城市轨道交通桥梁结构噪声讲座.ppt

城市轨道交通桥梁结构噪声,吴定俊,同济大学轨道交通教研室,主要内容,主要内容,同济大学轨道交通教研室,一、声学基本知识,1、声音的产生与分类 声音由振动产生，并通过振动在介质（固体或流体）中的传播而到达人耳。根据声波的频率成分可将声波进行如下划分：,声学基本知识,次声波,可听声波,超声波,0Hz,20Hz,20000Hz,2、声学量 声压P声音扰动后空气中的压强和静压强的 差值,为时间和空间的函数，单位Pa。常用有效声压：（一定时间间隔均方根值）声压级有效声压与基准声压的比值取常用对 数，再乘以20即为声压级，单位：分贝（dB），即：1000Hz的声音可听阈声压，,同济大学轨道交通教研室,声学基本知识,3.频带 可听域的声音频率范围很宽，分析中不是采用单一频率能量分布，而是了解各个频段上的声能量分布情况。为了分析的方便，频谱分析常用1/3倍频程，1/3倍频带的中心频率及上、下限频率如表所示。(后一频率是前一频率的2的1/3次方，倍频程音调提高一倍）,同济大学轨道交通教研室,声学基本知识,4.响度 人对声音的第一感觉是响亮程度，这与听觉器官和听觉神经对声音强度和频率响应的感觉有关。不同频率相同声压的声音人感觉的响度是不同的，为了反映人耳的这种特性，测定了不同频率相同等响亮程度声音的能量曲线等响曲线。响度级：当某一频率的纯音和某声压级的1kHz纯音听起来同样响时，设1kHz纯音的声压级定义为该声音的响度级。,同济大学轨道交通教研室,声学基本知识,5.计权声压级 用响度级来表示人们对声音的主观感觉过于复杂，而不同频率声压级低的纯音的响度感觉甚至高于声压级高的纯音的响度，为使数值与直观感觉一致，选择不同的等响曲线对声压级进行加权，形成了不同的计权声压级。A计权声压级与人耳对声音的响度感觉相近，因此，现行的的噪声标准都把A计权声压级作为评价噪声的主要指标。不同计权网格见下图1。,同济大学轨道交通教研室,声学基本知识,图1 频率计权曲线,同济大学轨道交通教研室,声学基本知识,频率/Hz,计权分贝值,6.噪声的危害 损伤听力：低频100dB时出现听力损伤，高频噪声75dB时即可损伤听力。影响神经系统、心血管和消化系统、视觉，影响日常的交流和生活。平均交谈距离为2m时，室内最高值为60dB时对语言和思考开始有干扰，当为40dB时，则对语言和思考毫无干扰。低频噪声波长长，衰减慢，难以有效被声屏障隔离，长期居住在低频噪声环境中容易产生莫名的失眠、头疼、耳鸣、胸闷、腹部压迫感等心理和生理症状。,同济大学轨道交通教研室,声学基本知识,同济大学轨道交通教研室,二、噪声评价体系,1、噪声评价指标 A计权声压级与人耳对声音的响度感觉相近，因此，现行的的噪声标准都把A计权声压级作为评价噪声的主要指标。分别有等效连续A声压级LAeq和最大A声压级LAmax。A计权网络考虑了人耳对低频噪声敏感性差的频谱特性，对低频有较大的消减，所以不利于对低频噪声的评价。,噪声评价体系,同济大学轨道交通教研室,2、噪声评价标准 A.世界卫生组织(WHO)1993年公布的标准：户外生活区续不能超过55 dB(A)(LAeq)；夜间户外噪声级不能超过45 dB(A)(LAeq)。B.部分西方国家的铁路噪声标准见表2。英国要求最严格。,噪声评价体系,表2 铁路噪声容许值和建筑物正面噪声级标准 dB,同济大学轨道交通教研室,噪声评价体系,同济大学轨道交通教研室,C.我国1990年11月颁布了铁路边界噪声限值及其测量方法(GB12525-90)，明确规定了铁路边界处的噪声限值。2008年的修改方案分别规定了既有铁路和新建铁路的铁路噪声限值，见表3。城市轨道交通线路还须符合声环境质量标准GB3096-2008)的限值要求，见表4。城市轨道交通要求严格。,噪声评价体系,同济大学轨道交通教研室,表3 铁路边界噪声限值 表4 环境噪声限值（等效声级Leq）,噪声评价体系,同济大学轨道交通教研室,既有铁路是指2010年12月31日前已建成运营的铁路或环境影响评价文件已通过审批的铁路建设项目，改、扩建既有铁路按既有铁路的规定执行；新建铁路是指自2011 年1月 1 日起环境影响评价文件通过审批的铁路建设项目（不包括改、扩建既有铁路建设项目）。