摘 要

近年来，随着城市交通的发展，高架轨道交通在穿越住宅区、商业区等噪声敏感点时，会引起严重的噪声污染问题。声屏障作为一种最有效的噪声控制方法，其应用越来越普遍，但其破坏问题也逐渐暴露出来，城市高架桥声屏障出现螺栓脱落、亚克力板开裂等现象，危及列车的运营安全。尽管高速铁路中关于列车风荷载引起声屏障振动的研究有所报道，但是，城市轨道交通列车运行车速较低，列车风荷载远不如高速铁路显著，而车致振动可能是声屏障破坏的重要影响因素。本文基于实测数据开展了半封闭式声屏障的车致振动响应分析的研究工作，主要包括：

（1）了解现有城市高架桥声屏障的结构形式和特点；

（2）基于采集的实测数据，分析城市高架桥声屏障的动力特性和车致振动传播规律；

（3）分析列车速度对城市高架桥声屏障的动力影响。

研究结果表明:车致振动对高架桥声屏障结构有很大影响，高架桥上声屏障结构的振动加速度幅值相对于桥面存在明显的振动放大效应。当列车速度变化时，高架桥声屏障结构振动加速度的改变主要表现为在相应的轴距加载频率处振动分量幅值的变化。

本文的特色在于基于某城市高架桥半封闭式声屏障的实测数据来分析高架桥半封闭式声屏障的车致振动响应规律。

关键词：高架桥；声屏障；车致振动；现场测试；振动加速度级

Abstract

In recent years, with the development of urban transportation, elevated rail transit will cause serious noise pollution when it passes through noise sensitive points such as residential areas and commercial areas. As a kind of most effective noise control method, the noise barrier has become more and more popular. However, the problem of damage has gradually emerged. The phenomenon that bolts fall off and the acrylic plate cracks in the sound barrier of the urban viaduct has jeopardized the operation safety of the train. Although the study on the vibration of noise barriers in high-speed railways caused by wind load on trains has been reported, the speed of trains in urban rail transit is low, and the wind load on trains is much lower than that on high-speed railways. Vehicle-induced vibration may be an important influence on the destruction of noise barriers. Based on the measured data, this dissertation studies the semi-closed noise barrier's vehicle-induced vibration response analysis, including:

(1) Understand the structural form and characteristics of the noise barriers of existing urban viaducts;

(2) Based on the collected measured data, analyze the dynamic characteristics of the noise barrier of the viaduct of the city and the vibration propagation law of the vehicle;

(3) Analyze the dynamic impact of train speed on the noise barrier of the urban viaduct.

The results show that the vehicle-induced vibration has a great influence on the structure of the noise barrier of the viaduct, and the vibration acceleration amplitude of the acoustic barrier structure on the viaduct has a significant vibration amplification effect relative to the bridge surface. When the train speed changes, the change of the vibration acceleration of the noise barrier structure of the viaduct mainly manifests itself in the change of the amplitude of the vibration component at the corresponding wheelbase loading frequency.

The characteristic of this paper is to analyze the vehicle-induced vibration response law of the semi-closed noise barrier of a viaduct based on the measured data of the semi-closed noise barrier of a viaduct in a certain city.

Key words: viaduct; sound barrier; vehicle-induced vibration; field test; vibration acceleration level

