CN111159938B - 一种公路过江隧道水下振动噪声预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种公路过江隧道水下振动噪声预测方法,具体如下：首先，根据交通流量统计获得不同工况的车流分布，建立各个车道的随机车辆模型；然后，建立精细的三维隧道结构‑土体有限元模型，并模拟土层的无限域边界条件；其次，基于车辆‑隧道‑土体耦合振动模型并考虑初始水压力的影响进行车致隧道‑土体动力响应分析；接下来，建立水‑土体流固耦合声学有限元模型，将车致土体振动响应结果通过傅里叶变换转到频域并映射到流体和土体耦合面，作为声学模型的振源；最后通过声学有限元‑完全匹配层方法求解隧道振动引起的水下噪声。本发明方法能够用于公路过江隧道水下振动噪声的准确预测，为濒危水下生物的噪声影响评估提供理论依据。

Description

一种公路过江隧道水下振动噪声预测方法
技术领域
本发明涉及一种公路过江隧道水下振动噪声预测技术,属于交通技术领域。
背景技术
随着城市的发展和交通运输需求的增长，越来越多的过江隧道正在修建和规划中。在速调运营期间，行驶的车辆会引起隧道结构振动，结构振动经过土体的传播会产生较大的水下辐射噪声。涉水工程所产生的水下噪声对水下生物尤其是濒危物种造成极大的伤害。以长江江豚为例，其被世界自然保护联盟列为“极危级”，导致其数量急剧下降的原因之一便是涉水工程等造成的振动噪声污染。此外，很多过江隧道穿过濒危物种自然保护区，如深中通道（中海白海豚自然保护区）、建宁西路过江通道（长江江豚自然保护区）等，这使得过江隧道的水下振动噪声问题变得更为显著。
过江隧道的水下振动噪声对濒危物种的影响引起了相关部门和专家学者的高度重视，但是由于涉及到复杂的结构-水-土流固耦合振动分析和声固耦合分析，国内外鲜有关于隧道水下振动噪声研究的报道，由于水下噪声测试容易受到船舶等其它声源的干扰，而简化的理论公式无法准确模拟随机车流引起的振动噪声，隧道引起的水下振动噪声特性、辐射机理和影响范围并不明确，亟需发展一种高效的过江隧道水下振动噪声预测方法来揭示其声辐射机理，结合濒危物种的听力阈值分析水下噪声对其生态环境的影响，为改善濒危物种的生态环境提供有力的技术支撑。
发明内容
技术问题：提出一种预测公路过江隧道水下振动噪声的数值模型，以快速、准确评估随机车流通过时引起的隧道-土体振动辐射噪声，获得隧道上方水域的噪声分布特性及衰减规律。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种公路过江隧道水下振动噪声预测方法，包括以下步骤：
（1）根据交通流量统计获得通过公路过江隧道的车流分布情况，根据每个车道的车流量、车速、车辆密度、各车道的车流量比和各车道车速度比建立各个车道的随机车辆模型，并生成自由流、密集流和拥挤流三种随机车流工况；
（2）建立精细的三维隧道结构-土体有限元模型，根据各土层地质勘测资料计算土层的动弹性模量，根据土层剪切波速和分析频率设置土体模型范围，并模拟土层的无限域边界条件；
（3）在三维隧道结构-土体有限元模型上施加静水压力荷载，计算获得初始静应力场并将之作为模型的边界条件，生成路面粗糙度样本，采用数值方法在时域范围求解随机车流工况下的车辆-隧道-土体耦合振动响应；
（4）建立精细的水-土体流固耦合声学有限元模型，将时域的车致土体振动响应通过傅里叶变换转到频域，并将频域的振动响应映射到流体和土体耦合面，作为声学模型的振源边界条件；
（5）在流体模型外层采用完全匹配层来模拟声学无限边界，设置关注的声场点位置，基于声学有限元-完全匹配层方法并结合步骤（4）中的振源边界条件求解隧道振动引起的水下噪声频谱。
作为本发明的优选，所述步骤（1）中，根据设计车速来设定自由流、密集流和拥挤流的最大车速，车速与车流密度之间采用指数函数来模拟，车间距采用对数函数来模拟，各工况的随机车流模型通过车型分布矩阵和随机分布函数生成。
作为本发明的优选，所述步骤（2）中，隧道结构和土体采用三维实体单元模拟，根据土层的剪切波速、密度和泊松比计算获得动弹性模量，土体模型的范围需要满足振源距模型边界的最小尺寸大于介质最大半波长的要求。
作为本发明的优选，所述步骤（2）中，结构有限元模型的尺寸需满足土层中最小波长至少含有六个单元的要求以避免截断频率误差，在土体模型截断位置设置人工边界条件来模拟无限域以消除波的反射现象。
