鋼彈簧浮置板浸水時的減振效果實測分析

張 斌 王建立 王 建 陳高峰 劉 洋

(1.隔而固(青島)結構設計事務所有限公司,266108,青島;2.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌;3.隔而固(青島)振動控制有限公司,266108,青島∥第一作者，工程師)

?

鋼彈簧浮置板浸水時的減振效果實測分析

張 斌1,2王建立1王 建1陳高峰1劉 洋3

(1.隔而固(青島)結構設計事務所有限公司,266108,青島;2.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌;3.隔而固(青島)振動控制有限公司,266108,青島∥第一作者，工程師)

對某地鐵狀態正常的鋼彈簧浮置板段、一側隔振器浸水段、兩側隔振器浸水段和普通整體道床段的過車響應進行現場實測。結果分析表明，鋼彈簧浮置板作為特殊減振軌道結構,具有良好的減振效果。狀態正常的浮置板相對于普通整體道床減振效果可達16.8 dB(隧道壁Z計權振級插入損失),隨著浸水量的增加,減振效果逐漸減弱,分別為9.8 dB(一側浸水)、0.6 dB(兩側浸水)。浸水對16～200 Hz頻段的減振效果影響明顯,對16 Hz以內頻段的減振效果基本沒有影響。

地鐵; 鋼彈簧浮置板; 普通整體道床; 浸水測試; 減振效果

First-author′s address GERB(Qingdao)Structural Design Co.,Ltd.,266108,Qingdao,China

近些年來,地鐵建設快速發展,地鐵運營所引發的環境振動與噪聲問題,已顯現出來，如何采取有效措施進行減振降噪受到人們的普遍重視與研究[1-2]。

鋼彈簧浮置板作為一種有效的減振軌道形式,于1956年在德國首次使用。2002年,鋼彈簧浮置板在北京地鐵13號線中投入使用。目前,國內已有21個城市的軌道交通采用了鋼彈簧浮置板減振軌道結構,并且投入運營,取得了較好的減振效果。

鋼彈簧浮置板軌道可視為質量-彈簧-阻尼系統。將具有一定質量和剛度的混凝土軌道板浮置于鋼彈簧隔振器(彈簧-阻尼系統)上,利用軌道質量慣性力平衡列車運行引起的動荷載,僅將靜荷載和未被平衡的動荷載通過隔振器傳到基礎上,從而達到減振的目的[3]。文獻[4-9]從理論解析、數值仿真及現場實測等方面,對鋼彈簧浮置板的動力特性、減振效果進行了詳細的分析研究。這些研究推動了鋼彈簧浮置板在軌道交通中減振降噪的應用，但對鋼彈簧浮置板浸水或者其他原因造成的“短路”現象卻鮮有提及。

隧道建設于土體中,破壞了地下水流原有的規律,極易產生滲漏現象。隧道滲漏水被建筑業界稱為隧道工程的第一大頑疾;鋼彈簧浮置板軌道作為隧道中的特殊減振軌道結構，常有有浸水現象發生。為分析鋼彈簧浮置板浸水對其減振效果的影響,本文對某地鐵鋼彈簧浮置板浸水段及普通整體道床段進行實測,對比分析浸水對浮置板減振效果的影響。

1 測試概況

1.1 測試斷面

某地鐵測試現場共布置了狀態正常浮置板、一側隔振器浸水浮置板、兩側隔振器浸水浮置板、普通整體道床浮置板等4個測試斷面。3個浮置板測試斷面是在一段曲線浮置板上(曲線半徑為370 m)；普通整體道床測試斷面在浮置板段相鄰區間,在半徑為700 m的曲線上。隧道埋深均約15m。各測試斷面的隧道結構形式均為圓形。列車采用5節編組,3動2拖,空載試運行。鋼軌采用60 kg/m的鋼軌,其狀態良好,無波磨現象,均采用DTVI 2型扣件。浮置板浸水情況如圖 1所示。

圖1 浮置板浸水示意圖

1.2 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。傳感器的靈敏度為105.8 mV/(m/s2),量程為±5g(g為重力加速度),頻率范圍為0.5～3 000.0 Hz,溫度范圍為-18 ℃～+66 ℃。測試按照《浮置板軌道技術規范》(CJJ/T 191—2012)的要求進行。采樣頻率為1 024 Hz,每個測試斷面布置2個測點,道床面測點布置于道床中心,隧道壁測點距較近一側鋼軌頂面垂向距離為1.25 m,均測試鉛垂向振動加速響應。測點布置如圖2所示。