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文所做的工作及创新点 3

第2章 声屏障的结构形式和特点 4

2.1 直立式声屏障 4

2.2 折臂式声屏障 5

2.3 具有顶部结构的声屏障 6

2.3.1 多重缘边顶部结构声屏障 6

2.3.2 Y型及鹿角型声屏障 7

2.3.3 T型声屏障 8

2.3.4 声学软表面 9

2.3.5 平方余数序列顶部结构 10

2.4 封闭式声屏障 11

2.5 本章小结 13

第3章 声屏障的车致振动分析 14

3.1 试验概况 14

3.2 试验结果及分析 17

3.2.1 高架桥-声屏障的动力特性 17

3.2.2 半封闭式声屏障的车致振动规律 18

3.2.3 列车速度对声屏障车致振动的影响 27

3.3 本章小结 27

第4章 结论 29

参考文献 30

致谢 31

绪论

研究背景和意义

以高架桥梁为主要结构形式的交通线路连接着主要城市或区域，在公共交通运输中起着重要作用。然而大多数线路往往靠近甚至穿越于密集的住宅区、商业中心、文化中心、医院、学校和科研院所等噪声敏感区，给人们出行带来便利的同时也引起了严重的环境振动和噪声污染问题^[1]。城市因自然、地理条件等客观因素的影响而无法变更噪声敏感区位置，采用声屏障降噪无疑是一种首选方案。

设立声屏障是在声源与敏感点之间出入有足够面密度或一定吸声性能的板材或墙体等设施，通过隔离或吸收噪声而削弱噪声对敏感点的影响^[2]。由于城市噪声敏感区高层建筑的增多，一般的开放式声屏障（如直立式，折角式等）已不能有效阻隔噪声影响，而封闭式声屏障（包括半封闭式声屏障和全封闭式声屏障）则因其独特优势而被大量应用。

声屏障作为一种最有效的噪声控制方法，其应用越来越普遍，但其破坏问题也逐渐暴露出来，城市高架桥声屏障出现螺栓脱落、亚克力板开裂等现象，危及列车的运营安全。尽管高速铁路中关于列车风荷载引起声屏障振动的研究有所报道，但是，城市轨道交通列车运行车速较低，列车风荷载远不如高速铁路显著，而车致振动可能是声屏障破坏的重要影响因素。

国内外关于城市轨道交通高架桥声屏障振动问题的研究仍十分匮乏，由于低速情况下车桥耦合对城市轨道高架桥声屏障振动具有重要影响，因而针对城市轨道高架桥声屏障的车致振动开展试验测试和理论分析研究具有重要意义。封闭式声屏障在城市轨道高架桥中具有较好的应用前景，对封闭式声屏障振动问题的研究也具有一定工程价值。

本论文拟针对封闭式声屏障的车致振动问题，在了解国内外关于城市高架桥声屏障研究现状的基础上，调研城市高架桥声屏障的结构形式和特点，然后，针对半封闭式声屏障采集的实测数据进行分析和讨论，运用结构动力学的理论知识，分析高架桥声屏障的动力特性，并研究列车在高架桥上运行对半封闭式声屏障的动力影响。

国内外研究现状

美、德、日、法等发达国家在20世纪60~70年代便开始了声屏障的理论研究和大量的工程应用，早在 1976 年，Rawlins A. D^[3]首次提出，附在刚性障板边缘上的“声学软表面”能阻碍声屏障顶部绕射声的传播。随后 May D. N 于 1980 年提出将吸声材料添加于声屏障的表面，能扩大声屏障的作用，提高声屏障声影区的范围。后来 Alfredson R. j、Fujiwara. k 相继于 1995 年和 1998 年研发出“软表面”结构声屏障，这些声屏障的一个共同特征是：在原声屏障边缘上边附着一层或一个带管状“声学软表面”的结构^[4,5]。在 1999 年，Watts, G. R 验证了声屏障表面添加吸声材料可以降低反射声和混响声，达到了扩大声屏障的声影区，改善道路周边的声环境^[6]。1980 年 May 和 Osman 等人首次提出了 T 型声屏障^[7]。并且 Hothersall 等人于 1991 在此理论基础上用计算机和缩尺模拟实验验证了T型声屏障的插入损失量比普通声屏障的插入损失量要大 2~3 dB^[8]。1991 年 Fujiwara 和 Furuta 分别从理论、缩尺验证了顶部有吸音体的T型声屏障可有效降低声屏障顶部声压，从而减小声屏障背后衍射区 2~3 dB声压值^[9]。Crombie^[10]和 Shima^[11]等人先后于 1995 年和1996 年运用边界元和缩尺模型预测并验证了 Y 型声屏障能增加其插入损失，同时指出在垂直型声屏障顶部附加板，形成“叉形”结构，不仅能提高声屏障的降噪效果，而且能降低声屏障的高度，从而节约费用。Ise^[12]和 Omoto^[13]人分别于 1991 年和 1993 年先后验证了有源声屏障对降低声影区的声压级(主要是低频噪声)有较大的附加衰减。同时指出声源间隔必须小于声波波长的一半，且次级声源应尽可能地靠近初级声源，就能取得较好的降噪效果。