作为本发明的优选，所述步骤（3）中，车辆采用多刚体模型模拟，路面粗糙度的空间随机样本根据粗糙度功率谱密度函数采用三角级数法生成，采用分离迭代法求解耦合振动响应。
作为本发明的优选，所述步骤（4）中，声学模型需满足最小声波波长内至少含有六个单元的要求，流体和土体耦合面处的声学网格与结构网格保持一致。
作为本发明的优选，所述步骤（5）中，在声学有限元模型外建立完全匹配层边界，其厚度范围至少包含三层单元，声学模型计算频率范围与振动模型一致。
有益效果：
本发明以三维车辆-隧道-土体耦合振动分析方法为基础，结合随机车流分布模型对隧道结构振动引起的土体动力响应进行计算，然后结合流固耦合声学有限元模型和完全匹配层技术预测土体振动引起的水下噪声，属于一种精细化数值预测方法。与传统的水下噪声测试方法相比，节约了现场测试的人力成本和时间成本，规避了船舶等其它声源对隧道振动噪声大小的干扰，可以准确评估由于隧道振动引起的水下噪声水平，同时可以用于待建隧道的水下振动噪声预测分析。与简化的理论公式相比，大大提高了预测的精度，能准确考虑车流量、路面粗糙度、不同土层性质等复杂参数对振动噪声的影响。本发明提出了一种准确、快速预测隧道振动水下噪声的方法，为减振降噪措施降噪效果的定量分析和濒危物种的生态环境保护提供了有力的技术支撑。
附图说明
图1为公路过江隧道水下振动噪声预测方法流程。
图2为自由流车辆分布示意图。
图3为公路过江隧道三维有限元模型图。
图4为拥挤流工况下水土交界位置土体竖向加速度时程曲线。
图5为拥挤流工况下P7场点的水下噪声频谱图。
图6为拥挤流工况下水下噪声随着距离的衰减规律图。
具体实施方式
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。
在本实施例中，公路过江隧道水下振动噪声预测方法的具体流程图如图1所示。
首先，根据交通流量统计获得通过公路过江隧道的车流分布情况，根据每个车道的车流量、车速、车辆密度、各车道的车流量比和各车道车速度比建立车型分布矩阵，并结合随机分布函数生成各个车道的随机车辆模型；其次，根据地质勘查资料计算获得土层动力参数，并采用三维实体单元建立精细的三维隧道结构-土体有限元模型，设置人工边界；接下来，在隧道-土体有限元模型上施加静水压力荷载，在初始静应力场的基础上采用数值方法求解随机车流工况下的车辆-隧道-土体耦合振动响应；然后，建立精细的水-土体流固耦合声学有限元模型，将车致土体振动响应映射到流体和土体耦合面，作为声学模型的振源边界条件；最后，在流体模型外层设置完全匹配层和声场点位置，求解隧道振动引起的水下噪声频谱。
下面以某三车道公路过江隧道结构为例，给出本发明方法预测公路过江隧道水下振动噪声的具体过程。
（1）随机流车辆模型
根据交通流量统计获得通过公路过江隧道的车流分布情况，其日通车量为40000辆，自由流、密集流和拥挤流的最大车速分别为80km/h、60 km/h和40 km/h，选取以下四种典型的车型：车型一为五轴大货车（车重70吨），车型二为二轴货车（车重27吨），车型三为中等客车（车重6吨），车型四为小汽车（车重2吨），三个车道的车速比为1:1.1:1.2，根据每个工况的车流量、车速、车辆密度、各车道的车流量比等参数建立各个车道的随机车辆模型，并基于随机分布函数生成自由流、密集流和拥挤流三种随机车流工况，图2为自由流车辆分布示意图。
（2）三维隧道-土体有限元模型
采用三维实体单元建立精细的三维隧道结构-土体有限元模型，土层从上到下共8层，并根据土层的剪切波速、密度和泊松比计算获得动弹性模量；结构有限元模型的尺寸取0.6m，最大分析频率取40Hz，满足土层中最小波长至少含有六个单元的要求。最上层覆土剪切波速为150m/s,最小分析频率取3Hz，土体模型横向取60m，纵向取30m，满足振源距模型边界的最小尺寸大于介质最大半波长的要求。在土体模型截断位置向外延伸一层单元，并修正其等效剪切模量和弹性模量，设置三维一致粘弹性人工边界来进行模拟以消除波的反射现象，图3为公路过江隧道三维有限元模型图。
（3）车辆-隧道-土体耦合振动分析
