鋼彈簧浮置板浸水對減振效果及振動傳遞的影響

王建立 張 斌 王 建 陳高峰

(隔而固(青島)結構設計事務所有限公司 山東青島 266108)

鋼彈簧浮置板浸水對減振效果及振動傳遞的影響

王建立 張 斌 王 建 陳高峰

(隔而固(青島)結構設計事務所有限公司 山東青島 266108)

根據某地鐵曲線地段現場實測數據，針對鋼彈簧浮置板浸水對其減振效果及振動傳遞的影響進行分析。結果表明：作為特殊減振軌道結構，鋼彈簧浮置板能有效地衰減道床面與隧道壁之間的振動傳遞，正常工作時加速度級最大衰減量(傳遞損失)高達44.3 dB；浸水后在10～200 Hz頻段，隨著浸水量增加，道床面的加速度級逐漸減小，隧道壁的加速度級逐漸增大，道床傳遞至隧道壁的傳遞損失值逐漸減小，單側浸水測試斷面傳遞損失值減小至25～35 dB，兩側浸水測試斷面傳遞損失值則降至10～25 dB；正常浮置板、單側浸水及兩側浸水測試斷面道床面至隧道壁的垂向傳遞函數值基本范圍分別為0～0.01、0.01～0.05和0.04～0.3，依次呈增大趨勢。這說明，作為振動傳導體，水對10～200 Hz頻段的振動傳遞影響顯著。

地鐵；振動控制；浮置板；浸水；測試；加速度級；傳遞損失

1 研究背景

隨著城市軌道交通的迅速發展，擾民問題日趨明顯，北京地鐵西單車站附近的居民，曾經就地鐵造成的振動和結構噪聲問題進行過投訴[1]。鋼彈簧浮置板作為一種有效的減振軌道形式，在高等和特殊減振地段得到了大量的使用，在北京、上海、廣州等城市的軌道交通中均有應用，而且減振效果良好。

由于隧道建設于土體中破壞了地下水流原有的規律，容易產生滲漏現象，因此滲漏水被建筑業界稱為隧道工程的第一大頑疾，在隧道工程界流傳著“十隧九漏”的說法。鋼彈簧浮置板軌道作為特殊減振軌道結構布置于隧道中，在長期大量的使用中，可能會有浸水現象發生。為分析鋼彈簧浮置板浸水對其減振效果的影響，筆者對某地鐵曲線地段鋼彈簧浮置板浸水段進行了實測分析。

筆者根據某地鐵曲線地段鋼彈簧浮置板的振動測試，對浸水段浮置板與正常浮置板的減振效果進行對比分析。

2 鋼彈簧浮置板簡介

圖1 浮置板系統

浮置板隔振系統是由整塊鋼筋混凝土板和支撐它的鋼彈簧隔振器組成，構成質量-彈簧隔振系統，如圖1所示。架設軌道的鋼筋混凝土板與基礎間有30～40 mm的間隙，列車在浮置板軌道上運行時產生的高頻振動透過隔振器的衰減，振動響應明顯減弱，其基本原理就是在軌道和基礎間插入一個一階固有頻率遠低于主要激振頻率的隔振器，借以減少傳入基礎的振動量，這是減小向下部結構傳振和傳聲的最有效方法。

浮置板浸水后，水侵占板下空間，板下間隙的介質由空氣變為水，在其他條件相同的情況下，物體在水中運動遇到的阻力比在空氣中大很多，水會對列車經過時道床的振動產生影響；同時，水作為振動傳導體，傳導振動的能力比空氣強很多，將道床振動傳至基底，會影響浮置板減振效果。

3 測試儀器及測點布置

現場測試采用LMS SCADAS Mobile SCM01采集系統(8通道)，PCB 333B50 ICP高靈敏度加速度傳感器，其指標為：靈敏度105.8 mV/(m/s2)，量程為±5 g，頻率范圍為0.5～3 000 Hz，溫度范圍為-18～66 ℃。測試儀器及傳感器見圖2。

測試地段為曲線，半徑為370 m，隧道形式為盾構，采用60 kg/m鋼軌，DTⅥ2扣件，列車為5節編組(B型車)，3動2拖。測試時布置3個測試斷面：正常浮置板斷面、單側浸水斷面、兩側浸水斷面。測試斷面測點布置見圖3，隧道壁測點距鋼軌頂面垂直距離為1.25 m，板面測點位于線路中心線上。測試段浮置板浸水如圖4所示，直線地段浮置板無橫向傾斜，發生浸水現象一般為整體浸水(與曲線地段兩側浸水現象類似)。

4 實測分析

4.1 時域分析

現場實測時，3個測試斷面分別采集多組列車的過車振動數據，為消除隨機干擾，提取其中10組數據進行分析，圖5～圖7為3個測試斷面典型振動的加速度響應時程曲線，10組樣本加速度峰值的平均值見表1。

