謝偉平， 余華彬， 孫亮明， 胡 喆， 趙寒冰

(1.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，武漢 430070；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，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)院和學校等噪聲敏感點時，會引起嚴重的噪聲污染問題。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，但其結構振動問題也逐漸引起人們的關注。

聲屏障結構動力問題的研究首先出現(xiàn)于高速鐵路，并將高速列車脈動風荷載考慮為主要影響因素[2-5]。國內(nèi)外學者對高速列車風荷載作用下聲屏障結構的動力問題開展了大量的研究，但很少考慮列車-橋梁/聲屏障結構相互作用的影響；對于風屏障等類似的橋上附屬結構雖然也做過相關動力研究，但也主要考慮環(huán)境風荷載或列車風荷載的影響[6-7]。Tokunaga等[8]研究了高速列車運行對新干線高架橋直立式聲屏障結構的動力問題，指出當車速小于150 km/h時，列車脈動風荷載影響很小而列車荷載成為聲屏障結構振動的主導因素，但并未對低速情況下聲屏障結構在列車荷載作用下的振動規(guī)律開展進一步研究，且研究對象為直立式聲屏障結構。國內(nèi)學者蔡理平等[9]、王少林[10]分別對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下的振動規(guī)律進行了數(shù)值分析工作，雖然得到了聲屏障結構動力響應在高速列車情況下的一些實用性結論，但缺乏實測數(shù)據(jù)的驗證，且其聲屏障結構形式與城市軌道交通高架橋上的聲屏障結構形式不同。

封閉式(包括半封閉、全封閉式)聲屏障因其相對于傳統(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用前景，但是其動力荷載誘發(fā)的結構振動問題不容忽視?？紤]到聲屏障結構車致振動研究仍處于初始階段，對聲屏障結構在低速列車激勵下的振動規(guī)律也缺乏一定的認識。因此，本文針對某城市軌道交通高架橋上半封閉式聲屏障的車致振動響應進行現(xiàn)場試驗，研究地鐵列車低速通過時高架橋上半封閉式聲屏障的振動響應及傳播規(guī)律，以期為城市軌道交通高架橋聲屏障的車致振動研究及優(yōu)化設計等方面提供一定的參考。

1 試驗概況

某城市軌道交通高架橋沿線噪聲敏感點采用半封閉式聲屏障進行噪聲控制，高架橋采用雙線混凝土簡支箱梁，運營車輛采用6節(jié)編組的地鐵B型列車，設計時速100 km/h。為研究地鐵列車低速通過時高架橋上聲屏障的振動規(guī)律，選取水平直線高架橋半封閉式聲屏障進行現(xiàn)場測試，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構形式，高度為4.64 m、寬度為9.3 m、一個單元間距為2 m，噪聲敏感點側布置亞克力板，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高的混凝土護欄上。高架橋采用單箱室結構的雙線混凝土簡支箱梁，跨度30 m、寬度9.3 m、高度1.8 m，采用茶花型獨立柱橋墩，墩高為7.0 m。

測試采用丹麥Brüel & Kjaer Pulse 系統(tǒng)及4507B型加速度傳感器，采樣頻率設為1 000 Hz。測點主要布置在高架橋跨中斷面的聲屏障封閉一側，包括跨中處聲屏障封閉側的橋面軌道板(Ⅰ#)、立柱根部(1#)、立柱頂端(2#)，以及亞克力板中部(3#)，測點布置執(zhí)行我國標準[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，采集列車由聲屏障封閉側和敞開側通過時，結構的鉛垂向、水平垂軌向、水平順軌向(即豎向、橫向、縱向)三個方向的加速度響應。

圖2 高架橋-聲屏障的測點布置Fig.2 Monitoring point arrangement of the viaduct and noise barrier

