圖4為地鐵列車低速通過測(cè)試路段封閉側(cè)時(shí)軌道板振動(dòng)加速度的平滑偽Wigner-Ville分布，從時(shí)頻分布圖中也可識(shí)別地鐵列車通過時(shí)激起軌道板振動(dòng)的主要頻率。由時(shí)頻分布可知，地鐵列車通過高架橋時(shí)具有“移動(dòng)軸重激勵(lì)”的荷載特性，即地鐵列車通過高架橋時(shí)其主要激振頻率處振動(dòng)分量的幅值隨時(shí)間呈規(guī)律性變化，且幅值出現(xiàn)峰值處正好對(duì)應(yīng)車輛轉(zhuǎn)向架或輪對(duì)作用。此特征在軌道板的豎向和橫向振動(dòng)中表現(xiàn)尤為明顯，縱向振動(dòng)由于本身能量較小，故由縱向振動(dòng)的時(shí)頻分布不太容易發(fā)現(xiàn)該規(guī)律。

圖4(d)中給出了地鐵列車低速通過測(cè)試路段封閉側(cè)時(shí)軌道板的豎向振動(dòng)在其主頻195.8 Hz處的時(shí)頻分布局部放大圖，圖中每處幅值能量集中點(diǎn)對(duì)應(yīng)單個(gè)轉(zhuǎn)向架(包括兩個(gè)輪對(duì))的作用，可知從第一個(gè)轉(zhuǎn)向架作用到最后一個(gè)轉(zhuǎn)向架作用歷時(shí)為Δt=6.066 s，可得地鐵列車行駛速度為66.40 km/h，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)車速66 km/h吻合。表明了地鐵列車通過高架橋時(shí)具有“移動(dòng)軸重激勵(lì)”的荷載特性，該特性還可用于計(jì)算實(shí)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)的列車行駛速度。

圖4 軌道板振動(dòng)加速度時(shí)頻分布Fig.4 Time-frequency representation of vibration acceleration of track slab

2.3 半封閉式聲屏障的車致振動(dòng)規(guī)律

2.3.1 加速度時(shí)程與頻譜分析

為了分析城市軌道交通高架橋半封閉式聲屏障在列車低速運(yùn)行情況下的車致振動(dòng)規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集了高架橋跨中測(cè)試斷面處半封閉式聲屏障(1#,2#,3#測(cè)點(diǎn))在地鐵列車激勵(lì)下的加速度響應(yīng)。其中，地鐵列車以66 km/h車速由聲屏障封閉側(cè)通過測(cè)試路段時(shí)，封閉側(cè)聲屏障立柱頂端(2#測(cè)點(diǎn))的豎向、橫向、縱向加速度時(shí)程和頻譜如圖5所示。

由圖5(a)～圖5(c)的加速度時(shí)程可知，地鐵列車通過測(cè)試路段封閉側(cè)時(shí)誘發(fā)半封閉式聲屏障立柱頂端的豎向振動(dòng)峰值加速度為3.341 m/s2，橫向振動(dòng)峰值加速度為2.486 m/s2，縱向振動(dòng)峰值加速度為3.447 m/s2。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：城市軌道交通高架橋半封閉式聲屏障立柱頂端的車致振動(dòng)響應(yīng)在三個(gè)方向上的峰值加速度比較接近，以橫向的峰值加速度稍小，且其振動(dòng)響應(yīng)與橋面軌道板的對(duì)比明顯增大。

由圖5(d)～圖5(f)的加速度頻譜可知，半封閉式聲屏障立柱頂端在三個(gè)方向的加速度響應(yīng)主要集中在頻率35～95 Hz，且還在頻率170～200 Hz也存在較大的振動(dòng)響應(yīng)。半封閉式聲屏障立柱頂端豎向、橫向和縱向振動(dòng)的加速度頻譜均在39 Hz，47.4 Hz，63.2 Hz和88.3 Hz處存在明顯幅值。與橋面軌道板車致振動(dòng)的加速度頻譜對(duì)比可知，振源附近橋面軌道板車致振動(dòng)的主要頻段較寬，而聲屏障立柱頂端車致振動(dòng)的主要頻段相對(duì)較窄。因?yàn)榈罔F列車低速過橋時(shí)激勵(lì)引起了較寬頻段的振動(dòng)，當(dāng)車致振動(dòng)傳播至聲屏障立柱頂端時(shí)在各頻率成分處振動(dòng)分量發(fā)生了選擇性放大或衰減，導(dǎo)致聲屏障結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)主要集中在頻率35～95 Hz內(nèi)的較窄頻段。

