铁路结合梁桥结构噪声预测及约束阻尼层控制研究

摘要

由于铁路运输具有速度快、运量大、占地少、能耗低、低碳环保、安全可靠、准点率高、运输成本低等优点，已成为最重要的交通运输方式之一。1964年日本新干线开通以来，高速铁路建设方兴未艾。中国已建成高速铁路超过1.6万公里，正在兴建和即将兴建的高速铁路达到2万公里，运营线路里程和在建线路里程均位居世界第一，其中运营线路占世界高速铁路运营总里程60％以上。随着高速铁路和城市轨道交通的快速发展，在促进经济发展、给人们出行带来便利的同时，其带来的噪声问题日益突出。另一方面由于人们对生活环境要求的提高，铁路引起的振动与噪声问题越来越受到人们的重视。与路基区段相比，桥梁区段噪声增加可达到0～20 dB。在噪声地图上，桥梁往往形成噪声热点区域，且我国轨道交通中桥梁所占比例很高。虽然桥梁结构噪声在整个铁路噪声中所占的比重不大，但桥梁结构噪声对人体危害较大，且目前针对桥梁结构噪声的减振降噪措施不多，因此对桥梁结构噪声的产生和传播规律及减振降噪措施研究具有重要的实际意义。本文对铁路结合梁桥的噪声产生机理和约束阻尼层减振降噪展开多学科交叉研究，主要工作和成果如下:
　　(1)在阅读国内外相关文献的基础上，对桥梁结构噪声和约束阻尼层的研究现状进行综述，对各种计算方法的优缺点进行总结，为本文提出合理的计算方法厘清了方向。
　　(2)结合列车-轨道-桥梁耦合振动理论、统计能量分析原理和振动声辐射理论，提出了铁路结合梁桥结构噪声理论预测模型。对铁路(32+40+32)m连续板梁钢-混结合梁桥在动车组作用下的振动与噪声进行了现场试验研究，分析了其频谱特性和传播规律，并对本文提出的铁路结合梁桥结构噪声理论计算方法进行了验证。
　　(3)以铁路(32+40+32)m连续板梁钢-混结合梁桥和64 m简支桁梁钢-混结合梁桥为研究对象，对动车组运行时桥梁产生的结构噪声进行了仿真计算，分析了铁路结合梁桥结构噪声的辐射机理、频谱特性和空间分布规律，得出了桥梁主要构件辐射噪声的贡献量。
　　(4)对约束阻尼层用于薄壁结构减振降噪的机理进行了介绍，提出了基于模态应变能法和统计能量分析的约束阻尼层减振降噪理论分析方法。采用模态应变能法计算敷设约束阻尼层构件的结构内损耗因子，结合统计能量法分析了约束阻尼层对铁路结合梁桥的减振降噪效果。理论分析考虑了黏弹性阻尼材料剪切模量和损耗因子的频变特性。再以工字形钢梁为例，通过试验研究和理论分析探讨了约束阻尼层的减振降噪效果和优化方案。
　　(5)对(32+40+32)m钢-混结合梁桥敷设约束阻尼层前后车致桥梁振动与噪声进行了现场测试，对比分析了约束阻尼层对运营铁路结合梁桥的振动与噪声控制效果，验证了本文提出的约束阻尼层结构振动与噪声的理论分析方法。以铁路(32+40+32)m连续板梁钢-混结合梁桥和64 m简支桁梁钢-混结合梁桥为例，开展约束阻尼层用于铁路结合梁桥的振动与噪声控制研究。通过对约束阻尼层进行参数分析，得出了阻尼层剪切模量、约束层材料、阻尼层厚度、约束层厚度对降噪效果的影响规律。采用模态应变能法对约束阻尼层的敷设位置进行了优化分析，得到了可应用于实际铁路结合梁桥的振动与噪声控制方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．1．1 轨道交通的发展

