市域鐵路近軌聲屏障降噪效果預測分析

王朝亮，張良濤，宋立忠，吳曉龍

（1.溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司，浙江 溫州 325000；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；3.華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌 330013）

2020年底，國務院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)國家發(fā)改委、交通運輸部、國家鐵路局、國鐵集團等單位《關于推動都市圈市域（郊）鐵路加快發(fā)展的意見》的通知，提出積極有序推進都市圈市域（郊）鐵路建設。

趙國堂等[1]預測未來10年我國將建設2 000 km以上的市域鐵路。隨著市域鐵路的大量修建，鐵路沿線的噪聲問題勢必日益突出。鐵路噪聲以輪軌噪聲為主[2]，Thompson 等[3－10]均對鐵路輪軌噪聲特性與預測開展了大量研究。在路旁安裝聲屏障可以降低輪軌噪聲對沿線環(huán)境的影響。目前，鐵路上常用的直立式聲屏障安裝位置一般距離外軌中心線3.40 m～4.175 m，高度在軌面以上2.15 m～3.15 m，降噪效果一般為3 dB(A)～8 dB(A)[11]。吳小萍等[12]通過數(shù)值仿真分析了聲屏障高度對降噪效果的影響，發(fā)現(xiàn)聲屏障高度由3 m增至4 m對降噪效果提升有限，由4 m增至5 m降噪效果顯著提升，而超過5 m后再增加高度對降噪效果的提升不明顯。周信等[13]通過數(shù)值仿真對比了不同形式聲屏障的降噪效果，發(fā)現(xiàn)降噪效果從優(yōu)到劣依次為Y 型、傾斜式、T 型、外折式、直立式和內(nèi)折式，其中Y型聲屏障的降噪效果比直立式聲屏障高0.7 dB(A)～1.5 dB(A)。

如圖1（a）所示，傳統(tǒng)直立式聲屏障一般安裝在橋梁翼緣板邊緣，高度一般在2 m以上，會對城市景觀產(chǎn)生不利影響，同時還會遮擋乘客視線，鑒于此，近年來距離聲源更近、高度更低的近軌低矮聲屏障逐漸開始在鐵路上得到應用。范靜等[14－15]通過數(shù)值仿真對比了近軌C型聲屏障與直立式聲屏障的降噪效果，分析了聲屏障高度、弧長及與車體的距離對近軌C 型聲屏障降噪效果的影響。徐圣輝等[16-17]通過數(shù)值仿真分析了距離外軌中心線2.5 m 的近軌低矮聲屏障的降噪效果及高度和頂部造型對其降噪效果的影響。

溫州市域鐵路S1 線是我國第一條真正意義上的采用城市軌道交通模式運營的市域鐵路，一期工程全長53.507 km，其中，高架線39.112 km，占比73.1%。為了減小輪軌噪聲對沿線居民的影響，擬在高架線上安裝一種新型近軌低矮聲屏障，如圖1（b）所示。該新型近軌低矮聲屏障距離外軌中心線僅1.95 m，高于軌面0.94 m，相對于傳統(tǒng)直立式聲屏障，該新型近軌聲屏障更靠近噪聲源，因而能夠以更小的高度起到同樣的降噪效果。本文以溫州市域鐵路S1線高架近軌聲屏障作為研究對象，通過數(shù)值仿真開展了近軌聲屏障降噪效果評估，并分析了近軌聲屏障高度對其降噪效果的影響。

圖1 聲屏障設計圖

1 數(shù)值模型

1.1 輪軌振動數(shù)值模型

采用有限元分析軟件ANSYS 分別建立鋼軌和車輪的三維實體半軸模型。

鋼軌有限元模型采用SOLID45 單元模擬，如圖2所示。將鋼軌截面劃分為132個單元，縱向單元長度為0.01 m，可以滿足計算精度的要求。鋼軌有限元模型計算參數(shù)見表1。

