重載鐵路引起地面振動的試驗與分析

孟 鑫，劉鵬輝，姚京川，王 巍，董振升，尹 京

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

重載鐵路引起地面振動的試驗與分析

孟 鑫，劉鵬輝，姚京川，王 巍，董振升，尹 京

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

對重載鐵路沿線在貨物列車通過時引起的地面振動進行現場試驗，測試了距離鐵路7.5 m、15 m、30 m、60m、90 m處的地面橫向和垂向振動速度，分析了振動速度的幅值和頻率特性，得到貨物列車引起地面振動的振源特性、傳播特性以及軸重、列車速度與振動的關系。分析表明：貨物列車引起的地面振動在5 Hz～10 Hz的范圍內峰值明顯；隨著距離的增加，高頻成分的衰減比低頻更快。地面峰值振動速度(PPV)隨著距離的增加呈冪函數衰減，在7.5 m～15 m距離內振動峰值衰減顯著。在7.5 m處橫向和垂向峰值振動速度數值接近；在15 m及更遠距離處，橫向振動速度衰減比垂向振動速度快。地面橫向、垂向峰值振動速度（PPV）隨行車速度、列車軸重提高呈增大趨勢。

振動與波；重載鐵路；地面振動；軸重；峰值振動速度

隨著我國鐵路產業規模日益擴大，重載鐵路貨物列車軸重及牽引質量不斷提高，由列車引發的地面振動明顯增大，由于鐵路振動持續時間長、循環次數多、振動頻率低、影響范圍廣等特點，所帶來的振動問題日益突出[1,2]。近年來，由貨物列車引起的振動對沿線建筑物結構的影響引起了人們的普遍關注。鐵路列車對軌道的沖擊作用產生振動，通過路基、橋梁墩臺等傳遞到周圍地層，進而激勵地面建筑物產生振動。鐵路引起的振動作用時間長且反復發生，這樣的小幅振動的反復作用同樣會對結構造成損害。

質點振動速度和振動頻率與建筑物破壞有著密切的關系，能直接反映振動能量大小，在建筑物的振動評價中起著重要作用[1]。在國內外相關標準[3，4]中大多按照不同建筑物分類，采用與振動頻率相關的不同方向的峰值振動速度PPV（Particle Peak Velocity）作為限值。PPV是振動速度時域波形的絕對值的最大值，能較好的反映建筑物所產生的動應力。

鐵路引起的地面振動是個較為復雜的系統問題，通過現場試驗進行研究是最直觀也是最可靠的方法，得到的數據真實，具有說服力。近年來，國內學者[5-7]針對鐵路引起的振動進行了大量現場實測，但測試參數多為振動加速度，用以評價振動對生活環境及人體健康的影響，而以振動速度PPV為測試參數、以重載鐵路為測試對象的試驗研究較少。雖然實測加速度信號與速度信號之間能夠實現相互轉化，但由此會帶來系統誤差。對重載鐵路引起的地面振動速度及其傳播特性進行研究，可為今后鐵路沿線建筑物規劃及振動危害防治提供指導，有較大的實際意義。

本文采用現場實測的方法，在重載鐵路沿線進行現場試驗，在線路狀況基本不變、行駛列車固定的情況下，對重載鐵路引起的地面振動速度PPV進行研究。測試了距離鐵路不同位置處的地面橫向和垂向振動速度，分析了振動速度的幅值和頻率特性，得到重載列車引起地面振動的振源特性、傳播特性以及軸重和列車速度與振動的關系。

1 試驗概況

某煤炭專用重載鐵路正線全長170 km，I級電氣化鐵路，單線，有砟軌道，無縫線路，鋼軌為60 kg/ m。至2012年底煤炭運輸總量約為3.79億噸，運輸采用主要車型為C 62、C 64、C 70、C 80。試驗現場為高原地貌，土質從上層依次為粉細砂、細砂加卵礫石、砂巖。鐵路軌枕下方道砟厚度約為40 cm～50 cm，測試平面為道砟下方的路基面，測試區域較為平坦、開闊，可視為均勻土體。