2 試驗結果及分析

2.1 高架橋-聲屏障的動力特性

通過現(xiàn)場測試采集了環(huán)境激勵下城市軌道交通高架橋及半封閉式聲屏障的加速度響應，利用課題組研發(fā)的基于隨機子空間法的結構模態(tài)參數(shù)識別軟件對實測數(shù)據(jù)進行分析獲得了高架橋和聲屏障結構的主要自振頻率，如表1所示。

表1 高架橋-聲屏障的自振頻率

2.2 地鐵列車過橋時的激勵特性

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行情況下的車致振動規(guī)律，現(xiàn)場實測中采集了高架橋跨中測試斷面處軌道板(Ⅰ#測點)在地鐵列車激勵下的加速度響應。由于橋面軌道板距激勵源較近，可根據(jù)其動力響應分析聲屏障結構所受列車荷載的激勵特性。

地鐵列車以66 km/h車速由聲屏障封閉側通過測試路段時，封閉側橋面軌道板的豎向、橫向、縱向加速度時程和頻譜，如圖3所示。圖3中加速度時程包括了列車開始駛入測試路段并激起振動到駛離測試路段后振動衰減的全過程。通過對實測結果進行分析可知：地鐵列車通過測試路段封閉側時誘發(fā)軌道板的振動以豎向為主，橫向次之，縱向最小。由圖3(a)～圖3(c)的加速度時程可知，軌道板的豎向振動峰值加速度為2.009 m/s2，橫向振動峰值加速度為1.056 m/s2，縱向振動峰值加速度為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；縱向振動較小，在頻率35～480 Hz內(nèi)幅值相對較均勻，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為特征頻率對應的特征長度,m，如扣件間距、輪對滾動圓周長、車輛軸距等。

軌道板豎向和橫向振動的頻譜均在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對應地鐵列車過橋時輪對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對應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，對應著豎向振動的主要頻段。

圖3 軌道板振動加速度時程及頻譜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試路段封閉側時軌道板振動加速度的平滑偽Wigner-Ville分布，從時頻分布圖中也可識別地鐵列車通過時激起軌道板振動的主要頻率。由時頻分布可知，地鐵列車通過高架橋時具有“移動軸重激勵”的荷載特性，即地鐵列車通過高架橋時其主要激振頻率處振動分量的幅值隨時間呈規(guī)律性變化，且幅值出現(xiàn)峰值處正好對應車輛轉向架或輪對作用。此特征在軌道板的豎向和橫向振動中表現(xiàn)尤為明顯，縱向振動由于本身能量較小，故由縱向振動的時頻分布不太容易發(fā)現(xiàn)該規(guī)律。

圖4(d)中給出了地鐵列車低速通過測試路段封閉側時軌道板的豎向振動在其主頻195.8 Hz處的時頻分布局部放大圖，圖中每處幅值能量集中點對應單個轉向架(包括兩個輪對)的作用，可知從第一個轉向架作用到最后一個轉向架作用歷時為Δt=6.066 s，可得地鐵列車行駛速度為66.40 km/h，其計算結果與實測車速66 km/h吻合。表明了地鐵列車通過高架橋時具有“移動軸重激勵”的荷載特性，該特性還可用于計算實測振動響應的列車行駛速度。

圖4 軌道板振動加速度時頻分布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規(guī)律

2.3.1 加速度時程與頻譜分析

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行情況下的車致振動規(guī)律，現(xiàn)場實測采集了高架橋跨中測試斷面處半封閉式聲屏障(1#,2#,3#測點)在地鐵列車激勵下的加速度響應。其中，地鐵列車以66 km/h車速由聲屏障封閉側通過測試路段時，封閉側聲屏障立柱頂端(2#測點)的豎向、橫向、縱向加速度時程和頻譜如圖5所示。

由圖5(a)～圖5(c)的加速度時程可知，地鐵列車通過測試路段封閉側時誘發(fā)半封閉式聲屏障立柱頂端的豎向振動峰值加速度為3.341 m/s2，橫向振動峰值加速度為2.486 m/s2，縱向振動峰值加速度為3.447 m/s2。實測結果表明：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響應在三個方向上的峰值加速度比較接近，以橫向的峰值加速度稍小，且其振動響應與橋面軌道板的對比明顯增大。

