板厚和加肋对槽型梁结构噪声的影响

    引　言

    目前城市轨道交通高架结构中轻巧的薄壁槽型梁的应用已很普遍,但对这种结构声辐射的研究很少。改变其腹板和底板的弯曲刚度能否减小列车通过时的结构噪声有待研究。

    Wu研究了增加板厚和加肋对板辐射噪声的影响[1]。Luo用拓扑方法对密闭结构的内部声场进行优化,通过肋的设置与优化来降低内部噪声[2]。谢伟平等分析了空气中简支钢筋混凝土圆柱壳无肋及加肋时的声辐射特性,表明仅改变刚度的光滑圆柱壳不能有效降低系统的辐射声压级,采取合理的加肋措施可降低结构的辐射声压级[3]。此外,文献[4～6]研究了加肋对水中圆柱壳声辐射的影响。

    以上研究针对规则的圆柱壳和平板结构,对于外形较为复杂的实际桥梁结构,板厚和加肋对结构噪声影响还不得而知。本文借助研究室自编软件进行结构振动分析,并结合Sysnoise声学软件对槽型梁进行声压贡献量分析,确定不同构件/面板对场点总声压的影响;然后增加板厚或加肋改变构件/面板的局部刚度,考查对声辐射的影响,为桥梁结构声辐射研究提供参考。

    1　结构振动与声场分析

    1.1　车辆-轨道-桥梁结构相互作用分析

　　采用有限元方法分别建立车辆子系统和桥梁/轨道子系统运动微分方程,并将各子系统的非线性内力及轮轨非线性接触力从方程左端移至右端,处理成虚拟激励力,用模态叠加法分别对2个子系统解耦。

    解耦的车辆子系统和桥梁/轨道子系统运动微分方程分别为[7]:

qbv+ 2NvXvqav+X2vqv=5vTfv(1)

qbb+ 2NbXbqab+X2bqb=5bTfb(2)

    式中　qv,Nv分别表示车辆的模态坐标向量和模态阻尼矩阵;Xv和X2v分别表示由车辆模态频率组成的对角矩阵;5v表示车辆的振型矩阵;fv表示作用在车辆上的所有力向量;下标b表示桥梁/轨道子系统,各符号名称类似车辆子系统。

    两个子系统之间通过轮轨滚动接触理论来联系。第j个车轮的轮轨法向力由赫兹非线性弹性接触理论确定

    式中　Gj为赫兹接触常数,$wrj为轮轨法向压缩量,直接由轨道不平顺、车轮位移、轨道位移决定,也间接反映了列车车速对轮轨激振力大小及频率的影响。

    1.2　声场求解

    声压小幅波动时,满足Helmholtz方程和Sommerfeld辐射条件的波动方程是线性的,用直接边界元法可以在频域内建立结构表面法向振速v(X)与场点声压p(X)的线性关系[9]。通过模态叠加法可以得到结构的模态坐标向量与表面法向振速v(X)的关系,进而获得场点声压p(X)与结构的模态坐标向量的关系,如下式[8]