在隧道-土体有限元模型上施加静水压力荷载，计算获得初始静应力场并将之作为模型的边界条件；路面粗糙度的空间随机样本根据ISO8608:1995中的粗糙度功率谱密度函数采用三角级数法生成。车辆采用多刚体模型模拟，汽车的悬挂***用弹簧-阻尼***模拟，车体通过弹簧-阻尼***与车轮相连接，轮胎采用弹簧-阻尼模拟，并与桥面接触；每个车体考虑点头、侧滚、沉浮等3个自由度，每个车轮考虑竖向位移1个自由度，二轴汽车、客车和货车均有7个自由度，五轴货车有17个自由度；导出隧道-土体模型的质量和刚度矩阵，采用分离迭代法和Rugge-kutta法在时域范围求解随机车流工况下的车辆-隧道-土体耦合振动响应。图4为土体模型上表面水土交界处竖向加速度时程曲线。
（4）声学模型建立
建立精细的水-土体流固耦合声学有限元模型，声学模型尺寸取0.8m，满足40Hz分析频率对应的声波波长内至少含有六个单元的要求，流体和土体耦合面处的声学网格与结构网格保持一致。由于水下辐射噪声的振源位于土体模型上表面水土交界处，为了提高计算效率，仅取最上层土体模型进行进一步的声学计算以降低声学有限元模型的规模。将时域的车致土体振动响应通过傅里叶变换转到频域，并将频域的振动响应映射到流体和土体耦合面，作为声学模型的振源边界条件。
（5）水下噪声预测分析
在流体模型外层采用完全匹配层来模拟声学无限边界，其厚度范围应该至少包含三层单元，设置关注的声场点位置，在跨中位置沿着土体外法线方向，竖向设置7个声场点，离土体表面的高度分别为0.1m、1m、2m、3m、5m、10m和15m，并编号为P1~P7，声学模型计算频率范围与振动模型一致，最终基于声学有限元-完全匹配层方法并结合步骤（4）中的振源边界条件求解隧道振动引起的水下噪声频谱。
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。

Claims (7)

1.一种公路过江隧道水下振动噪声预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据交通流量统计获得通过公路过江隧道的车流分布情况，根据每个车道的车流量、车速、车辆密度、各车道的车流量比和各车道车速度比建立各个车道的随机车辆模型，并生成自由流、密集流和拥挤流三种随机车流工况；
（2）建立三维隧道结构-土体有限元模型，根据各土层地质勘测资料计算土层的动弹性模量，根据土层剪切波速和分析频率设置土体模型范围，并模拟土层的无限域边界条件；
（3）在三维隧道结构-土体有限元模型上施加静水压力荷载，计算获得初始静应力场并将之作为模型的边界条件，生成路面粗糙度样本，采用数值方法在时域范围求解随机车流工况下的车辆-隧道-土体耦合振动响应；
（4）建立水-土体流固耦合声学有限元模型，将时域的车致土体振动响应通过傅里叶变换转到频域，并将频域的振动响应映射到流体和土体耦合面，作为声学模型的振源边界条件；
（5）在流体模型外层采用完全匹配层来模拟声学无限边界，设置关注的声场点位置，基于声学有限元-完全匹配层方法并结合步骤（4）中的振源边界条件求解隧道振动引起的水下噪声频谱。
2.如权利要求1所述的公路过江隧道水下振动噪声预测方法，其特征是：所述步骤（1）中，根据设计车速来设定自由流、密集流和拥挤流的最大车速，车速与车流密度之间采用指数函数来模拟，车间距采用对数函数来模拟，各工况的随机车流模型通过车型分布矩阵和随机分布函数生成。
3.如权利要求1所述的公路过江隧道水下振动噪声预测方法，其特征是：所述步骤（2）中，隧道结构和土体采用三维实体单元模拟，根据土层的剪切波速、密度和泊松比计算获得动弹性模量，土体模型的范围需要满足振源距模型边界的最小尺寸大于介质最大半波长的要求。
4.如权利要求1所述的公路过江隧道水下振动噪声预测方法，其特征是：所述步骤（2）中，结构有限元模型的尺寸需满足土层中最小波长至少含有六个单元的要求以避免截断频率误差，在土体模型截断位置设置人工边界条件来模拟无限域以消除波的反射现象。
5.如权利要求1所述的公路过江隧道水下振动噪声预测方法，其特征是：所述步骤（3）中，车辆采用多刚体模型模拟，路面粗糙度的空间随机样本根据粗糙度功率谱密度函数采用三角级数法生成，采用分离迭代法求解耦合振动响应。
6.如权利要求1所述的公路过江隧道水下振动噪声预测方法，其特征是：所述步骤（4）中，声学模型需满足最小声波波长内至少含有六个单元的要求，流体和土体耦合面处的声学网格与结构网格保持一致。
7.如权利要求1所述的公路过江隧道水下振动噪声预测方法，其特征是：所述步骤（5）中，在声学有限元模型外建立完全匹配层边界，其厚度范围至少包含三层单元，声学模型计算频率范围与振动模型一致。
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