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方向的加速度響應主要集中在頻率35～95 Hz，且還在頻率170～200 Hz也存在較大的振動響應。半封閉式聲屏障立柱頂端豎向、橫向和縱向振動的加速度頻譜均在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的加速度頻譜對比可知，振源附近橋面軌道板車致振動的主要頻段較寬，而聲屏障立柱頂端車致振動的主要頻段相對較窄。因為地鐵列車低速過橋時激勵引起了較寬頻段的振動，當車致振動傳播至聲屏障立柱頂端時在各頻率成分處振動分量發(fā)生了選擇性放大或衰減，導致聲屏障結構的振動響應主要集中在頻率35～95 Hz內(nèi)的較窄頻段。

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

圖5 聲屏障立柱頂端振動加速度時程及頻譜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 振動加速度級分析

本文通過振動加速度級(Vibration Acceleration Level, VAL)來衡量高架橋和聲屏障結構振動量的大小，由振動加速度級差來表征振動量的衰減或放大。

其中振動加速度級定義為

VAL=20 lg(arms/a0)

(2)

式中:a0為基準加速度，本文計算中取a0=10-6m/s2；arms為振動加速度有效值,m/s2，對于長度為N的加速度信號序列

(3)

振動加速度級差LD定義為

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

(4)

式中:a1和a2分別為關注點和參考點的振動加速度有效值。

為了從頻域上進一步對比分析橋面軌道板和聲屏障立柱在地鐵列車低速運行情況下的車致振動規(guī)律，給出了基于1/3倍頻程分析的分頻振動加速度級(分頻VAL)和總振動加速度級，如圖6～圖8所示，對比分析如下：

(1)圖6表示不同測點分頻VAL對比，由圖6(a)～圖6(c)可知，對于同一測點，地鐵列車低速從聲屏障封閉側行車和敞開側行車時其分頻VAL基本一致，即振動量隨頻率分布規(guī)律比較接近；但由圖8可知，當?shù)罔F列車由聲屏障封閉側行車時，軌道板及立柱頂端的總VAL較敞開側行車時要大，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相對于橋面軌道板的幾乎在整個分析頻率0～500 Hz內(nèi)都存在一定的放大，其中橫向振動放大主要表現(xiàn)在頻率1～125 Hz內(nèi)，而縱向振動放大主要表現(xiàn)在頻率1～4 Hz和20～315 Hz內(nèi)。對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)振動卻存在一定的傳遞損失。相應地，由圖8可知，聲屏障立柱頂端總VAL在豎、橫、縱三個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處有一個較明顯峰值。其中8 Hz處峰值正好對應列車軸距(2.2 m)的加載頻率8.33 Hz。此外，對于圖6(a)高架橋-聲屏障結構的豎向VAL在中心頻率5 Hz處也存在一個較小峰值，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表示封閉側行車時橋面軌道板和聲屏障立柱頂端兩個測點在三個方向的分頻VAL對比。由圖可知，各測點在不同方向的分頻VAL曲線趨勢也是基本一致的，但其幅值存在一定的差異。尤其是橋面軌道板，幾乎是在整個分析頻率范圍內(nèi)都表現(xiàn)為豎向振動大于橫向振動，橫向振動又大于縱向振動；但聲屏障立柱頂端則僅在5～12.5 Hz內(nèi)較明顯地表現(xiàn)為豎向和橫向振動大于縱向振動，而在其它頻率范圍內(nèi)不同方向之間振動量差值不太明顯。由圖8也可知：橋面軌道板振動以豎向為主，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 不同測點分頻VAL對比Fig.6 Comparison of 1/3 octave spectrum of the VAL for different measuring points

圖7 各測點不同方向分頻VAL對比Fig.7 Comparison of 1/3 octave spectrum of the VAL in different directions of measuring points