圖2 鋼軌有限元模型

車輪有限元模型采用SOLID45 單元模擬，如圖3所示。對斷面進行自由網(wǎng)格劃分，然后對網(wǎng)格體掃描后旋轉(zhuǎn)360°得到車輪模型。車輪有限元模型計算參數(shù)見表1。

圖3 車輪有限元模型

選取ISO3095 規(guī)范給出的軌道粗糙度譜，基于動柔度法[18]求解輪軌力；將輪軌力分別施加于鋼軌和車輪有限元模型上，求解輪軌系統(tǒng)動力響應；將輪軌系統(tǒng)動力響應作為聲學邊界條件，采用邊界元法求解聲源位置的輪軌噪聲。

1.2 輪軌噪聲數(shù)值模型

基于統(tǒng)計能量分析，考慮地面、橋面、車體及聲屏障對輪軌噪聲的隔聲及反射作用，采用振動聲學分析軟件VA One 建立高架輪軌噪聲統(tǒng)計能量分析模型，如圖4所示，模型中包含聲腔子系統(tǒng)和結構子系統(tǒng)，結構子系統(tǒng)由箱梁頂板、翼板、腹板、底板、混凝土護欄以及聲屏障組成，箱梁底板距地面高度10 m，采用2 m×0.5 m×0.5 m聲腔子系統(tǒng)模擬外空間空氣，整個聲場預測范圍為120 m×50 m，考慮車體對噪聲的阻隔作用，車體位置不建立聲腔。每個聲腔和對應的橋梁結構、聲屏障結構子系統(tǒng)相互耦合，相鄰聲腔也相互耦合，保證各子系統(tǒng)之間的能量傳遞，將聲源位置的輪軌噪聲作為聲激勵施加到輪軌接觸位置，預測輪軌噪聲的空間分布特性，用以評估新型近軌聲屏障的降噪特性。輪軌噪聲統(tǒng)計能量分析模型計算參數(shù)見表1。

圖4 輪軌噪聲統(tǒng)計能量分析模型

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)

2 降噪效果分析

2.1 與傳統(tǒng)直立式聲屏障降噪效果對比

基于上述數(shù)值模型開展聲屏障降噪效果分析。為了對比新型近軌聲屏障和傳統(tǒng)直立式聲屏障的降噪效果，分別計算了列車以120 km/h 的速度通過未采取降噪措施、在梁側安裝3.17 m 高的直立式聲屏障、在近軌處安裝高于軌面0.94 m 的低矮聲屏障的溫州市域鐵路S1 線高架時的輪軌噪聲輻射。聲屏障板的吸聲系數(shù)由實驗測得。如圖5所示。由于輪軌噪聲主要集中于中高頻段[2]，因而僅計算了250 Hz～5 000 Hz的輪軌噪聲輻射。

圖5 聲屏障吸聲系數(shù)

不同降噪措施對應典型場點的A聲級頻譜如圖6所示。從圖6可以看出：兩種形式的聲屏障對輪軌噪聲的降噪效果均很明顯；在梁側安裝3.17 m 高的直立式聲屏障和在近軌處安裝高于軌面0.94 m的低矮聲屏障對輪軌噪聲的降噪效果相當。

圖6 不同降噪措施下典型場點的A聲級頻譜

不同降噪措施對應梁側輪軌噪聲云圖如圖7所示。從圖7 可以看出：兩種形式的聲屏障對輪軌噪聲的降噪效果均很明顯，無降噪措施時，梁側30 m處噪聲為80 dB(A)～82 dB(A)，而在梁側安裝3.17 m高直立式聲屏障和在近軌處安裝高于軌面0.94 m聲屏障均能使梁側30 m 處噪聲降至72 dB(A)～74 dB(A)，降噪效果約為8 dB(A)。