圖2 測試儀器與傳感器

圖3 測點布置(測試豎向振動)

圖4 測試段浮置板浸水

圖5 正常浮置板測試斷面振動典型時程

圖6 單側浸水測試斷面振動典型時程

圖7 兩側浸水測試斷面振動典型時程

斷面道床面/m·s-2隧道壁/m·s-2正常浮置板測試斷面4.760.04單側浸水測試斷面4.390.23兩側浸水測試斷面1.480.28

對比各測試斷面振動加速度響應，主要得出以下結論：

1) 由加速度響應時程曲線與地鐵列車長度簡單推導，列車運行速度約60 km/h，3個測試斷面運行速度基本一致。

2) 各測試斷面道床面振動加速度峰值均值分別為4.76 m·s-2(正常浮置板測試斷面)、4.39 m·s-2(單側浸水測試斷面)和1.48 m·s-2(兩側浸水測試斷面)，隨著浸水量的增加，加速度峰值逐漸減小。正常浮置板在過車振動時受到隔振器及兩端剪力鉸的約束，而浸水后，水對浮置板的振動也有一定的約束作用，導致過車時隨著浸水量增加，板面振動減小。

3) 各測試斷面隧道壁振動加速度峰值均值分別為0.04 m·s-2(正常浮置板測試斷面)、0.23 m·s-2(單側浸水測試斷面)和0.28 m·s-2(兩側浸水測試斷面)，隨著浸水量的增加，加速度峰值逐漸增大。

4) 正常浮置板對列車運行產生的振動衰減作用明顯。隨著浸水量的增加，道床面振動減小，隧道壁振動卻在增大，說明由道床傳遞至隧道壁的振動量增加了。

5) 隨著浮置板浸水量的增加，振動衰減量逐漸減小，說明水作為振動傳導體，對振動傳遞起著較大作用。因此為防止浮置板減振效果降低，應避免浮置板浸水。

4.2 頻域分析

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

式中，arms為振動加速度有效值，m/s2；a0為基準加速度，一般取為10-6m/s2。

將同一測試斷面道床面和隧道壁振動加速度進行對比，分析振動響應在頻域內的傳遞特性，如圖8所示。圖9為各測試斷面傳遞損失曲線。

圖8 測試斷面

圖9 各測試斷面的傳遞損失

通過對比，可以得出以下結論：

1) 各測試斷面道床面振動加速度級最大值分別為116.2 dB(正常浮置板測試斷面)、111.0 dB(單側浸水測試斷面)和108.9 dB(兩側浸水測試斷面)，隧道壁振動加速度級最大值分別為：78.0、82.8、95.0 dB，均出現在50～80 Hz的頻段。浮置板浸水后，隨著浸水量的增加，在10～200 Hz的頻段，道床面振動加速度級逐漸減小，隧道壁振動加速度級逐漸增大。說明水對浮置板振動的約束，對10 Hz以上頻段的約束效果明顯，對10 Hz以下頻段的影響不明顯。

2) 正常浮置板、單側浸水和兩側浸水測試斷面振動響應在10 Hz以內的頻段，道床面至隧道壁傳遞損失值相對比較接近，基本為25～35 dB；對10 Hz以上的頻段，浸水斷面傳遞損失值減小趨勢明顯，正常浮置板測試斷面傳遞損失值基本在40 dB以上，單側浸水測試斷面傳遞損失值減小至25～35 dB，兩側浸水測試斷面傳遞損失值則降至10～25 dB。

3) 浮置板浸水后，水作為振動傳導體，對10 Hz內的低頻振動衰減效果影響較小，對10～200 Hz頻段內的振動衰減影響較大。隨著浮置板浸水量增加，浮置板對列車運行產生的振動衰減作用逐漸減弱，而且頻率越高，減弱趨勢越快。

4) 對于10 Hz以上的頻段，隨著浸水量的增加，道床面加速度級逐漸減小，隧道壁加速度級逐漸增大，道床傳遞至隧道壁的振動量逐漸增大。表明水作為振動傳導體，對10～200 Hz頻段的振動傳遞量影響顯著，對10 Hz以內頻段的影響沒有明顯規律。

由于3個測試斷面在同一區間、同一段的連續浮置板上，除了浸水條件不同外，其他條件如列車運行速度、埋深、隧道結構等條件基本一致。以正常浮置板段隧道壁振動為基準，通過對比3個測試斷面隧道壁振動加速度級，可以較準確地分析出浸水對浮置板減振效果的影響，如圖10所示。

圖10 各測試斷面隧道壁振動加速度級對比

由圖10可以看出：

1) 單側浸水段浮置板相對于正常浮置板的減振效果在整個分析頻段內均有所減小，相對減振效果在中心頻率為50 Hz頻段處的損失最大，為11.9 dB。

2) 兩側浸水段浮置板在10 Hz以內的振動加速度級與正常段基本一致，在10～200 Hz頻段，相對于正常浮置板減振效果明顯減弱，相對減振效果在中心頻率為50 Hz頻段處損失最大，為19.0 dB。