,噪声评价体系,同济大学轨道交通教研室,0类指康复疗养区等特别需要安静的区域；1类指指以居民住宅、医疗卫生、文化教育、科研设计、行政办公为主 要功能，需要保持安静的区域。2类指指以商业金融、集市贸易为主要功能，或者居住、商业、工业混杂，需要维护住宅安静的区域。3类指以工业生产、仓储物流为主要功能，需要防止工业噪声对周围环境产生严重影响的区域。4类指交通干线两侧一定距离之内，需要防止交通噪声对周围环境产生严重影响的区域，包括类和类两种类型。类为高速公路、一级公路、二级公路、城市快速路、城市主干路、城市次干路、城市轨道交通（地面段）、内河航道两侧区域；类为新建铁路干线两侧区域。,噪声评价体系,同济大学轨道交通教研室,3、结构噪声的评价指标与标准 A.近年来，大多数没有超过规定限值的混凝土结构噪声引起了很多抱怨。这是因为这些噪声限值采用的是A计权噪声级指标，对低频声压级的削弱很大，低估了低频噪声引起的烦躁程度。B.为了评估桥梁噪声对人们造成的烦恼程度，在德国采用的是无权重的声压级。相关研究也表明即使A计权声压级相等，低频为主的噪声烦恼程度也要高于高频为主的噪声烦恼程度，A计权声压级不适合对低频噪声污染的评价。,噪声评价体系,C.不同地域、不同人群、不同的年龄段等主客观因素对烦恼的感受影响不同。目前对低频噪声的评价还没有统一的标准。有研究提出在A声级标准限制的基础上增加3dB和6dB的补偿值作为低频噪声的评价标准。国内翟国庆等研究噪声烦恼阈值，并与现行的标准限制进行比较。对于2、.3、4类功能区烦恼阈值比标准限制分别低3dB、5dB、7dB。,同济大学轨道交通教研室,噪声评价体系,同济大学轨道交通教研室,三、轨道交通噪声组成,轮轨噪声车轮和轨道振动产生的高频噪声包括滚动噪声、冲击噪声和尖啸声。车辆动力噪声主要由列车上的电机、空调等设备产生。集电系统噪声包括滑动噪声和电弧噪声。空气动力噪声车体与空气摩擦产生。高速时为主要声源桥梁结构噪声桥梁振动产生，为低频噪声，声压频率20Hz 200Hz,轨道交通噪声组成,图2 轨道交通噪声源,同济大学轨道交通教研室,轨道交通噪声组成,土木工程师重点关注,500Hz以上的中高频噪声，机械工程师的关注,同济大学轨道交通教研室,不同噪声所占比例日本Shinkansen高架线试验结果见表6。表6 噪声值dB（A）（距离高架桥线路中心25m）,轨道交通噪声组成,同济大学轨道交通教研室,铁道部组织对京津城际列车高速行车条件下（250km/h）高架区段噪声测试结果如下图所示：（车速提高）图3 各噪声源占总噪声的比列,轨道交通噪声组成,以上试验结果可以看出:1.铁路噪声中主要是轮轨噪声和集电系统噪声，空气动力噪声随着速度增加，所占比重不断增大。2.桥梁结构噪声在整个桥梁段铁路噪声中所占比重不大，但桥梁结构噪声是低频噪声，声屏障对此效果不大。城市轨道交通正常为低速运营，气动噪声可以不考虑。桥下主要是桥梁结构噪声，且声压级高，对过路行人影响大。,同济大学轨道交通教研室,轨道交通噪声组成,同济大学轨道交通教研室,四、桥梁结构设计与结构噪声,1.强度控制设计 早期列车速度低，对轨道的平顺性和车辆的舒适性要求也低。桥梁设计最终由结构的强度承载能力和使用极限状态来决定。承载力：包括强度、疲劳设计、稳定等。,桥梁结构设计与结构噪声,同济大学轨道交通教研室,2.考虑走行性和乘坐舒适的的刚度控制设计 随着列车速度的提高，尤其是高速铁路的兴起，对轨道平顺性和列车运行平稳性、舒适性的要求也随之提高，桥梁的结构设计由强度决定变为由刚度来决定。设计过程主要包括以下内容：桥梁的振动基频满足规范规定的限值；桥梁的挠度满足规定的挠跨比；桥梁的梁端折角满足规定的限值；3.耐久性的全寿命设计 同时对桥梁耐久性的要求也提高，设计中结构的耐久性也成为考虑的重要因素，如进行抗裂验算。,桥梁结构设计与结构噪声,同济大学轨道交通教研室,京沪高速铁路设计暂行规定,桥梁结构设计与结构噪声,同济大学轨道交通教研室,4.考虑抗振减噪设计 随着城市轨道交通和高速铁路的发展，铁路噪声问题越来越严重，防噪音设计提上日程。由于技术不成熟，目前主要进行噪声的被动防治。