鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)頂升前后減振效果分析

張建鵬

(蘇州軌道交通有限公司，江蘇蘇州 215000)

1 概述

隨著地鐵建設(shè)的大力發(fā)展，一些負(fù)面影響也相繼產(chǎn)生。其中，由地鐵列車(chē)運(yùn)行引發(fā)的建筑環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題尤為顯著。地鐵隧道一般埋深都相對(duì)較淺，列車(chē)運(yùn)行時(shí)將使軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，該振動(dòng)將通過(guò)軌道傳遞給隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)以外的巖土介質(zhì)傳播到建筑基礎(chǔ)，激發(fā)建筑物振動(dòng)，使建筑物內(nèi)的居民處于一種環(huán)境振動(dòng)中，建筑環(huán)境振動(dòng)的主要頻率在0 Hz～200 Hz之間。

因此，減小軌道交通的振動(dòng)和降低振動(dòng)水平，尤其是減小環(huán)境振動(dòng)敏感區(qū)(醫(yī)院、學(xué)校、實(shí)驗(yàn)室、音樂(lè)廳和精密儀器工業(yè)區(qū))的環(huán)境振動(dòng)，是保證及提高沿線(xiàn)居民的生活、工作和學(xué)習(xí)質(zhì)量的必要手段，也是保證軌道交通可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵措施之一。

本文對(duì)某城市地鐵線(xiàn)路鋼彈簧浮置板軌道在列車(chē)荷載作用下的動(dòng)力特性和減振效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 浮置板軌道的應(yīng)用現(xiàn)狀

浮置板軌道結(jié)構(gòu)自1965年在德國(guó)首次使用以來(lái)，已經(jīng)在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)得到了應(yīng)用并取得了良好的效果。德國(guó)GERB公司將該技術(shù)帶入中國(guó)之后，北京、上海、廣州、深圳、南京、成都等地先后都在振動(dòng)和噪聲敏感地段鋪設(shè)了鋼彈簧浮置板并安全運(yùn)營(yíng)，蘇州、杭州、西安、武漢、哈爾濱、天津、重慶等在建線(xiàn)路也都在振動(dòng)和噪聲敏感地段鋪設(shè)有鋼彈簧浮置板。

目前我國(guó)針對(duì)鋼彈簧浮置板軌道的減振效果和減振特性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究還微乎其微，為了掌握鋼彈簧浮置板軌道的減振特性及規(guī)律，本文在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)分析的手段將鋼彈簧浮置板頂升前后的減振效果進(jìn)行了對(duì)比，為城市軌道交通減振降噪、浮置板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的工作提供技術(shù)參考。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)概況

某城市地鐵線(xiàn)路采用地下線(xiàn)單圓盾構(gòu)敷設(shè)，線(xiàn)路埋深12 m，在XDK29+080～XDK29+250地段從正下方穿越某醫(yī)院，考慮到該醫(yī)院為振動(dòng)敏感點(diǎn)，因此該地段軌道結(jié)構(gòu)采用德國(guó)隔而固公司設(shè)計(jì)并制造的鋼彈簧浮置板，為中檔固體阻尼隔振器，垂向剛度為7.5 kN/mm，浮置板厚度為325 mm，浮置板固有頻率為11 Hz。

3.1 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器主要有891壓電加速度傳感器，DH5920振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、NI數(shù)據(jù)信號(hào)采集板、筆記本電腦和電荷放大器等等。

3.2 測(cè)試情況

3.2.1 測(cè)試方案

由于該地鐵線(xiàn)在測(cè)試時(shí)尚處于施工階段，外部荷載僅有施工運(yùn)料列車(chē)荷載，但此次測(cè)試重點(diǎn)在于分析和評(píng)估鋼彈簧浮置板軌道的減振效果和特性，因此以施工運(yùn)料列車(chē)荷載作為激振源可滿(mǎn)足分析要求。

測(cè)試時(shí)分別在道床、隧道壁和地面建筑樓面布置傳感器，拾取在鋼彈簧頂升前后條件下，列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)，然后根據(jù)所拾取的信號(hào)對(duì)比分析鋼彈簧浮置板的減振效果和特性，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)共分兩次進(jìn)行，第一次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間為2009年6月29號(hào)，測(cè)試鋼彈簧頂升前各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng);第二次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間為2009年9月16號(hào)，測(cè)試鋼彈簧頂升后各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)。

3.2.2 測(cè)試內(nèi)容

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，主要工作是比較鋼彈簧未頂升時(shí)與鋼彈簧頂升后對(duì)道床、隧道壁及地面建筑的減振效果。因此，主要測(cè)試工作是進(jìn)行振動(dòng)衰減效果和規(guī)律的測(cè)試，主要測(cè)試內(nèi)容為：

1)列車(chē)荷載作用下道床表面的垂向振動(dòng)加速度;

2)列車(chē)荷載作用下隧道壁的橫向、垂向振動(dòng)速度、加速度;

3)地表建筑物內(nèi)部樓板面的橫向、垂向振動(dòng)速度、加速度。

3.2.3 測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)隧道及地面建筑物進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置。