圖8 各測點總VAL對比Fig.8 Comparison of overall VAL of measuring points

為分析地鐵列車低速運行情況下車致振動對聲屏障結構不同構件或位置的影響，同時測試了聲屏障結構立柱根部(1#測點)和亞克力板(3#測點)的振動加速度，圖9對比了封閉側行車時聲屏障結構封閉側立柱根部、立柱頂端和亞克力板的橫向VAL，分析可知：

(1)聲屏障結構立柱根部、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相對于立柱存在明顯的放大效應，且在中心頻率4～12.5 Hz內(nèi)振動分量的增大最為顯著，其橫向總VAL在封閉側行車時達到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相對于立柱根部在其固有頻率10.8 Hz附近(中心頻率10 Hz處)有一個明顯峰值，這也說明了結構振動在傳播過程中對與其固有頻率接近的振動分量有一定的放大效應。

圖9 聲屏障結構不同部位橫向振動加速級對比Fig.9 Lateral VAL of different measuring points on the noise barrier

2.4 列車速度對聲屏障車致振動的影響

通過實測統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，該城市軌道交通線路在該實測直線路段行駛時地鐵列車的運營速度主要集中在60～97 km/h波動；考慮封閉側行車情況，主要統(tǒng)計了66 km/h,70 km/h,74 km/h,89 km/h和96 km/h五種車速下高架橋-聲屏障結構的車致振動響應，各測點總VAL如圖10所示。為從頻域分析車速對高架橋-聲屏障結構的影響，圖11給出了高架橋-聲屏障結構在74 km/h和89 km/h兩種車速下相對于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車速范圍為66～96 km/h，橋面軌道板在地鐵列車激勵下的VAL基本上有隨列車車速增大而增大的趨勢，聲屏障立柱和亞克力板的VAL雖然在個別車速處存在一定的波動，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，橋面軌道板和立柱頂端的各向VAL最大波動幅度分別為3.7 dB和2.3 dB，立柱根部和亞克力板的橫向VAL最大波動幅度分別為2.7 dB和3.8 dB。

由圖11可知，當列車車速改變時，高架橋-聲屏障結構的分頻VAL也會發(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，當車速為74 km/h時，在中心頻率10 Hz處增幅較大，而車速為89 km/h時，則在10～12.5 Hz附近均有較大增幅。而這正好也分別對應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對應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，當列車速度變化時，高架橋-聲屏障結構振動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-聲屏障結構振動加速度級的變化也主要表現(xiàn)為在相應的軸距加載頻率處振動分量幅值的變化。

圖10 不同車速下結構振動加速度級Fig.10 Comparison of overall VAL in the cases of different train speeds

注：圖中為相對于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 論

(1)地鐵列車低速過橋時具有“移動軸重激勵”的荷載特性，即地鐵列車通過高架橋時其主要激振頻率處振動分量的幅值隨時間呈規(guī)律性變化，且幅值出現(xiàn)峰值處正好與列車轉向架或輪對作用呈對應關系。

(2)地鐵列車低速通過高架橋-聲屏障結構時，誘發(fā)橋面軌道板的振動以豎向最大、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，且其振動分量發(fā)生了較顯著的放大效應，尤其在39 Hz,47.4 Hz,63.2 Hz和88.3 Hz存在明顯峰值。另外，封閉側行車時誘發(fā)的封閉側橋面軌道板、聲屏障立柱、亞克力板等振動響應相對于敞開側行車時的要大。

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

(4)地鐵列車低速通過高架橋-聲屏障結構時，橋梁軌道板振動加速度隨列車車速的增大而增大，聲屏障結構的振動加速度雖在某些車速附近存在一定的波動，但在總體上也符合隨車速增大而增大的規(guī)律。當列車以66～96 km/h速度通過時，高架橋-聲屏障結構的分頻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-聲屏障結構VAL的變化主要表現(xiàn)為在相應的軸距加載頻率處振動分量幅值的變化。