主要措施包括：安装声屏障；槽型梁内侧安装吸声板；采用浮置板轨道或高弹性扣件，对轮轨噪声和结构噪声都有效；,桥梁结构设计与结构噪声,科隆蛋高弹性扣件,Lord 高弹性扣件,Vanguard 高弹性扣件,主要对轮轨 噪声有效,同济大学轨道交通教研室,桥梁结构设计与结构噪声,日本新干线板式浮置板轨道,五、常见梁型结构噪声特性,(1)频谱特征：对箱型梁和槽型梁不同试验表明，梁体的结构噪声的峰值频率大多在40100Hz，峰值频率与车速的关系不大。部分实测声压频谱见图4 图8。结构噪声主要分布0260Hz 频段是低频噪声。图4 8号线槽型梁测试结果(线性声压级）,同济大学轨道交通教研室,常见梁型结构噪声特性,1.常见结构噪音特性,同济大学轨道交通教研室,图5 1号线箱梁桥下噪声实测结果（A声级）,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图6 1号线箱梁桥下噪声实测结果（续图5）,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图7 国外某箱形梁实测结果,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,（2）与车长关系。8号线实测噪声的频谱分析表明C型车70km/h通过时，6节列车与7节列车对结构噪声的大小影响不大，但噪声持续时间延长。见表6-表7和图9。（本校测试数据，无计权）表6 表7 表6 测点1结构噪声 dB 表7 测点2结构噪声 dB,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图9 8号线测点1和2声压级时程,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,（3）结构噪声的大小与车速有很强的线性关系。日本对新干线的噪声预测时，高架桥的噪声计算公式包含了速度项。,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,(4)结构的局部面板（如腹板、底板等）的弯曲振动导致截产生变形是结构噪声产生的主要原因，而梁的整体弯曲振动对结构噪声的影响不大。同时扭转振动对结构噪声的影响也很微弱。即振动分析中的以不同面板的弯曲振动为主的模态对结构噪声其控制作 模态类型见下图。（修改过）,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,(5)车轨桥的耦合振动计算时，三者的空间耦合振动和仅考虑竖向的耦合振动分析，对结构噪声的总声压级无影响。对比见表8。因此，研究桥梁的结构噪声时，可以仅考虑轮轨的竖向相互作用。,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,(6）底板对槽型梁的结构噪声起控制作用。腹板的贡献微弱，见图10。箱梁的底板对近场点声压起主要作用，距离轨道中心线越远，顶板的作用增强，底板和顶板对远场点起主要作用，腹板作用微弱，见图11 改善声场环境，应控制槽型梁底板的振动，同样，对箱梁要减小顶板和底板的振动。,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图10 槽型梁声压贡献量,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图11 箱型梁声压贡献量,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,（1）在合理的厚度范围内，增加槽型梁底板的厚度，能降低桥下场点的声压级，但效果不大，而且对远场点几乎没有效果。双线单箱双室梁桥下场点的声压级小于双线单箱单室梁3 dB5 dB，远场点却差别不大。这与槽型梁改变底板厚度的效果一致即提高底板（或者顶板）的弯曲刚度仅对近场点有效，而对远场点的效果不大。槽型梁均匀设置横肋，将底板由单向板变成双向板，改善效果优于仅增加底板厚度，但相对于原结构的高噪声，总体的改善效果仍不理想。,常见梁型结构噪声特性,2.结构设计减噪的主要措施,同济大学轨道交通教研室,（2）采用高弹性扣件 高弹性扣件刚度为15MN/m时整个声场空间降噪均匀，降幅达4dB5dB，同时能保证列车安全运营，见图12。