1)隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置。選取鋼彈簧浮置板中線(xiàn)為測(cè)試斷面，在浮置板以上1.5 m處的隧道壁上布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，拾取列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)隧道壁上的橫向、垂向振動(dòng)速度、加速度信號(hào);其測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

2)地面建筑室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置。在某醫(yī)院室內(nèi)地面布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，安裝4個(gè)傳感器，拾取列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)樓板的豎向、橫向振動(dòng)速度、加速度。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖1 隧道壁測(cè)點(diǎn)布置

圖2 地面測(cè)點(diǎn)布置

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件的限制，在測(cè)試時(shí)各測(cè)點(diǎn)不同物理量不能實(shí)現(xiàn)完全同步測(cè)量，因此不同物理信號(hào)之間的開(kāi)始時(shí)刻也不相同，且第一測(cè)試時(shí)荷載為空載運(yùn)料車(chē)的機(jī)車(chē)部分，而第二測(cè)試時(shí)候，荷載為空載的運(yùn)料列車(chē)，編組為1機(jī)車(chē)+3節(jié)平運(yùn)料車(chē)。

由表1，表2可以看出，浮置板頂升后，隧道壁和地面建筑的振動(dòng)幅值均大幅減小。

表1 鋼彈簧頂升前后隧道壁振動(dòng)幅值大小對(duì)比分析

表2 鋼彈簧頂升前后地面建筑振動(dòng)幅值大小對(duì)比分析

4.2 三分之一倍頻分析

圖3為鋼彈簧支頂前后地面建筑橫向振動(dòng)速度有效值三分之一倍頻圖，其表明鋼彈簧支頂后軌道板振動(dòng)水平在整個(gè)分析頻率范圍內(nèi)均發(fā)生減小，變化大小分別為0.23 dB，2.04 dB，3.35 dB，0.1 dB，2.85 dB，3.32 dB，3.95 dB，4.71 dB，1.98 dB，7.89 dB，10.38 dB，17.19，9.88 dB，11.02 dB，8.45 dB和16.96 dB。

圖3 地面建筑橫向振動(dòng)速度有效值1/3倍頻圖

4.3 振級(jí)分析

為分析浮置板軌道結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境振動(dòng)水平幅值的影響，對(duì)鋼彈簧頂升前后建筑室內(nèi)垂向振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算振級(jí)，然后進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)方法主要參考GB 10070-88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)和JGJ/T 170-2009城市軌道交通建筑室內(nèi)環(huán)境振動(dòng)及二次輻射噪聲測(cè)量及限值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表3所示。

表3 振級(jí)統(tǒng)計(jì)分析表

由表3可以看出，在沒(méi)有采用浮置板軌道之前，在列車(chē)荷載作用下，隧道壁最大VLz可達(dá)84.47 dB，VLzmax，10為79.39 dB，地面建筑最大VLz可達(dá)75.98，VLzmax，10為70.90 dB，由于該建筑為醫(yī)院，屬于GB 10070-88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的特殊住宅區(qū)(振動(dòng)限值為65 dB)，因此，在沒(méi)有采用減振措施的條件下，列車(chē)引起該建筑的振動(dòng)已經(jīng)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，必須采取減振措施;采用浮置板軌道之后，在列車(chē)荷載作用下，隧道壁最大VLz為67.84 dB，VLzmax，10為62.82 dB，地面建筑最大 VLz為61.84，VLzmax，10為57.80 dB。

由此表明，在該處浮置板軌道的減振效果為14 dB～17 dB，使得該醫(yī)院的振動(dòng)水平滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

1)浮置板軌道對(duì)隧道壁具有良好的減振效果，在幅值上可以減小橫向加速度70%左右，減小垂向加速度80%，減小橫向速度70%左右，減小垂向速度70%左右。

2)浮置板軌道對(duì)地面建筑具有良好的減振效果，在幅值上可以減小橫向加速度70%左右，減小垂向加速度80%，減小橫向速度70%左右，減小垂向速度70%左右。

3)列車(chē)荷載作用下，浮置板軌道對(duì)隧道壁及地面建筑的減振效果良好，Z振級(jí)可達(dá)14 dB～17 dB。

4)在未頂升的狀態(tài)下，軌道車(chē)通過(guò)該地段時(shí)的地面振動(dòng)超標(biāo)，而頂升后地面振動(dòng)達(dá)標(biāo)，對(duì)于今后的線(xiàn)路選線(xiàn)設(shè)計(jì)及軌道結(jié)構(gòu)形式的確定均具有指導(dǎo)意義，同時(shí)對(duì)于地鐵施工階段的擾民問(wèn)題，也提供了新的解決方案。

［1］ G.P.Wilson，H.J.Saurenman and J.T.Nelson.CONTROL OF GROUND-BORNE NOISE AND VIBRATION.Journal of sound and vibration，1983，87(2)：20-22.

［2］ 唐一科.振動(dòng)分析及其應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1993.

［3］ 王朝陽(yáng)，尹學(xué)軍，張寶才，等.鋼彈簧浮置板隔振道床在北京城鐵敏感路段的應(yīng)用［J］.鐵道建筑(城鐵專(zhuān)刊)，2003(1)：72-73.