為了比較高架橋和聲屏障結(jié)構(gòu)不同位置處車致振動(dòng)峰值加速度的大小，表2給出了4個(gè)組次地鐵列車以66 km/h車速通過測(cè)試路段時(shí)各測(cè)點(diǎn)峰值加速度的平均值，并考慮了敞開側(cè)行車和封閉側(cè)行車的影響。通過峰值加速度比較可知，半封閉式聲屏障的車致振動(dòng)加速度相對(duì)于橋面軌道板的車致振動(dòng)存在明顯放大的現(xiàn)象，并且亞克力板橫向振動(dòng)的峰值加速度相對(duì)于聲屏障立柱的又有顯著增大。亞克力板橫向振動(dòng)的峰值加速度可達(dá)9.270 m/s2，約為橋面軌道板的8倍、聲屏障立柱的2～3倍。通過敞開側(cè)行車和封閉側(cè)行車的工況對(duì)比可知，封閉側(cè)行車時(shí)各測(cè)點(diǎn)的峰值加速度較大，為敞開側(cè)行車時(shí)的1.1～1.7倍；由于表中各測(cè)點(diǎn)均為聲屏障封閉側(cè)測(cè)點(diǎn)(見圖2)，封閉側(cè)行車時(shí)測(cè)點(diǎn)距激勵(lì)源較近，因而各測(cè)點(diǎn)的峰值加速度較大，這與通常情況相符，同時(shí)也在一定程度上說明了測(cè)試結(jié)果的有效性。

圖5 聲屏障立柱頂端振動(dòng)加速度時(shí)程及頻譜Fig.5 Time history and Fourier spectrum of vibration accelerations on the top of steel column of noise barrier

Tab.2 Peak acceleration of the viaduct and noise barrier m/s2

2.3.2 振動(dòng)加速度級(jí)分析

本文通過振動(dòng)加速度級(jí)(Vibration Acceleration Level, VAL)來衡量高架橋和聲屏障結(jié)構(gòu)振動(dòng)量的大小，由振動(dòng)加速度級(jí)差來表征振動(dòng)量的衰減或放大。

其中振動(dòng)加速度級(jí)定義為

VAL=20 lg(arms/a0)

(2)

式中:a0為基準(zhǔn)加速度，本文計(jì)算中取a0=10-6m/s2；arms為振動(dòng)加速度有效值,m/s2，對(duì)于長度為N的加速度信號(hào)序列

(3)

振動(dòng)加速度級(jí)差LD定義為

LD=VAL1-VAL2=20 lg(a1/a2)

(4)

式中:a1和a2分別為關(guān)注點(diǎn)和參考點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值。

為了從頻域上進(jìn)一步對(duì)比分析橋面軌道板和聲屏障立柱在地鐵列車低速運(yùn)行情況下的車致振動(dòng)規(guī)律，給出了基于1/3倍頻程分析的分頻振動(dòng)加速度級(jí)(分頻VAL)和總振動(dòng)加速度級(jí)，如圖6～圖8所示，對(duì)比分析如下：

(1)圖6表示不同測(cè)點(diǎn)分頻VAL對(duì)比，由圖6(a)～圖6(c)可知，對(duì)于同一測(cè)點(diǎn)，地鐵列車低速從聲屏障封閉側(cè)行車和敞開側(cè)行車時(shí)其分頻VAL基本一致，即振動(dòng)量隨頻率分布規(guī)律比較接近；但由圖8可知，當(dāng)?shù)罔F列車由聲屏障封閉側(cè)行車時(shí)，軌道板及立柱頂端的總VAL較敞開側(cè)行車時(shí)要大，豎向差值為3～4 dB，橫向差值為2 dB，縱向差值為3 dB。

(2)對(duì)比橋面軌道板和聲屏障立柱頂端的分頻VAL，可以發(fā)現(xiàn)聲屏障立柱頂端的橫向和縱向振動(dòng)相對(duì)于橋面軌道板的幾乎在整個(gè)分析頻率0～500 Hz內(nèi)都存在一定的放大，其中橫向振動(dòng)放大主要表現(xiàn)在頻率1～125 Hz內(nèi)，而縱向振動(dòng)放大主要表現(xiàn)在頻率1～4 Hz和20～315 Hz內(nèi)。對(duì)于聲屏障立柱的豎向VAL，主要在頻率40～100 Hz內(nèi)有較明顯放大，而在125～250 Hz為主的部分頻率范圍內(nèi)振動(dòng)卻存在一定的傳遞損失。相應(yīng)地，由圖8可知，聲屏障立柱頂端總VAL在豎、橫、縱三個(gè)方向比橋面軌道板依次增大5.5 dB，9 dB和15 dB左右。

