一种桥梁减振降噪快速化预测评估方法

1.本发明涉及桥梁工程领域，尤其涉及一种桥梁减振降噪快速化预测评估方法。


背景技术：

2.随着城市的发展和交通流量的不断提高，桥梁的数量和总长度与日俱增。当车辆经过桥梁时，会引起桥梁的结构振动，进而通过土体传播到附近的建筑物，并产生辐射噪声。桥梁结构引起的振动噪声问题越发显著，对附近的建筑结构、居民生活等都造成了较大的影响，尤其是在市区等人口密度较大的区域，振动噪声的影响更为明显。同时，由于桥梁结构自身的振动噪声，使得总体噪声水平往往大于直接在地面上行驶的车辆产生的辐射噪声。近年来，关于振动噪声的投诉也越来越多，成为了社会的亟待解决的问题之一。
3.由于桥梁结构振动噪声是一个多学科交叉问题，涉及到车辆动力学、桥梁动力学、声学等领域，需要通过多个专业软件进行联合仿真分析，而时域的车辆-桥梁耦合动力方程求解、声辐射模型求解都较为费时，需要专门从事相关研究的人员进行计算分析，其技术门槛较高，不便于推广应用。在桥梁设计阶段或者减振降噪方案初步设计时，采用复杂的振动噪声预测方法不便于参数分析，计算效率较低，也不便于工程设计人员进行比选分析。因此，亟需一种桥梁振动噪声的快速化预测分析方法，为结构减振降噪设计提供理论支撑。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明提出一种桥梁减振降噪快速化预测评估方法，以高效、快速获得桥梁结构的振动和噪声分布特性，明确不同减振降噪措施的降噪效果。
5.技术方案：为实现上述目的，本发明提出了一种桥梁减振降噪快速化预测评估方法，该方法具体包括如下步骤：
6.(1)采用有限元软件建立三维桥梁模型，桥梁模型采用三维实体或者板壳单元模拟，桥面铺装和护栏采用质量单元模拟，支座采用弹簧单元模拟，在车道位置根据结构分析频率范围施加单位简谐振动荷载，获得桥面的动柔度矩阵；
7.(2)建立三维多刚体车辆模型，采用达朗贝尔原理建立车体动力学方程，并求解获得车轮的动柔度矩阵；
8.(3)结合桥面动柔度矩阵和车轮动柔度矩阵，通过车轮-桥面耦合接触关系建立车辆子系统和桥梁子系统的耦合动力方程，并考虑粗糙度的影响，在频域内求解获得车轮-桥面相互作用力，车轮-桥面耦合接触关系采用弹簧单元模拟，将车轮分为主动轮和被动轮，被动轮与桥面之间采用弹簧单元连接，采用移动粗糙度激励模型来计算主动轮的耦合振动响应；
9.(4)将步骤(3)中的车轮-桥面相互作用力施加于桥梁模型中作为简谐振动荷载，不同位置的车轮-桥面相互作用力作为非相干激励荷载，将桥梁结构外表面的振动响应投影到结构外表面法线方向，计算桥梁有限元模型中每个单元的有效均方速度，然后沿着结构外表面积分得到振动功率；
10.(5)在桥梁预设的位置设置声场点，结合桥梁各个部件的振动功率v，将桥梁不同位置的部件等效为简化声源模型，将桥梁分成多组矩形板件，长度为a，宽度为b，板件质心到声场点的距离为l，当l≤b/π时，将板件等效为平面声源；当b/π《l《a/π时，将板件等效为线声源；当l≥a/π时，将板件等效为点声源；采用理论声辐射公式计算不同部件的辐射声压值，进而叠加获得全桥振动辐射引起的总噪声p；
11.(6)根据步骤(5)中的计算结果v和p分析桥梁结构的振动噪声频谱特性及传播规律，通过参数分析对不同减振降噪措施的效果进行评估；将采用减振降噪措施前后的结构振动功率v进行对比，明确其峰值频率范围和减振效果；将采用减振降噪措施前后的辐射噪声p进行对比，评估不同场点的降噪效果。
12.有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
13.本发明以结构动柔度为切入点，结合三维桥梁有限元模型和多刚体车辆模型计算车辆-桥梁的耦合振动响应，并将桥梁结构分为多组矩形板件，将不同位置的部件等效为简化声源模型，进而通过理论声辐射公式快速预测车致桥梁结构振动引起的噪声水平。与三维车-桥耦合时域模型、三维声学边界元/有限元模型等精细化方法相比，大大提高了计算速度和效率，降低了对学科交叉深度、专业软件技能以及计算人员专业能力的要求；规范中仅通过考虑源强点声压和衰减公式的简化方法相比，能较为准确的考虑桥梁结构不同部件的振动功率及其对总噪声的贡献，为快速进行结构噪声预测提供了理论基础。本发明适用范围广，为桥梁结构的减振降噪评估提供了技术支撑。
附图说明
14.图1为桥梁减振降噪快速化预测评估方法流程；
15.图2为某轨道交通u梁有限元模型图；
16.图3为轮轨作用力频谱图；
17.图4为桥梁结构辐射噪声三分之一倍频程频谱图；
18.图5为采用高弹性扣件后的减振降噪措施效果对比；
