基于模型试验的车致箱梁振动噪声反演方法研究

Mitigation of the high-speed railway box girder vibration and attenuation of the noise is a challenge that cannot be avoided yet must be solved in the course of the rail transit sustainable development. This research targets the vehicle—track—bridge (box girder) coupling system, using methods such as equation analysis and dimensional analysis to deduce the time domain, the frequency domain and the spatial similitude criterion of the vibration and noise when the “vehicle—track—bridge” combination is under dynamic effect, the results of which are verified in the acoustical laboratory by means of model-based testing. Choosing Beijing-Shanghai high-speed railway box girder structure as the prototype, the research establishes the dynamic model testing system including the vehicle, the railway and the bridge and then, using vibration and noise model-based testing on different working conditions, calculate the function of the combination structure vibration and noise similitude criterion under loading. In this way, it unveils the transport behavior and attenuation law of the vibration and noise. The elevated railway box girder vibration and noise physical model and mathematical model supports and verifies each other. Given that, the research develops the calculation model standard for the elevated railway box girder vibration noise and puts forward the inversion calculation method. The accomplishments of this research can provide accurate and reliable method for forecasting the existing or plan-to-build high speed railway environment vibration and noise. Hence, this project features constructive significance scientifically, socially and economically.

高速铁路桥梁减振降噪是轨道交通可持续发展过程中必须要面临并亟待解决的难题。该课题以车--线--桥（箱梁）耦合系统为研究对象，运用方程分析和因次分析等方法推导“车--线--桥”组合结构在动力作用下的振动噪声时域和频域内的相似准则，并在声学实验室内利用试验的方法验证该结果。再以京沪高铁箱梁结构为原型，根据模型相似理论建立包括车辆、轨道和箱梁结构在内的动模型试验系统，并通过不同工况条件下的振动噪声模型试验，求解动荷载作用下的组合结构振动噪声相似准则之间的函数关系，揭示振动噪声的传递机理及衰减规律。最终，在耦合系统物理模型和数学模型互相配合与彼此验证的基础上，建立高架轨道箱梁结构振动噪声计算基准模型，提出列车过桥全过程的振动噪声反演计算一般方法。课题的研究成果可以为既有和规划建设中的高速铁路环境振动噪声的准确预测提供可靠的方法。该项目具有较大的科学意义和社会经济效益。

高速铁路桥梁减振降噪是轨道交通可持续发展过程中必须要面临并亟待解决的关键问题之一。课题组关注社会热点与工程、科技难题，着力于复杂工况条件下的高速铁路箱梁结构振动噪声问题，提出了该课题的研究。该课题主要研究内容和结果主要包括：.（1）采用方程分析和因次分析等方法，推导了“车--线--桥”组合结构在动荷载作用下的振动相似准则，厘清了组合结构局部参数，包括轨道板弹性模量和密度、CA砂浆抗压刚度、扣件竖向刚度等，对轨道--箱梁结构系统和局部振动的影响，结果表明：在多层结构的振动模型试验设计时，当某一结构层在荷载方向上的几何尺寸远大于其他结构层时，按该结构层材料属性导出的相似关系近似等于原型与模型间的耦合相似关系；探明了结构振动与结构噪声之间的映射关系，以及原型与模型间的噪声相似问题，证明：当原型与模型间几何相似比为m，且荷载等参数相似的情况时，原型与模型相应的近场场点的声压级相等，两者声功率比值为m^2，声功率级差值为20lgm；.（2）以京沪高铁为研究对象，搭建了几何相似比为10：1的“车--线--桥”耦合模型试验系统，实测了模型系统的各参数，推导了模型与原型间的相似比，并利用模态、动力学和声学实验，结合数值计算等方法，验证了理论推导结果，证明了复杂工况条件下模型与原型间的振动、噪声具有相似性，即基于模型试验的复杂工况条件下的振动噪声反演方法可行；.（3）基于“车--线--桥”耦合实验平台，试验研究了不同工况条件下的振动从钢轨到箱梁间的振动传递规律，分析了不同列车轴重、不同列车支座等因素对振动传递的影响，以及不同幅值、不同频率荷载作用下的噪声辐射规律等；探明了阻尼板材、TMD、MTMD、C型弹簧减振系统等减振手段的参数影响及控制效果。.课题研究结果证明基于模型试验的振动噪声反演方法可行，并且该方法对于准确预测高速铁路运行期的高架轨道箱梁结构振动与结构噪声水平，指导高速铁路线路规划，以及减振降噪设计有重要的理论和工程应用价值。