(3)由圖6(a)～圖6(c)還可知，橋面軌道板和聲屏障立柱頂端的分頻VAL均在中心頻率8 Hz處有一個(gè)較明顯峰值。其中8 Hz處峰值正好對(duì)應(yīng)列車軸距(2.2 m)的加載頻率8.33 Hz。此外，對(duì)于圖6(a)高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)的豎向VAL在中心頻率5 Hz處也存在一個(gè)較小峰值，而該頻率即高架橋-聲屏障的整體一階豎彎頻率4.75 Hz(見表1)。

(4)圖7表示封閉側(cè)行車時(shí)橋面軌道板和聲屏障立柱頂端兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在三個(gè)方向的分頻VAL對(duì)比。由圖可知，各測(cè)點(diǎn)在不同方向的分頻VAL曲線趨勢(shì)也是基本一致的，但其幅值存在一定的差異。尤其是橋面軌道板，幾乎是在整個(gè)分析頻率范圍內(nèi)都表現(xiàn)為豎向振動(dòng)大于橫向振動(dòng)，橫向振動(dòng)又大于縱向振動(dòng)；但聲屏障立柱頂端則僅在5～12.5 Hz內(nèi)較明顯地表現(xiàn)為豎向和橫向振動(dòng)大于縱向振動(dòng)，而在其它頻率范圍內(nèi)不同方向之間振動(dòng)量差值不太明顯。由圖8也可知：橋面軌道板振動(dòng)以豎向?yàn)橹?，橫向次之，縱向最小，橫向和縱向VAL分別比豎向VAL要小3～5 dB和8～9 dB；而聲屏障立柱頂端各向VAL相差較小，縱向VAL比橫向和豎向VAL大1～2 dB。

圖6 不同測(cè)點(diǎn)分頻VAL對(duì)比Fig.6 Comparison of 1/3 octave spectrum of the VAL for different measuring points

圖7 各測(cè)點(diǎn)不同方向分頻VAL對(duì)比Fig.7 Comparison of 1/3 octave spectrum of the VAL in different directions of measuring points

圖8 各測(cè)點(diǎn)總VAL對(duì)比Fig.8 Comparison of overall VAL of measuring points

為分析地鐵列車低速運(yùn)行情況下車致振動(dòng)對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件或位置的影響，同時(shí)測(cè)試了聲屏障結(jié)構(gòu)立柱根部(1#測(cè)點(diǎn))和亞克力板(3#測(cè)點(diǎn))的振動(dòng)加速度，圖9對(duì)比了封閉側(cè)行車時(shí)聲屏障結(jié)構(gòu)封閉側(cè)立柱根部、立柱頂端和亞克力板的橫向VAL，分析可知：

(1)聲屏障結(jié)構(gòu)立柱根部、立柱頂端和亞克力板的分頻VAL同樣均在列車軸距加載頻率8.33 Hz附近存在較明顯峰值。

(2)立柱頂端相對(duì)于立柱根部的橫向VAL主要在中心頻率2.5～16 Hz，80～125 Hz處有所增大，而在其它頻率范圍內(nèi)均有減小，立柱頂端橫向總VAL比立柱根部的減小了3 dB左右。

(3)亞克力板的橫向振動(dòng)相對(duì)于立柱存在明顯的放大效應(yīng)，且在中心頻率4～12.5 Hz內(nèi)振動(dòng)分量的增大最為顯著，其橫向總VAL在封閉側(cè)行車時(shí)達(dá)到125 dB，比立柱增大7～10 dB。此外還可看出，圖9(b)中亞克力板的橫向振動(dòng)相對(duì)于立柱根部在其固有頻率10.8 Hz附近(中心頻率10 Hz處)有一個(gè)明顯峰值，這也說明了結(jié)構(gòu)振動(dòng)在傳播過程中對(duì)與其固有頻率接近的振動(dòng)分量有一定的放大效應(yīng)。

圖9 聲屏障結(jié)構(gòu)不同部位橫向振動(dòng)加速級(jí)對(duì)比Fig.9 Lateral VAL of different measuring points on the noise barrier

2.4 列車速度對(duì)聲屏障車致振動(dòng)的影響

通過實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該城市軌道交通線路在該實(shí)測(cè)直線路段行駛時(shí)地鐵列車的運(yùn)營速度主要集中在60～97 km/h波動(dòng)；考慮封閉側(cè)行車情況，主要統(tǒng)計(jì)了66 km/h,70 km/h,74 km/h,89 km/h和96 km/h五種車速下高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)的車致振動(dòng)響應(yīng)，各測(cè)點(diǎn)總VAL如圖10所示。為從頻域分析車速對(duì)高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)的影響，圖11給出了高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)在74 km/h和89 km/h兩種車速下相對(duì)于66 km/h情況的分頻VAL差。

