客、貨列車通過既有線路曲線段的振動響應測試分析

孫曉靜,馬　蒙, 劉維寧,王文斌,姜博龍

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京　100044；2.中國鐵道科學研究院 城市軌道交通中心，北京　100081)

近年來，鐵路運輸引起的鐵路沿線環(huán)境振動問題逐漸引起關注。相比高速鐵路振動及地鐵振動的研究，鐵路既有線路上貨車、客車振動及其對環(huán)境影響的研究較少，國內(nèi)、外在振動標準、傳播衰減特性、控制措施等方面均處于起步階段。在國外，Smith等[1]通過實驗室研究分析了夜間貨車振動對人體的影響；Peris，Woodcock等[2-4]研究了考慮振動暴露量—人體反應關系的重載鐵路振動及普通客車振動對人體的影響及評價方式，為制定重載鐵路振動對人體影響的評價標準提供了研究基礎；Vanhonacker[5]在比利時和波蘭進行了客貨混跑線路的環(huán)境振動測試，發(fā)現(xiàn)在20 Hz以下的低頻段貨車比客車的振動大約15 dB。在國內(nèi)，雷曉燕等[6]通過計算發(fā)現(xiàn)貨車引起的軌道動力響應比客車的作用大；陳建國等[7]通過現(xiàn)場測試也證實貨車引起的地面加速度振級在各方向上明顯大于客車，差值約為10 dB，在附近建筑物內(nèi)測得的相同車速的貨車比客車引起的加速度振級大5～15 dB[8-9]。

上述研究均針對直線線路的情況，而關于鐵路既有線曲線段客、貨列車振源的對比測試幾乎未見報道。列車在通過曲線線路時，由于橫向力作用、鋼軌磨耗等原因，會產(chǎn)生比在直線線路上更大的振動。因此，了解貨車通過曲線段的振源特性及環(huán)境振動響應規(guī)律對貨車振動控制措施的合理制定具有較強的工程意義。為此，本文選擇在一處客貨混跑線路的曲線區(qū)間進行現(xiàn)場測試，以分析客、貨列車的振動特性。

1　測試概況

圖1　測試斷面示意圖

測試斷面選擇在下行線圓曲線中點處，測點布置如圖2所示。在軌道系統(tǒng)處共布置5個測點，即在下行線內(nèi)、外軌上分別布置測點R1和R2，同時測試鋼軌垂直和水平2個方向的振動；在軌枕中心處布置測點S，測試軌枕的垂向振動；道床坡腳處布置測點G1和G2，測試該處地表的垂向振動。由于我國評價環(huán)境振動影響的指標為Z振級，因此本次測試中還測試了自由場地地表的垂向振動，即在上、下行線間的自由場地地表共布置8個測點G3—G10，它們距下行線外軌道床坡腳的水平距離分別為5，10，15.3，20，25，27.5，29.4和34 m。鋼軌測點R1和地表測點G7的布置如圖3所示。

圖2　測點布置圖

圖3　鋼軌(R1)及地表(G7)測點布置圖

測試時使用2臺INV3018C型24位高精度數(shù)據(jù)采集儀，其中1臺記錄振源數(shù)據(jù)(測點R1，R2，S，G1和G2)，1臺記錄地表振動響應數(shù)據(jù)(測點G3—G10)；當下行線通過列車時，同時測試振源和地表振動；當上行線通過列車時，僅測試地表振動。鋼軌振動加速度測試采用Lance AS0123T系列振動加速度傳感器，量程為200g；軌枕振動加速度測試采用Lance AS0105系列振動加速度傳感器，量程為20g；地表振動加速度測試采用Lance AS0115系列振動加速度傳感器，量程為1g。

2　測試結果及分析

2.1　軌道系統(tǒng)

2.1.1時域分析

圖4和圖5分別為客、貨列車通過時軌道系統(tǒng)的典型垂向振動加速度時程圖(從鋼軌響應時程曲線來看，內(nèi)、外軌區(qū)別不大，因此圖中僅給出外軌的時程響應)。由圖4和圖5可見：鋼軌的振動加速度出現(xiàn)明顯的沖擊效應，這種沖擊效應經(jīng)軌枕、道床逐漸衰減；坡腳的振動響應明顯低于軌枕的振動響應，表明振動能量在道砟中明顯衰減；客車通過時，各車輛引起的軌道系統(tǒng)垂向振動加速度較為均勻，體現(xiàn)出比較穩(wěn)定的周期性振動響應，而貨車通過時，由于各車輛裝載的貨物重量不一致，導致軌道系統(tǒng)垂向振動加速度的差異較大，其中鋼軌振動加速度峰值的差異甚至超過900 m·s-2，這意味著，在評價既有線通過貨車時對環(huán)境振動的影響時，應重點考慮軌道系統(tǒng)垂向振動加速度峰值的影響，而不能僅僅考慮其平均值；客車引起的坡腳振動加速度時程最大值由機車決定；由于貨車采用長編組，故經(jīng)過測點的通行時間明顯長于客車，引發(fā)的軌道系統(tǒng)振動響應時間也遠長于客車。