19.图6为采用梯形轨枕后的桥梁结构噪声降低值等高线图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
21.在本实施例中，桥梁减振降噪快速化预测评估方法的具体流程图如图1所示。
22.首先，建立三维桥梁有限元模型，通过简谐激励振动分析获得桥梁的动柔度矩阵；其次，建立多刚体车辆模型，并通过车辆动力方程求解获得车轮的动柔度矩阵；然后通过频域的振动耦合方程求解获得车轮-桥面相互作用力，并将作用力施加于桥梁结构进行谐振响应分析；然后计算桥梁各个部件的振动功率，并将其等效为理论声源模型，预测桥梁振动辐射噪声；最后，对比采用减振降噪措施前后的振动功率和声场分布，评估减振降噪效果。
23.下面以某跨径25m的轨道交通混凝土u梁为例，给出本发明方法进行桥梁减振降噪快速化预测评估的具体过程。
24.(1)桥梁模型及动柔度计算
25.采用三维实体单元建立u梁结构，混凝土密度取2700kg/m3，弹性模量取34.5gpa，
泊松比为0.2，单元尺寸为0.2m，支座用弹簧单元进行模拟，桥面铺装和护栏等采用质量单元进行模拟，桥梁有限元模型网格划分如图2所示。钢轨和采用空间梁单元模拟，采用弹簧阻尼单元来模拟钢轨和桥面之间的连接，其间距为扣件之间的距离0.6m。为了避免桥梁进、出桥时动力响应的猛然增大和降低，在桥梁左右两侧一跨范围内建立钢轨与地面直接连接。沿着桥梁行车路线施加单位简谐荷载，计算频率范围取20～1000hz，间距为2hz，计算获得桥梁结构动柔度矩阵。
26.(2)车辆建模及动柔度计算
27.建立三维多刚体车辆模型，分为车体、转向架、轮对等，一系悬挂和二系悬挂采用弹簧阻尼单元模拟，车辆长度为19m，转向架间距为12.5m，轮对间距为2m，采用达朗贝尔原理建立车体动力学方程，然后计算获得车轮的动柔度矩阵。
28.(3)车-桥耦合振动求解
29.通过车轮-桥面耦合接触关系建立车辆子系统和桥梁子系统的耦合动力方程，并考虑粗糙度的影响，粗糙度根据iso3095:2005规范中限值功率谱生成，在频域内求解获得车轮-桥面相互作用力。车轮与桥梁之间用hertz-mindlin接触弹簧模型，将车轮分为主动轮和被动轮，被动轮与桥面之间采用弹簧连接，仅仅考虑其质量效应。假定车轮和轨道保持相对静止，轮轨粗糙度以一定速度移动，进而采用移动粗糙激励模型来计算主动轮的耦合振动响应，见图3。
30.(4)桥梁振动功率求解
31.将计算获得的主动轮-钢轨相互作用力施加于钢轨上作为简谐振动荷载，计算单个主动轮作用下的桥梁结构振动，将u梁分为多个部件计算轮轨作用力下的桥梁结构振动功率，包括上翼缘两顶板、左右两腹板和底板。在计算各个部件的功率时需要把频域的振动响应投影到法线方向，并考虑实部和虚部的影响，然后计算每个单元的有效均方速度，并沿着结构外表面积分得到各个部件的振动功率。接下来，按照车辆长度和桥梁长度进行布载，尽量让更多的车轮位于桥面上，然后将不同位置的车轮逐一作为主动轮，其他作为从动轮，来计算不同车轮作用下的桥梁结构振动，不同主动轮位置处的轮轨相互作用力作为非相干激励荷载。最终，将所有轮对工况作用下的振动功率叠加得到桥梁总响应。
32.(5)桥梁振动声辐射分析预测
33.在桥梁跨中垂直于行车方向的平面内设置面声场点，原点设置在桥梁中心线位置，最远场点距离桥梁行车中心线30m。将桥梁按照顶板、腹板、底板分组，按照不同位置分成多组矩形板件，从而等效为简化声源模型。每一组板件的长度为a，宽度为b，板件质心到声场点的距离为l，当l≤b/π时，将板件等效为平面声源；当b/π《l《a/π时，将板件等效为线声源；当l≥a/π时，将板件等效为点声源；然后采用点声源、线声源、平面声源理论声辐射公式来计算不同分组部件产生的辐射噪声，将各组产生的辐射噪声进行叠加获得桥梁结构的总噪声，并通过三分之一倍频程来分析其声压频谱，采用a声压级计权形式，见图4。
34.(6)减振降噪措施效果评估
35.根据步骤(5)中的预测结果确定桥梁结构的振动噪声频率峰值范围，根据不同部件桥梁结构噪声对总声压级的贡献大小以及卓越频率范围来选择合适的减振降噪措施。在本实施例中，分别采用高弹性扣件和梯形轨枕两种来分析其对桥梁结构的振动噪声频谱特性及传播规律的影响。扣件初始刚度为60mn/m，通过参数分析改变扣件刚度值(60、40、20、
10mn/m)来对减振降噪措施的效果进行评估，对比不同刚度扣件的影响，见图5。采用梯形轨枕来降低传入桥梁结构的振动功率，进而降低辐射噪声水平，图6为噪声水平降低值的等高线图，可以从图中看到降噪效果的有效分布范围。
36.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。