扣件刚度为7.5MN/m，噪声能够在15MN/m的基础上再降低1 dB，但钢轨的位移偏大，为4mm(见图13)，加剧了轨道的不平顺和钢轨弯曲应力，而且此时钢轨的加速度增大(见图14)。图12 降噪效果dB,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图13 钢轨位移 图14 钢轨加速度,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,（3）采用浮置板结构 无论是对槽型梁还是对箱梁，浮置板轨道结构能够大幅有效的降低的整个声场内结构噪声。声压级对板下支承刚度的改变不敏感。考虑到浮置板的振动，采用小间距支承（例如0.8m）更合适，板下支承刚度5MN/m9MN/m，此时线性声压级能减小7dB14dB(见图15图16)。板式浮置板厚度对总声压的影响不大。6m梯形浮置板的减振降噪效果比板式浮置板略差，但梯形浮置板(见图17)的质量大幅降低。因此隔振降噪可优先选用梯形浮置板。,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图15 浮置板降噪效果 dB（槽型梁）（降低值）,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图16 浮置板降噪效果 dB（箱型梁）,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图17 梯形浮置板,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,（4）优先单箱双室梁的声学性能远优于槽型梁(梁截面见图18)，相同的计算条件，远场点声压比槽型梁小4dB-5dB，而桥下场点能小8dB-10dB(见图19)。浮置板对箱梁的降噪效果好于对槽型梁的降噪效果。经过浮置板减振降噪后，箱梁的声压级降幅也比槽型梁降幅大，而且整个声场降噪均匀，改善效果几乎不受车速影响，对比图15、图16和图20。图18 不同梁型的截面,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图19 不同梁型的空间声场 dB,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,图20 浮置板降噪后的空间声场 dB，单线行车,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,（5）高架结构宜选用单箱双室梁，其次选用单箱单室梁，同时梁上轨道的布置以每线的两股轨道分列腹板两侧为宜，则两股轨道的列车荷载引起的结构振动反相，能部分抵消，能起到减振降噪的作用。,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,3 不同梁型声学性能优劣机理初探(修改过图号）,常见梁型结构噪声特性,图21 竖向荷载作用下，不同梁型的梁截面形状,同济大学轨道交通教研室,图21-a和b，单室箱型梁的截面变形后的形状以腹板的曲率零点为分界点，可以看成正、倒两个槽型梁相对拼接而成。上下两部分的顶、底板振动相位相反，在空间场点引起的流体振动可以部分抵消，使得比槽型梁辐射更小的噪声。类似于偶极子声源。图21-c中双室箱梁类似于带中腹板的槽型梁。中腹板两侧的底板振动反相，进一步削弱了底板振动引起的声压，使得双室箱梁的结构噪声小于单室箱梁，类似于四极子声源。,常见梁型结构噪声特性,同济大学轨道交通教研室,六、有待继续研究的问题,1、计算理论还有待于进一步研究，目前可以定性定量计算声压，但还不完善，在定性上可以说明一些问题，但在定量分析上还有较大差距。2、进行桥梁结构防噪声设计需要对不同梁型的结构噪声有可靠的预测，还需对不同梁型建立能进行实际应用的简化预测公式。3、桥梁结构噪声的机理十分复杂且是一项跨学科的内容，目前只是工程应用的角度进行了计算，对机理研究未能深入，以后应加强噪声的机理研究。4、模态叠加法虽然能计算声压，但不能计算声功率，需对计算方法进行改进完善，进而计算声辐射效率。,有待继续研究的问题,谢谢大家！,谢谢大家！,