3) 在10 Hz以上，隨著浮置板浸水量的增加，隧道壁振動加速度級不斷增加，浮置板減振效果不斷減弱。在10 Hz內，浸水對浮置板減振效果的影響沒有明顯的規律，仍有待進一步研究分析。

4.3 傳遞函數

振動的傳遞規律與隧道結構、軌道形式、幾何尺寸、圍巖特性以及結構振動特性等諸多因數有關，是結構的固有特性。傳遞函數是結構固有特性的一種模型描述方式[7]。傳遞函數是系統輸入與輸出之間關系的數學表達，其形式為

(2)

式中,H(ω)為系統的傳遞函數，表示系統的頻率特性；X(t)和Y(t)分別為系統的輸入與輸出；X(ω)和Y(ω)為系統的輸入與輸出的傅里葉變換。

對于浮置板測試體系，選取板面測點的振動加速度響應作為輸入，選取隧道壁測點振動加速度響應作為輸出，計算3個測試斷面的傳遞函數，如圖11所示。

圖11 道床面至隧道壁垂向傳遞函數

由圖11可以看出，在10 Hz以內的頻段，3個測試斷面至隧道壁的垂向傳遞函數值相差不大，變化較小，均在0～0.03范圍內。在10～200 Hz的頻段，隨著浮置板浸水量的增加，傳遞函數值逐漸增大，正常浮置板測試斷面，傳遞函數值的范圍為0～0.01；單側浸水測試斷面，傳遞函數值范圍為0.01～0.05；兩側浸水測試斷面，傳遞函數值基本在0.04～0.3之間。可見，浮置板兩側浸水后，傳遞函數值大大增加，說明浸水對浮置板的傳遞特性影響明顯。

以上正常浮置板傳遞函數值范圍與文獻[6]實驗研究分析結果一致，驗證了測試結果的正確性與合理性。

5 結論及建議

5.1 結論

通過對某地鐵浮置板的實測分析，主要得出以下結論：

1) 鋼彈簧浮置板作為特殊減振軌道結構，能有效地衰減道床面與隧道壁之間的振動傳遞。加速度級最大衰減量可達44.3 dB。

2) 隨著浸水量的增加，在10～200 Hz頻段，道床面振動加速級逐漸減小；隧道壁振動加速度級逐漸增大。水作為異于空氣的介質，對浮置板振動有一定的約束作用，同時傳遞板面振動至隧道壁，板面至隧道壁的垂向傳遞函數值也隨著浸水量的增加而增大。

5.2 建議

1) 做好浮置板排水工作，防止板下積水。

2) 當浮置板浸水時及時查明原因排除積水，保證浮置板段排水通暢；同時，對浮置板進行相應檢查，查看隔振器阻尼液是否有泡水溢出現象，如受到影響應及時更換隔振器。

3) 盡量提升浮置板段的排水能力，如加寬加深水溝，利用下游普通道床地段設置坡度差，排除基底水溝內的積水，保證鋼彈簧浮置板道床的正常工作。

(編輯：郝京紅)

Impact on Vibration Control Effect and Vibration Transmission When Steel Spring Floating Slab Track Is Soaked in Water

Wang Jianli Zhang Bin Wang Jian Chen Gaofeng

(GERB (Qingdao) Structural Design CO., Ltd., Qingdao，Shandong 266108)

Based on the measured data from metro curve, we analyze the impact on vibration control effect and vibration transmission while the steel spring floating slab track (SSFST) is soaked in water. The result shows that: SSFST as a special vibration control structure can effectively attenuate vibration transmission between the track bed and the tunnel wall, the maximum attenuation (transmission loss) of vibration acceleration level (VAL) is up to 44.3 dB when SSFST works normally; When SSFST is soaked within the frequency range from 10 to 200 Hz, the VAL of track bed gradually decreased, while the VAL of tunnel wall increased with the increasing of soaking water, the transmission loss from track bed to tunnel wall decreased, the value of transmission loss for one-side soaked testing section decreased to 25～35 dB and 10～25 dB for two-sides one; Vertical transfer function values of normal SSFST, one-side and two-sides soaked testing section are increased in sequence with the respective basic range of 0～0.01, 0.01～0.05 and 0.04～0.3, which shows that water as a vibration conductor has a significant effect on vibration transmission within the frequency range from 10 to 200Hz.

metro; vibration control; steel spring floating slab track; soaked in water; test; vibration acceleration level; transmission loss.

王建立，男，總經理，高級工程師，一級注冊結構工程師，從事噪聲振動控制研究，wang.jianli@gerb.com.cn

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