1989 年，美国声屏障就达到了 1158.48 km，总投资 63.5 亿元；1987 年德国修建的公路声屏障总长度达到 500 km。1990 年日本修建的道路隔声屏障总长度就有 1660 km，其中高速公路声屏障长为455.5 km，占高速公路总长度的 12%。至 2006 年底，全美已经建成的公路声屏障约 5000 km；日本已建成约 1600 km 公路声屏障，其城市高速道路的声屏障设置率已达到 80%^[14]。

国外声屏障发展迅猛，国内声屏障的发展早在20 世纪 70 年代已经开展。其中1985 年姚白欧等人就提出在减少交通路面噪声的同时安装声屏障可以有效地减少交通噪声^[15]；21 世纪，研究人员在前人的基础上不断发展创新，2011年梁李斯等人提出并设计出用闭孔泡沫铝板制成的声屏障，其性能优于普通百叶声屏障，尤其在 20~630 Hz 频段降噪效果更佳^[16]；2013 年叶颖^[17]等人设计出了兼具美观、实用的模块化生态声屏障，该类声屏障通过调节植物的搭配、土壤配比等特点，适用于不同的交通噪声环境；2014 年耿传智^[18]等人验证了声屏障表面带有圆形凸起和表面带有三角形凸起，提高凸起的高度可以提高声屏障的降噪性能。2014 年何金平^[19]指出针对低层建筑物(别墅)周边进行降噪，该类降噪方法是通过周围添加围墙，同时围墙上方再添加声屏障的方式。这种设计方式是从实际情况出发，根据降噪原理设计出的具有高效降噪效果的成功实例，由此可见声屏障正在走向功能化、生态化、专一化的道路。

对于声屏障的研究虽然在20世纪60年代就已经开始，但起初主要关注其声学特性，而对其受力性能研究比较少。随高速轨道交通中声屏障结构首先是暴露出振动破坏问题，以高速轨道交通为背景，开放式声屏障为主要研究对象，列车脉动风荷载为主要激励的声屏障振动问题的理论和试验研究才逐渐发展起来。

2013年，意大利学者Luigi Carassale等在文献^[20]中对轨道一个带平板的框架结构进行列车脉动风荷载的影响分析时，考虑了列车通过时引起的地面振动对声屏障的动力影响。他通过实测方法获取结构及其基础的动力响应，然后假定基础的动力响应为列车荷载对结构影响的输入，分离出列车荷载和列车脉动风荷载各自引起的结构振动。2016年，日本学者Munemasa Tokunaga等^[21]指出了车桥耦合振动也是高架桥上声屏障动力影响的一个影响因素，在进行高速铁路高架桥上超高（折角式）声屏障动力响应的研究工作时，在分析列车脉动风荷载的同时还考虑了车桥耦合振动的影响。

随着城市交通噪声敏感区中高层建筑的增多，传统的开放式声屏障的使用具有一定的局限性，而封闭式声屏障适用范围更广且相对于传统形式的声屏障有更好的隔声效果，具有更加广阔的应用前景。2017年，国内学者王少林^[22]建立了列车-轨道-桥梁/声屏障动态相互作用模型，分析了列车时速160~220km/h时半封闭式声屏障结构的动力响应。李小珍等^[23]则以全封闭式声屏障为研究对象，采用车-线-桥耦合振动分析程序BDAP2.0^[24]求解列车作用在桥梁上的轮轨力，分析了两种车型（CRH2型动车组、C80型货车）和两种车速（80km/h和200km/h）情况下两种全封闭式声屏障结构的动力响应及其变化规律。