圖7 不同降噪措施下梁側輪軌噪聲云圖

為了進一步對比在梁側安裝3.17 m高直立式聲屏障和在近軌處安裝高于軌面0.94 m聲屏障的降噪效果，圖8 給出了兩種形式的聲屏障工況下梁側輪軌噪聲差值云圖。從圖8 可以看出：在近軌處安裝高于軌面0.94 m聲屏障的降噪效果在梁側大部分區(qū)域均略優(yōu)于在梁側安裝3.17 m 高直立式聲屏障，僅在梁下部分區(qū)域略差。

圖8 安裝直立式聲屏障和近軌聲屏障噪聲差值云圖

為了定量分析兩種形式的聲屏障對輪軌噪聲的降噪效果，表2 給出了不同降噪措施對應典型場點的A 計權總聲壓級，并計算了不同降噪措施的降噪效果。從表2 可以看出：在梁側安裝3.17 m 高的直立式聲屏障和在近軌處安裝高于軌面0.94 m的低矮聲屏障，對距外軌中心線7.5 m、軌面以上1.2 m處的降噪量分別為9.67 dB(A)和10.1 dB(A)，對距外軌中心線25 m、軌面以上3.5 m 處的降噪量分別為6.72 dB(A)和7.57 dB(A)，即新型近軌聲屏障的降噪效果優(yōu)于傳統(tǒng)直立式聲屏障，同時考慮到近軌聲屏障高度遠小于傳統(tǒng)直立式聲屏障，因此，新型近軌聲屏障的降噪效果和經(jīng)濟性均優(yōu)于傳統(tǒng)直立式聲屏障。

表2 不同降噪措施對典型場點的降噪效果

2.2 近軌聲屏障高度影響

為了對比不同高度近軌聲屏障的降噪效果，分別計算了列車以120 km/h的速度通過安裝高于軌面0.8 m、0.9 m、1.0 m 近軌聲屏障的溫州市域鐵路S1線高架時輪軌噪聲輻射，并與無措施及原設計（高于軌面0.94 m近軌聲屏障）工況進行了比較。

不同近軌聲屏障高度對應典型場點的A聲級頻譜如圖9所示。從圖9可以看出：不同高度的近軌聲屏障對輪軌噪聲的降噪效果均很明顯；隨著近軌聲屏障高度的增大，近軌聲屏障的降噪效果逐漸提升，但總的來說變化不大。

圖9 不同近軌聲屏障高度下典型場點的A聲級頻譜

為了定量分析近軌聲屏障高度對其降噪效果的影響，表3給出了不同聲屏障高度對應典型場點的A計權總聲壓級，并計算了不同高度聲屏障的降噪量。從表3可以看出：隨著近軌聲屏障高度的增大，近軌聲屏障的降噪效果逐漸提升，近軌聲屏障高度從0.8 m增至0.9 m和從0.9 m增至1.0 m，對距外軌中心線7.5 m、軌面以上1.2 m 處的降噪量分別提高了1.34 dB(A)和0.79 dB(A)，對距外軌中心線25 m、軌面以上3.5 m 處的降噪量分別提高了0.79 dB(A)和0.39 dB(A)，即隨著近軌聲屏障高度的逐漸增大，近軌聲屏障降噪效果的提升幅度逐漸減小。

表3 不同高度近軌聲屏障對典型場點的降噪效果

3 結語

本文以溫州市域鐵路S1 線高架近軌聲屏障作為研究對象，通過數(shù)值仿真開展了近軌聲屏障降噪效果評估，并分析了近軌聲屏障高度對其降噪效果的影響，主要結論如下：

（1）在梁側安裝3.17 m高的直立式聲屏障和在近軌處安裝高于軌面0.94 m的低矮聲屏障的降噪效果均很明顯，約為8 dB(A)，但近軌聲屏障降噪效果略優(yōu)。

（2）隨著近軌聲屏障高度的逐漸增大，近軌聲屏障的降噪效果逐漸提升，但近軌聲屏障降噪效果的提升幅度逐漸放緩。

本文基于數(shù)值模型對近軌聲屏障的降噪效果進行了預測分析，其實際降噪效果有待進一步試驗驗證。