圖4　客車通過時軌道的典型垂向振動加速度時程圖

圖5　貨車通過時軌道的典型垂向振動加速度時程圖

圖6為統(tǒng)計得到的下行線振源各測點振動加速度的時域有效值，圖中同時給出各測點的最大值、最小值和平均值。由圖6可見：貨車引起的軌道系統(tǒng)振動加速度的平均值明顯大于客車的；統(tǒng)計數(shù)據(jù)中貨車的軌道系統(tǒng)振動加速度時域有效值樣本的離散程度也大于客車(如貨車與客車通過時振源振動加速度有效值離散程度之比，鋼軌的最大為4，軌枕的為3.6，道砟外坡腳的約為1.5)，這是因為客車載客后各節(jié)車廂的實際軸重差異不大，而貨車由于各節(jié)車廂的裝載質(zhì)量差異大且編組情況復雜等，從而引起其實際軸重差異大。

圖6　振源振動加速度的時域有效值

2.1.2頻域分析

圖7和圖8分別為客、貨列車通過時典型的鋼軌垂向振動加速度頻譜，該典型樣本的振動響應與圖6所示的平均值最為接近，具有代表性。由圖7和圖8可見：對比由列車軸重引起的10 Hz以下振動的準靜態(tài)分量，貨車的低頻振動明顯高于客車的，這與歐洲的測試結果[5]是一致的；客車和貨車均在18 Hz頻率處出現(xiàn)1個小的振動峰值，這一頻率與列車以39 km時速通過0.6 m軌枕間距時的特征頻率相對應，但在18 Hz頻率處貨車的振動響應要明顯大于客車的，說明同一特征波長對應特征頻率處的振動幅值大小取決于列車軸重；在100～2 000 Hz頻段的振動響應很大，這與整個軌道的不平順有關，其中外軌的高頻振動響應大于內(nèi)軌的，這與外軌出現(xiàn)的剝離掉塊現(xiàn)象密切相關，鋼軌的剝離掉塊會顯著加劇振動的高頻成分。

圖7　客車通過時鋼軌的典型垂向振動加速度頻譜

圖8　貨車通過時鋼軌的典型垂向振動加速度頻譜

2.2　自由場地

2.2.1時域分析

經(jīng)常會有父母帶著自己的寶寶因為O型腿或X型腿前來就診或咨詢。必須要指出的是輕微的O型腿或X型腿是小兒三歲前正常發(fā)育的過程。在不是特別嚴重的情況下，到5～6歲時都會變得正常。

圖9和圖10分別為測試到的客車和貨車通過時地表部分測點的典型垂向振動加速度時程圖。由圖9和圖10可見：土層對垂向振動有明顯的衰減作用，隨距振源距離的增加，列車車輪引起的振動沖擊效應逐漸減小，地表25 m處的振動加速度響應相比地表5 m處的振動加速度響應衰減了1個數(shù)量級；與軌道的測試結果相同，自由場地的振動加速度時程表現(xiàn)為客車通過時更均勻，但響應時間較貨車的短；客車引起的距外軌道床坡腳5 m處地表振動加速度時程最大值由機車決定，但地表其他測點的加速度響應值比較均勻。

圖9客車通過時距振源不同距離處地表的典型垂向振動加速度時程圖

圖11為上行線和下行線過車時地表振動加速度有效值衰減的統(tǒng)計結果。由圖11可見：由于列車出站通過上行線時的車速較低(10～20 km·h-1)，故振動響應明顯低于通過下行線時；在所分析的0～34 m范圍內(nèi)，貨車引起的自由場地振動明顯大于客車引起的；列車通過上、下行線時均在G5測點處出現(xiàn)1個振動衰減的回彈區(qū)域，此測點距離下行線道砟外坡腳15.3 m，距離上行線道砟外坡腳18.7 m，這說明此處出現(xiàn)的振動衰減回彈與列車低頻振動分量的體波、瑞利波在此處疊加無關，而與該測點位置處土層局部性質(zhì)的差異有關；上行線過貨車時振動比下行線衰減的更為緩慢，這是由于列車通過上行線時的車速低，由準靜態(tài)分量引起的低頻成分能量會相對較大，而低頻振動較高頻振動衰減慢。