由圖10可知，考慮到地鐵列車正常行駛時(shí)車速范圍為66～96 km/h，橋面軌道板在地鐵列車激勵(lì)下的VAL基本上有隨列車車速增大而增大的趨勢(shì)，聲屏障立柱和亞克力板的VAL雖然在個(gè)別車速處存在一定的波動(dòng)，但在總體上也基本符合隨車速增大而增大的規(guī)律。地鐵列車在上述車速范圍內(nèi)變化時(shí)，橋面軌道板和立柱頂端的各向VAL最大波動(dòng)幅度分別為3.7 dB和2.3 dB，立柱根部和亞克力板的橫向VAL最大波動(dòng)幅度分別為2.7 dB和3.8 dB。

由圖11可知，當(dāng)列車車速改變時(shí)，高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)的分頻VAL也會(huì)發(fā)生變化，除10～12.5 Hz附近有較明顯增大外，各中心頻率處分頻VAL變化基本都控制在5 dB以內(nèi)。具體地，當(dāng)車速為74 km/h時(shí)，在中心頻率10 Hz處增幅較大，而車速為89 km/h時(shí)，則在10～12.5 Hz附近均有較大增幅。而這正好也分別對(duì)應(yīng)了列車的軸距加載頻率9.34 Hz和11.23 Hz(中心頻率10 Hz和12.5 Hz對(duì)應(yīng)1/3倍頻程頻率范圍分別為8.91～11.2 Hz和11.2～14.1 Hz)。因此，在一般情況下，當(dāng)列車速度變化時(shí)，高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度的改變主要發(fā)生在列車軸距加載頻率處，即隨列車車速的增大，列車軸距加載頻率也增大，而高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度級(jí)的變化也主要表現(xiàn)為在相應(yīng)的軸距加載頻率處振動(dòng)分量幅值的變化。

圖10 不同車速下結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度級(jí)Fig.10 Comparison of overall VAL in the cases of different train speeds

注：圖中為相對(duì)于66 km/h車速情況下分頻VAL差圖11 不同車速下分頻VAL差Fig.11 1/3 octave spectrum of VAL difference in the cases of different train speeds

3 結(jié) 論

(1)地鐵列車低速過橋時(shí)具有“移動(dòng)軸重激勵(lì)”的荷載特性，即地鐵列車通過高架橋時(shí)其主要激振頻率處振動(dòng)分量的幅值隨時(shí)間呈規(guī)律性變化，且幅值出現(xiàn)峰值處正好與列車轉(zhuǎn)向架或輪對(duì)作用呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)地鐵列車低速通過高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)時(shí)，誘發(fā)橋面軌道板的振動(dòng)以豎向最大、橫向次之、縱向最小，橫向和縱向VAL分別比豎向要小3～5 dB和8～9 dB，頻帶范圍較寬，主要分布在25～300 Hz范圍內(nèi)；而聲屏障立柱頂端的豎向、橫向、縱向振動(dòng)加速度比較接近，以縱向稍大，縱向VAL比橫向和豎向VAL大1～2 dB，頻率范圍主要集中在35～95 Hz，且其振動(dòng)分量發(fā)生了較顯著的放大效應(yīng)，尤其在39 Hz,47.4 Hz,63.2 Hz和88.3 Hz存在明顯峰值。另外，封閉側(cè)行車時(shí)誘發(fā)的封閉側(cè)橋面軌道板、聲屏障立柱、亞克力板等振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)于敞開側(cè)行車時(shí)的要大。

(3)半封閉式聲屏障采用組裝輕鋼結(jié)構(gòu)形式，其質(zhì)量和剛度相對(duì)于下部混凝土箱梁突然減小，在地鐵列車激勵(lì)下聲屏障立柱和亞克力板的振動(dòng)加速度相對(duì)于橋面軌道板存在顯著的放大效應(yīng)。聲屏障立柱頂端總VAL在豎、橫、縱三個(gè)方向比橋面軌道板依次增大5.5 dB,9 dB和15 dB。對(duì)于聲屏障結(jié)構(gòu)本身，其亞克力板的橫向振動(dòng)相對(duì)于立柱的也存在明顯放大，亞克力板的橫向VAL在封閉側(cè)行車時(shí)達(dá)到125 dB，比立柱的增大7～10 dB。

(4)地鐵列車低速通過高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)時(shí)，橋梁軌道板振動(dòng)加速度隨列車車速的增大而增大，聲屏障結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度雖在某些車速附近存在一定的波動(dòng)，但在總體上也符合隨車速增大而增大的規(guī)律。當(dāng)列車以66～96 km/h速度通過時(shí)，高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)的分頻VAL除在10～12.5 Hz附近有較明顯增大外，各中心頻率處分頻VAL變化基本都控制在5 dB以內(nèi)。但是，高架橋-聲屏障結(jié)構(gòu)VAL的變化主要表現(xiàn)為在相應(yīng)的軸距加載頻率處振動(dòng)分量幅值的變化。