轨道交通高架箱梁桥结构声辐射的发声机理与特性研究

发布时间：2020-04-08 13:46

【摘要】：我国轨道交通的发展已取得了举世瞩目的成就,同时也面临着更多的挑战。轨道交通新时期的发展必须满足绿色、环保、智能、可持续等社会经济发展理念,因此在快速发展过程中的安全性、舒适性、环保性以及可靠性等方面的要求也会不断提高。城市轨道交通和高速铁路与人们的生活有着密切的关系,这两种轨道交通在为人们的出行带来极大便利的同时也引起了环境方面问题的困扰,其中噪声问题最为突出。对于轨道交通中的高架线路,列车通过时引起桥梁的振动辐射声波,进而增强了整体的噪声水平;并且混凝土简支箱梁桥在我国应用最为广泛,因此有必要对轨道交通混凝土高架箱梁桥结构声辐射的产生机理与特性进行系统性的研究。线路基础结构的动力学求解直接影响结构声辐射预测的准确性,引入精细的列车-轨道-桥梁耦合动力学模型能够为线路基础结构的声辐射预测建立基础。声学机理相比于振动原理更加复杂,只有以箱梁桥的声辐射机理为基础,才能合理有效地提出降噪方案,避免设计时的盲目性。对降噪方案的降噪机理进行研究,能够进一步为轨道交通箱梁桥减振降噪方案的提出和优化改进提供一定的理论指导。在高架桥上安装声屏障,必然会改变整体结构的声辐射;引入声屏障的结构声辐射,将会使高架线路结构声辐射问题的研究更加全面,并且更加符合客观的实际情况。因此本文以我国轨道交通中的混凝土简支箱梁桥为主要研究对象,进行了以下四个方面的研究工作:首先,基于列车-轨道-桥梁相互作用理论和声学边界元理论,建立了列车-轨道-桥梁耦合动力学模型和声学边界元模型对箱梁桥的声辐射进行预测,其中车辆模型为经典的35自由度理论模型,线路基础结构则采用有限元模型。其次利用结构声学原理对轨道交通箱梁桥的声辐射机理进行了深入研究,并系统的研究了城市轨道交通和高速铁路箱梁桥的声辐射特性,包括低于可听阈的次声波段。然后基于箱梁桥的声辐射机理和特性,开展了针对高速铁路箱梁桥的低噪声桥型设计和减振降噪措施的研究;在此基础上深入探究了设计方案的降噪机理。最后对高架箱梁桥安装声屏障区段的整体结构声辐射问题进行了系统研究。通过上述研究主要获得了以下研究成果:第一,轨道交通箱梁桥的振动声辐射主要以低频为主,在低于可听阈的频段箱梁桥同样能够辐射很强的次声波,对人类和生态环境具有极大地影响,因此在研究轨道交通箱梁桥的声辐射时不能仅着眼于噪声,对辐射的次声同样需要高度关注。此外只有列车通过时箱梁桥才会辐射声波,因此可采用突发性噪声来评价轨道交通箱梁桥的声辐射;目前由轨道交通引起的声环境评价可主要依据对周边居民生活区域的相关标准进行评价。第二,结构声学理论中与箱梁桥声辐射相关的原理主要包括共振效应、模态声辐射效率理论、声波导管理论以及外激励引起的剧烈振动。依据轨道交通箱梁桥表现出较强的声辐射能力,可将其主要的声辐射频段划分为两个区段,但机理却有所不同:在较低频段引起箱梁桥声辐射的原因与其自身特性密切相关,主要是通过小幅振动在共振效应、模态声辐射效率或者箱梁桥腔体形成声腔的影响下具有较强的声辐射能力;在主振频段主要是由外激励作用下的剧烈振动引起,并且在主振频段箱梁桥腔体内的流体运动存在多个简正频率,在外激励作用下可在箱梁桥腔体内形成高次波,箱梁桥由此成为声腔进一步增强箱梁桥辐射的结构噪声。总体而言,由箱梁桥自身特性引起的声辐射能力甚至高于外激励作用的剧烈振动。第三,依据轨道交通箱梁桥的声辐射机理与特性可以更加有效地开展箱梁桥低噪声桥型设计和减振降噪措施的研究:针对箱梁桥的主要声辐射部件进行设计,通过改变箱梁桥的自振特性、外激励作用的振动分布以及减小箱梁桥的振动响应等方法,避免共振效应的影响、抑制箱梁桥的声辐射能力以及与减振共同作用来降低箱梁桥的声辐射,在相关设计中则更具合理性和有效性。第四,在轨道交通箱梁桥上安装声屏障,声屏障自身在车致振动作用下成为声源,将与箱梁桥的声辐射共同作用进而影响整体高架线路结构的声辐射;并且能够明显改变整体高架线路结构声辐射的声场分布。
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兰州交通大学博士学位论文高增长更快。Thompson 教授在这篇综述性论文中同时指出了气动噪声的，包括理论分析、数值预测和试验研究等，为今后有关气动噪声的研究指向。上述两种噪声类型存在于大部分的轨道交通线路中，而在高架线路中时振动能量可进一步传递给桥梁和安装在其两侧的声屏障，引起高架线路而向外辐射结构噪声，将会明显增强高架线路的噪声水平，导致这一区段加严重。另外，如图 1.3 给出的我国部分高速铁路中桥梁所占的比例，表铁路中的桥占比极大[16]；并且在城市边缘以及郊区或者是市际轨道交通虑造价较低的高架线代替地下线，因此轨道交通中高架线路辐射的结构噪究的热点问题之一。当振动能量较大时，可进一步通过土壤的传递引起周动辐射噪声[17,18]。

图 1.3 我国高速铁路部分线路中的桥梁所占比作为降低轨道交通运营噪声的主要措施，桥上的声屏障按照型式（2.0m、2.5m、3.0m、3.5m 和 4m）、折壁式声屏障（3.0m、3（3.0m、3.5m 和 4m）以及全封闭式声屏障[19]，声屏障在轨道交.4(b)所示。目前的研究指出声屏障主要控制列车运行时产生的线气动噪声等，，却很难抑制桥梁结构辐射的噪声。此外声屏障作为列车经过时声屏障在车致振动作用下同样会引起自身的振动向通线路中的声源之一。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U441;U448.213


本文编号：2619419