地面測點按照垂直于線路方向、在距外側鋼軌7.5 m、15 m、30 m、60 m、90 m處布置，各測點位于同一直線上。每個測點放置橫向、垂向振動傳感器各一個，橫向傳感器垂直于線路方向。振動傳感器與抗混迭濾波放大器匹配使用，試驗采用的測試系統的通頻帶、量程、分辨率、抗干擾、率定等方面性能滿足測試要求。

選擇的速度傳感器為兼顧量程、分辨率等因素，采用通頻帶為2 Hz～100 Hz的檔位進行測試，與ISO 4866：1990[8]中的交通振動典型頻率范圍1 Hz～100 Hz略有差別。通過對比傳感器幅頻特性曲線，在1 Hz～2 Hz區段并不存在較大的變化；另外由實測可知，鐵路振動在1 Hz～2 Hz區段內振動量值微小，選用的傳感器通頻帶的差別對測試結果基本無影響。

試驗期間，共測試列車15趟，其中包括試驗貨列（固定編組的空重混編車）、運營貨列（以C 62、C 80為主的空車和重車），經過測試區域時列車速度范圍為30.2 km/h～79.7 km/h。

其中，試驗貨列的編組為：DF4機車+6-C 80 B重+5-C 70重+6-C 80 BH空+5-C 70空+4-C 62 BK重+1-C62AK重+1-C 62 AB空+2-C 62 B空+2-C 62 AK空+DF4機車。

試驗貨列的編組中包括C 80、C 70、C 62貨車，此三種車型目前是中國鐵路常用的貨車類型，重車軸重約為25 t、23 t、21 t，空車軸重約為5.00 t、5.95 t、5.68 t，將三種車型進行空重混編。試驗貨列的牽引機車固定、編組明確、軸重固定、兼顧空重，在線路狀況基本不變、行駛列車固定的條件，得到的測試數據更為典型、具有代表性，更有分析、研究的價值。試驗貨列通過試驗區域的速度為40 km/h～80 km/h，本文中也以試驗貨列的實測結果作為分析重點。

對振動時域波形進行分析時，首先對測試波形預檢，去掉奇異項，修正零線飄移、趨勢等誤差，確認非失真的波形。讀取峰值振動速度PPV時，取單峰值的最大絕對值。頻率分析主要采用傅里葉幅值譜和1/3倍頻程譜分析，二者均可描述不同頻率下振動物理量的大小。幅值譜給出的是較為精確的具體某一頻率下的振動量。1/3倍頻程譜縱坐標是有效值，可以反映該頻段的振動能量，是一種能量譜，通常1/3倍頻程曲線橫坐標采用對數坐標[9]。頻率分析時，對參數設置、波形截取等進行統一。

2 數據分析

2.1 振動速度頻域分析

試驗貨列經過測試區域時，對地面測點振動速度數據進行頻域分析，為清晰展示，僅給出了7.5 m、30 m處橫向、垂向振動速度幅值譜，見圖1—圖2。

在距離外軌7.5 m、15 m處，垂向振動速度呈寬頻特征，以5 Hz～20 Hz和50 Hz～100 Hz的頻率成分為主；在30 m及更遠區域，垂向振動速度以5 Hz～20 Hz的頻率成分為主，其中5 Hz～10 Hz的頻率成分在各測點處始終顯著，高頻成分數值較小。

橫向振動速度主頻分布與垂向基本相似，但幅值譜峰值大小有明顯區別，在7.5 m處橫向振動高頻成分大于低頻。橫向振動主要是由于軌道水平不平順引起的，車輛蛇行運動的效應不明顯。

圖1 試驗貨列經過時橫向振動速度幅值譜圖

圖2 試驗貨列經過時垂向振動速度幅值譜圖

試驗貨列通過時，對地面測點測試數據進行1/3倍頻程頻譜分析，各中心頻率下振動速度隨距離衰減見圖3與圖4。頻譜分析可知，地面振動速度橫向、垂向高于20 Hz的高頻成分衰減比低頻更快。