本文所做的工作及创新点

本文基于实测数据展开了高架桥声屏障的车致振动响应分析的研究工作，主要包括：

（1）了解现有城市高架桥声屏障的结构形式和特点；

（2）基于采集的实测数据，分析城市高架桥声屏障的动力特性和车致振动的传播规律；

（3）分析列车速度对城市高架桥声屏障的动力影响。

本文的创新点在于基于某城市高架桥声屏障结构的实测数据分析其车致振动的传播规律，并分析了列车速度对高架桥声屏障的动力影响。

第2章 声屏障的结构形式和特点

在声源和接收者之间插入一个设施，使声波传播有一个显著的附加衰减，从而减弱接收者所在一定区域内噪声影响，这样的设施就称为声屏障。声屏障的隔声效果一般可采用降噪量表示

声屏障主要由钢结构立柱和吸隔声屏板两部分组成。立柱是声屏障的主要受力构件，它通过螺栓或焊接固定在道路防撞墙或轨道边的预埋钢板上；吸隔声板是主要的隔声吸声构件，它通过高强弹簧卡子将其固定在H型立柱槽内，形成声屏障。

声屏障是用来遮挡声源和接收点之间直达声的措施。当声源与受声者之间没有障碍物时，声波由声源车辆直接传到受声点。当声源与受声者之间设置了声屏障以后，声波从声源到受声点的传播就变成了越过屏障顶部的绕射，穿过声屏障的透射以及声波遇到屏障后的反射。声屏障的作用就是阻挡直达声、隔离透射声，并使绕射声有足够的衰减。当声波撞击到声屏障的壁面上时，在声屏障的边缘产生绕射（衍射）现象。顶部绕射到受声者，而在屏障背后形成声波绕射区（声影区）和声波直达区（声照区）位于声影区内的受声者感到比未设置声屏障时的噪声级有了明显的衰减，这就是声屏障的基本原理。

声屏障可以有不同的分类方法，如按照声屏障形状、结构、屏障材料、声学特性等进行分类。如按照材料分类可以分为混凝土类、金属类、透明材料类等。按照声学特性可以分为吸声型和反射型两类。按照结构形式可以分为整体式声屏障、砌体式声屏障和插板式声屏障。

声屏障按照外观形状可以分为开放式和封闭式。开放式声屏障包括直立式、折臂式、倾斜式、带有顶部装置的直立式等。折臂式声屏障，有倒L型、圆弧等具体形式；倾斜式声屏障有内倾和外倾两种形式。封闭式声屏障包括全封闭和半封闭式。我国已建成的道路声屏障和铁路声屏障主要为直立式和折臂式等。

2.1 直立式声屏障

直立式声屏障一般都是直接放在地上，如图2-1，设置直立式声屏障抗风载能力强，不会轻易跌倒，从安装方面来说构造简单、易于安装建造，不需要过于复杂的操作，这样会降低工程成本；还有日后的声屏障维修更换也是比较容易的。但是直立式声屏障往往靠增加屏体高度以增加声屏障降噪效果，声屏障过高，一是造成声屏障工程成本增加，二是需要考虑稳固性，还要司机长时间行驶带来压抑感觉！

直立式声屏障的降噪量与噪声的频率、屏障的高度以及声源与接收点之间的距离等因素有关。声屏障的降噪效果与噪声的频率成分关系很大，对大于2000Hz的高频声比800~1000Hz左右的中频声的降噪效果要好，但对于25Hz左右的低频声．则由于声波波长比较长而很容易从墙上方绕射过去，所以效果就差。通常，声屏障对高频声可降低10~15dB。声屏障的高度，可根据声源与接收点之间的距离设计，墙的高度增加一倍，则其降噪量可增加6dB，为了使声屏障的降噪效果较好，应尽量使声屏障靠近声源或接收点。

直立式声屏障主要用于铁路和公路沿线，还有高速公路、高架复合道路、城市轻轨地铁等交通市政设施中的隔声降噪、控制交通噪声对附近城市区域的影响，也可用于工厂和其它噪声源的隔声降噪。

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