1．1．2 噪声污染及危害

1．1．3 研究的必要性

1．2 桥梁结构噪声研究现状

1．2．1 桥梁结构噪声国外研究现状

1．2．2 桥梁结构噪声国内研究现状

1．2．3 桥梁结构噪声计算方法总结

1．3 约束阻尼层应用及研究现状

1．3．1 黏弹性阻尼层结构型式

1．3．2 约束阻尼层国外研究现状

1．3．3 约束阻尼层国内研究现状

1．3．4 约束阻尼层动力计算方法总结

1．4 本文主要研究内容

第2章 铁路结合梁桥结构噪声理论预测模型

2．1 声学基本概念

2．1．1 声压、声压级

2．1．2 声功率与声强

2．1．3 响度级与等响曲线

2．2 列车-轨道-桥梁耦合振动基本理论

2．2．1 车辆子系统模型

2．2．2 轨道子系统模型

2．2．3 桥梁子系统模型

2．2．4 轨道不平顺

2．2．5 耦合方程及求解

2．3 统计能量分析原理

2．3．1 模态密度

2．3．2 内损耗因子

2．3．3 耦合损耗因子

2．3．4 功率平衡方程

2．4 辐射效率

2．5 铁路结合梁桥结构噪声理论预测模型

2．6 本章小结

第3章 板梁钢-混结合梁桥结构噪声试验与计算分析

3．1 桥梁概况

3．2 试验概况

3．2．1 试验测点布置

3．2．2 测试工况

3．3 试验结果分析

3．3．1 加速度与声压时程

3．3．2 时域声压级

3．3．3 频域加速度级和声压级

3．3．4 实测振动与噪声的相干分析

3．4 理论分析

3．4．1 桥梁模态

3．4．2 轨道不平顺和车辆参数

3．4．3 桥面板响应

3．4．4 理论模型验证

3．4．5 线性计权声压级

3．4．6 A计权声压级

3．5 本章小结

第4章 桁梁钢-混结合梁桥结构噪声计算分析

4．1 桥梁概况

4．2 桥梁自振特性分析

4．3 桁梁钢-混结合梁桥车致振动分析

4．3．1 计算边界条件

4．3．2 车致振动响应

4．4 桁梁钢-混结合梁结构噪声预测

4．4．1 统计能量分析基本参数

4．4．2 结构噪声空间分布规律

4．4．3 声贡献量

4．5 本章小结

第5章 约束阻尼层减振降噪分析理论与试验研究

5．1 黏弹性阻尼材料特性

5．2 约束阻尼层桥梁车致振动与结构噪声分析理论

5．2．1 基于模态应变能法的内损耗因子计算理论

5．2．2 内损耗因子计算结果验证

5．2．3 约束阻尼层桥梁结构噪声计算理论

5．3 约束阻尼层工字梁试验研究

5．3．1 试验方法

5．3．2 试验概况

5．3．3 实测数据的信噪比

5．3．4 实测工字梁的固有频率和模态损耗因子

5．3．5 地面反射对声压级的影响

5．3．6 腹板和翼缘分别敷设自由阻尼层的振动与噪声对比

5．3．7 腹板敷设不同约束阻尼层的振动与噪声对比

5．4 约束阻尼层工字梁理论分析

5．5 本章小结

第6章 板梁钢-混结合梁桥结构噪声约束阻尼层控制研究

6．1 约束阻尼层材料

6．2 约束阻尼层优化

6．2．1 敷设构件

6．2．2 敷设面积

6．2．3 局部优化

6．3 约束阻尼层参数研究

6．3．1 阻尼层剪切模量对比分析

6．3．2 约束层材料对比分析

6．3．3 阻尼层厚度对比分析

6．3．4 约束层厚度对比分析

6．4 约束阻尼层桥梁减振降噪试验研究

6．4．1 敷设CLD前后振动加速度对比

6．4．2 敷设CLD前后声压级对比

6．5 约束阻尼层减振降噪效果分析

6．5．1 结构内损耗因子计算

6．5．2 约束阻尼层桥梁理论计算验证

6．5．3 约束阻尼层减振降噪结果

6．6 本章小结

第7章 桁梁钢-混结合梁桥结构噪声约束阻尼层控制研究

7．1 黏弹性阻尼材料

7．2 约束阻尼层优化

7．2．1 敷设杆件

7．2．2 敷设面积

7．2．3 局部优化

7．3 灵敏度分析

7．3．1 阻尼层剪切模量对噪声的影响

7．3．2 约束层材料对噪声的影响

7．3．3 阻尼层厚度对噪声的影响

7．3．4 约束层厚度对噪声的影响

7．4 约束阻尼层减振降噪效果分析

7．4．1 结构内损耗因子计算

7．4．2 约束阻尼层减振降噪结果

7．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果