圖10貨車通過時距振源不同距離處地表的典型垂向振動加速度時程圖

圖11　地表垂向振動加速度有效值衰減曲線

2.2.2頻域分析

客車、貨車通過時自由場地地表垂向振動加速度有效值的1/3倍頻程頻譜如圖12所示。由圖12可見：2種列車引起的自由場地振動在1/3倍頻程上表現(xiàn)出的變化趨勢基本相同，均在63～80 Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)峰值，隨后極速下降，并且這種規(guī)律與距振源的距離無關，這說明63～80 Hz頻段內(nèi)的振動峰值是由軌道系統(tǒng)引起的，在自由場地的傳播過程中不改變此特性；在10 Hz以下頻段內(nèi)，貨車引起的自由場地振動明顯大于客車的，而在其他頻段內(nèi)兩者的量值比較接近，說明土層的存在也無法消除這種由列車準靜態(tài)分量引起的低頻振動差異。

圖12　地表垂向振動加速度有效值的1/3倍頻程頻譜

2.2.3振級衰減分析

上行線和下行線過車時自由場地地表的最大Z振級衰減曲線如圖13所示。由圖13可見：在0～34 m范圍內(nèi)，客車和貨車作用下的最大Z振級相差并不大(最大平均值約為2～3 dB)，這是因為最大Z振級的計算方法僅與列車中軸重最大的機車或車輛通過時的振動能量有關，而與列車的通行時間無關；而由圖4和圖5可見，由于貨車的編組長，且其通行時間遠遠大于客車，而現(xiàn)行以Z振級為指標的環(huán)境評價方法并不能反映貨車通行時間較長、對環(huán)境振動影響的持續(xù)時間也較長這一特點。

圖13　自由場地地表的最大Z振級衰減曲線

基于此，采用考慮列車荷載作用持續(xù)時間的評價指標——暴露振級(Vibration Exposure Level)，分析列車通過時振動能量的變化。根據(jù)文獻[10]的研究，暴露振級VEL為

(1)

式中：aw(t)為隨時間變化的計權加速度有效值；a0為參考加速度，取10-6m·s-2，與計算加速度級時的參考加速度保持一致。

圖14給出了上、下行線過車時自由場地地表的暴露振級衰減曲線。由圖14可見：對于同一線路，自由場地地表的暴露振級與通過列車的類型相關，貨車的暴露振級明顯大于客車的，平均超出約3 dB以上；對比圖13與圖14不難看出，由于考慮了荷載作用的時間因素，暴露振級能夠更加真實地反映列車通過時振動能量的變化，因此在評價貨車對環(huán)境振動的影響時應綜合考慮Z振級和暴露振級這2個指標。

圖14　自由場地地表的暴露振級衰減曲線

3　結　論

(1)坡腳的振動響應明顯低于軌枕振動響應，表明振動能量在道砟中明顯衰減。

(2)客車通過時，各車輛引起的軌道系統(tǒng)垂向振動加速度較為均勻，體現(xiàn)出比較穩(wěn)定的周期性振動響應；貨車通過時，由于編組內(nèi)各車輛裝載的貨物重量不一致而導致軌道系統(tǒng)垂向振動加速度的差異較大。因此，在對貨車通過既有線路曲線段時對環(huán)境振動的影響進行評價時，應重點考慮軌道系統(tǒng)垂向振動加速度峰值的影響。

(3)受準靜態(tài)分量的影響，貨車在10 Hz以下低頻段的振動響應大于客車，而土層的衰減作用也無法消除這種低頻振動的差異。

(4)受編組輛數(shù)影響，貨車對環(huán)境振動影響的作用時間遠大于客車的；客、貨列車引起的自由場地Z振級相差不大，但二者的暴露振級差別明顯，說明暴露振級能夠更加真實地反映客、貨列車通過時二者在列車荷載作用時間及所產(chǎn)生振動能量的差異性，因此在評價貨車對環(huán)境振動的影響時建議綜合采用Z振級及暴露振級這2個評價指標。

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