许代言
湖南省高铁运行安全保障工程技术研究中心 湖南株洲 412006
摘 要：通过对箱型梁的腹板增加横肋的措施，建立有限元-边界元模型，重点分析了腹板加肋后的振动响应和噪声辐射水平，并对不同肋宽的降噪效果就进行了对比。结果表明腹板加肋能够降低箱型梁低频振动与结构噪声辐射，且肋板宽度较小时，降噪效果更好。为轨道交通箱型梁减振降噪设计和既有线噪声处理提供了一种思路。
关键词：箱型梁；结构噪声；减振降噪；有限元；边界元
中图分类号：U491.91；U270.16 文献标识码：A
0 引言
轨道交通箱型梁在列车轮轨激励作用下产生振动并向空中辐射噪声，这被称为“桥梁结构噪声”[1]，近年来随着城市轨道交通的飞速发展，针对结构噪声辐射特性和预测方法及控制措施都进行了大量研究[2-9]。如何在不大幅增加工程造价的前提下对轨道交通箱型梁减振降噪设计，并对既有轨道交通线路箱型梁采取降噪处理措施，是很有探索价值的。本文即通过计算对箱型梁腹板增加横肋后的噪声辐射水平探索该方案的有效性。
1 FEM-BEM计算模型
1.1 箱型梁有限元(FEM)模型
本文以上海轨道交通某高架箱型梁为研究对象，箱梁跨度为32m，尺寸图1所示。用有限元软件建立三维实体有限元模型，支座约束为两端简支，支座刚度取3.38×109N/m；梁体弹性模量取36.2Gpa，密度2500kg/m3，泊松比为0.2，阻尼比为0.03，扣件垂向刚度为6×107N/m，阻尼为104N?s/m，扣件间距为0.625m。
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图1 箱型梁截面尺寸
1.2 箱型梁边界元(BEM)模型
基于有限元-边界元耦合声学求解理论建立了箱型梁边界元模型。在建立声学边界元模型时，要求最大单元的边长要小于计算频率最短波长的1/6，即最大单元的边长要满足如下表达式：
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式中c——声音在空气中的传播速度，取340m/s；
L——边界元网格最大单元尺寸，m；
——最大计算频率，Hz。
本文采用的间接边界元法，提取结构表面网格作为声学边界元网格。箱型梁边界元网格划分最大单元尺寸L为0.32m，由式（1）可知该模型的最大计算频率可以达到177Hz。
2 腹板加肋箱梁模型
对32m双线单跨轨道交通箱型梁采取腹板加肋的措施，利用箱型梁有限元-边界元耦合声学计算模型预测腹板加肋措施对轨道交通箱型梁结构噪声辐射的影响。建立宽肋和窄肋两种工况，肋板宽度分别为0.56m和0.13m，肋板厚度0.2m，肋板中心间距均为4m。箱型梁其余结构参数及属性与原模型一致，腹板加肋的箱型梁三维有限元模型见图2所示。
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图2 腹板加肋的箱型梁三维有限元模型
3 噪声辐射水平分析
将数值模拟求解的轮轨作用力作为激励源，采用完全法对轨道交通箱型梁有限元模型进行瞬态响应分析。采用右线单向加载，每节列车按4个轮对共简化为8个集中力荷载，加载时间步长为6.4×10-4s。利用ANSYS软件求解箱型梁垂向振动加速度。
将箱型梁结构垂向振动加速度作为声学边界元初始条件，基于声学边界元软件virtual.lab求解场点声压响应。为了研究距桥体中心线水平向不同距离处腹板开孔的箱型梁的声场分布规律，分别沿水平向选取5个场点进行分析。 D1～D5于跨中距地面1m的位置垂直于线路中心线分布，距桥体中心线水平距离分别为0m、5m、10m、20m、25m。所求解的各场点声压级如图3所示。
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图3 腹板加肋对箱型梁结构噪声辐射的影响
由图3可见，腹板加肋措施对箱型梁正下方及近场点有较大影响，采取上述加肋措施
箱型梁正下方距地面1m高处场点D1最大声压级降低约4dB；在距箱型梁中心线5-25m的场点，窄肋的降噪效果更明显。
4 结论
综上所述，轨道交通箱型梁设计阶段在充分考虑结构稳定性的基础上，可以考虑腹板加肋的措施来控制箱型梁结构噪声辐射，注意肋板宽度较小时，降噪效果更好，这对节约成本是有利的。
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作者简介：许代言（1990-），男，工程师，硕士，主要研究方向：铁路环境振动与噪声控制研究.
课题编号：湖南铁路科技职业技术学院院级课题（HNTKY-KT2020-5）.