圖3 試驗貨列經過時橫向振動速度1/3倍頻程頻譜圖

圖4 試驗貨列經過時垂向振動速度1/3倍頻程頻譜圖

鐵路運營引起的地面振動頻率較寬，且具有一些特征頻率[10]。當列車以固定速度通過時，由于其軸重荷載的規則性排列，會產生周期性的動力作用，列車的垂向加載頻率主要取決于列車速度v（km/h）和軸距d（m），加載頻率f=v/（3.6·d），貨物列車軸距分布見圖5所示。試驗貨列的編組中包含C 80、C 70、C 62三類貨車，采用C 80 BH、C 70、C 62 AK軸距，計算貨物列車垂向加載頻率見表1。

圖5 貨物列車軸距示意圖

表1 貨物列車40 km/h～80 km/h垂向加載頻率計算值

對比貨物列車加載頻率計算值可知，貨物列車引起的垂向振動速度主要是由于轉向架內軸距、轉向架間軸距和軌道高低不平順引起的，軌枕間距、車輛內軸距、車輛間軸距的效應不明顯。

2.2 振動速度隨距離的衰減

試驗期間測試的所有試驗貨列、運營貨列以不同速度經過時，各測點峰值振動速度PPV匯總見表2。由實測數值可知：各測點峰值振動速度PPV隨距離的增加而減小，在7.5 m～15 m區域內振動峰值衰減最為顯著，衰減幅值約為0.8 mm/s～2.0 mm/s；在15 m及更遠區域，振動速度衰減放緩，在90 m測點處達到最小值。在30 m處振動速度基本小于0.3 mm/s，在90 m處基本小于0.1 mm/s。

在7.5 m處橫向、垂向峰值振動速度接近，在15 m及更遠距離處垂向振動速度均明顯大于橫向，表明橫向振動速度衰減比垂向振動速度快。

在線路狀況基本不變、行駛列車固定的情況下，研究地面振動與距離衰減關系。為消除振動測試中的車輛類型的隨機干擾，僅選取牽引機車固定、編組明確、軸重固定的試驗貨列測試數據進行分析。

將各測點的測試數據進行指數、對數和冪回歸處理后表明，冪回歸的結果與實際狀況吻合較好。將試驗貨列速度接近的車次數據進行平均，然后再進行冪回歸處理，得到試驗貨列45 km/h、60 km/h、80 km/h下的振動速度峰值PPV隨距離衰減曲線，見圖6—圖7。其它列車的實測結果也存在同樣的冪函數衰減規律。

表2 不同距離處峰值振動速度匯總表

圖6 橫向峰值振動速度PPV與距離衰減關系圖

圖7 垂向峰值振動速度PPV與距離衰減關系圖

2.3 振動速度與列車速度的關系

在線路狀況基本不變、行駛列車固定的情況下，對試驗貨列不同速度下，各測點峰值振動速度PPV的測試數據進行分析，研究地面振動速度與列車速度的關系。列車速度范圍為46.2 km/h～79.7 km/h。

各測點峰值振動速度與列車速度關系見圖8—圖9。在距離外軌7.5 m、15 m處，橫向、垂向峰值振動速度隨行車速度的提高而增大的趨勢較為明顯。將7.5 m、15 m處振動速度進行線性回歸處理，得到振動速度峰值PPV與行車速度的擬合函數。

圖8 試驗貨列經過時橫向峰值振動速度與行車速度關系圖

圖9 試驗貨列經過時垂向峰值振動速度與行車速度關系圖

對試驗貨列不同速度下，距離外軌7.5 m處振動速度進行1/3倍頻程頻譜分析。從整體來看，各中心頻率下橫向、垂向振動速度以80 km/h通過的試驗貨列引起的振動最大，58 km/h次之，46 km/h最小，但在個別頻率下列車低速引起的振動大于高速。

2.4 振動速度與軸重的關系

選取運營貨列中的C 80空車（軸重約5 t）、重車（軸重約25 t）測試數據，剔除機車產生的影響，速度分別為45.7 km/h、41.9 km/h，分析不同軸重條件下引起的地面振動速度的特性，實測數值匯總見表3。

表3 不同軸重列車作用下峰值振動速度匯總表

由實測可知，橫向、垂向峰值振動速度隨軸重增大而提高，垂向振動提高幅度大于橫向。由于軸重增加引起距離外軌7.5 m、15 m處地面峰值振動速度PPV增大1.2～1.5倍，距離外軌30 m、60 m、90 m處地面峰值振動速度PPV增大1.2～2.3倍。

不同軸重列車作用下，對距離鐵路不同距離處各測點振動速度進行1/3倍頻程頻譜分析，如圖10—圖11所示。在中心頻率1 Hz～20 Hz區段，地面各測點處橫向、垂向振動速度差異較大，重車引起振動速度幅值明顯大于空車；在中心頻率20 Hz～80 Hz區段，地面各測點處橫向、垂向振動速度差異較小。

圖10 各測點橫向振動速度1/3倍頻程頻譜圖

圖11 各測點垂向振動速度1/3倍頻程頻譜圖

3 結語

通過對典型重載鐵路貨物列車通過時引起的地面振動進行現場測試，主要結論如下：

（1）重載鐵路貨物列車引起的地面振動在距離外軌7.5 m、15 m處呈寬頻特征，振動速度以5 Hz～20 Hz和50 Hz～100 Hz的頻率成分為主，在30 m以上距離，垂向振動速度以5 Hz～20 Hz的頻率成分為主。其中5 Hz～10 Hz的頻率成分在各測點處始終顯著。橫向、垂向高頻成分的衰減比低頻更快；

（2）重載鐵路貨物列車引起的地面峰值振動速度PPV隨著距離的增加呈冪函數衰減，在7.5 m～15 m距離內振動峰值衰減顯著，在15 m及更遠區域，振動速度衰減趨緩，在7.5 m處橫向和垂向峰值振動速度接近，在15 m及更遠距離處橫向振動速度衰減比垂向振動速度快；

（3）重載鐵路貨物列車引起的地面橫向、垂向峰值振動速度PPV隨行車速度、列車軸重提高呈增大趨勢。

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Testing andAnalysis of Ground Vibration Induced by Heavy-haul Railway Operation

MENG Xin,LIU Peng-hui,YAO Jing-chuan, WANG Wei,DONG Zhen-sheng,YIN Jing
(Railway Construction Institute,ChinaAcademy of Railway Science,Beijing 100081,China)

Field test of ground vibration induced by heavy-haul railway operation was conducted.The transverse and vertical velocities of ground vibration at the distance of 7.5 m,15 m,30 m,60 m,90 m away from the rail were measured respectively.The amplitude and frequency characteristics of the vibration velocity were analyzed,and the vibration source characteristics,propagation characteristics and attenuation laws of the ground vibration induced by the heavy-haul train were obtained.The relation among the axle load,velocity of the train and the vibration was derived.Results show that the vibration components caused by the train have obvious peaks at each measuring point in 5-10 Hz frequency range.With the distance from the rail to the measurement point increasing,high frequency components of transverse and vertical velocities decay faster than the low frequency components.The Peak Particle Velocity(PPV)of the ground decays as a power law.At the distances of 7.5-15 m,the PPV decays significantly.At the distance of 7.5 m,the PPV values of transverse and vertical vibrations are close to each other.At the distances beyond 15 m，The PPV of the transverse velocity decays faster than that of the vertical velocity.Vibration velocity increases as the train speed and axle load increasing.

vibration and wave;heavy-haul railway;ground vibration;axle load;peak particle velocity(PPV)

TB53；TB123

：A

：：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.020

1006-1355(2015)01-0099-05

2014－06－24

國家自然科學基金資助項目（51378500）；中國鐵路總公司科技研究開發計劃資助項目（2013G004-A-2）

孟鑫（1982－），男，山東濟寧人，助理研究員，工學碩士，主要研究方向：結構動力學、環境振動預測評估。E-mail:sdjxmx@sina.com