2 測試結果分析

2.1 時域分析

現場實測時,4個斷面分別采集多組列車過車振動數據,為消除隨機干擾,提取其中10組數據進行分析。圖3—圖6為4個測試斷面典型振動加速度響應時程曲線。

對比各測試斷面振動加速度響應,可以得出以下結論:

(1) 根據加速度響應時程曲線與地鐵列車長度，可推導出列車在4個測試斷面處的運行速度均約為60 km/h。

圖2 測點布置示意圖

圖3 狀態正常浮置板測試斷面典型加速度時程曲線

(2) 狀態正常的浮置板測試斷面、一側隔振器浸水測試斷面、兩側隔振器浸水測試斷面和普通整體道床測試斷面的道床面振動加速度峰值均值的分別為4.76 m/s2、4.39 m/s2、1.48 m/s2和0.74 m/s2。可以看出，浮置板測試斷面隨著浸水量增加,道床面振動加速度響應逐漸減小,普通整體道床的道床面振動響應小于浮置板道床振動響應。

(3) 狀態正常的浮置板測試斷面、一側隔振器浸水測試斷面、兩側隔振器浸水測試斷面和普通整體道床測試斷面的隧道壁振動加速度峰值均值分別為0.04 m/s2、0.23 m/s2、0.28 m/s2和0.30 m/s2。可以看出,浮置板測試斷面隨著浸水量增加,隧道壁振動加速度響應逐漸增大,當兩側隔振器均浸水時,隧道壁振動加速度響應與普通道床接近。狀態正常的浮置板對列車運行產生的振動衰減作用明顯,隨著浮置板浸水量的增加,振動衰減量逐漸減小。

圖4 一側隔振器浸水測試斷面典型加速度時程曲線

圖6 普通整體道床測試斷面典型加速度時程曲線

2.2 頻域分析

在頻域內,對4個測試斷面采用1/3倍頻程譜均值進行評價分析。分析結果如圖7—圖10所示。

圖7 狀態正常浮置板測試斷面的1/3倍頻程譜均值

由頻譜分析可知:

(1) 列車運行時,各測試斷面各測點主要響應頻段均在50～80 Hz。

(2) 正常浮置板測試斷面、一側隔振器浸水測試斷面、兩側隔振器浸水測試斷面和普通整體道床測試斷面的道床面加速度級最大值分別為:116.2 dB、111.0 dB、108.9 dB、101.7 dB;隧道壁加速度級最大值分別為:78.0 dB、82.8 dB、95.0 dB、93.7 dB。浮置板道床面在頻域內的振動隨著浸水量的增加而減小,隧道壁的振動反之。

圖8 一側隔振器浸水測試斷面的1/3倍頻程譜均值

圖9 兩側隔振器浸水測試斷面1/3倍頻程譜均值

圖10 普通整體道床測試斷面1/3倍頻程譜均值

(3) 隨著浸水量增加,浮置板板面至隧道壁的振動差(傳遞損失)逐漸減小。普通整體道床面至隧道壁的振動差最小。

2.3 振動評價

根據《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》(JGJ/T 170—2009)規定的分頻最大振級LV,max及《城市區域環境振動標準》(GB 10070—1988)規定的Z振級LVZ對各測試斷面隧道壁振動響應進行對標評價。振動波在土壤中傳播時,受到幾何阻尼與材料阻尼的影響,振動會隨著與振源距離的增加而減小[10],因此,采用隧道壁振動響應作為評價指標,將會有一定的安全余量。

2.3.1 分頻振級評價

根據JGJ/T 170-2009規定,LV，max在4～200 Hz頻率范圍內采用1/3倍頻程中心頻率,按不同頻率Z計權因子修正后的分頻最大振級LV,max作為評價量。加速度級在1/3倍頻程中心頻率的Z計權因子如表 1所示。各測試斷面隧道壁分頻振級如圖 11所示。

表1 1/3倍頻程中心頻率計權因子

圖11 各測試斷面隧道壁振動分頻振級

狀態正常的浮置板測試斷面、一側隔振器浸水測試斷面、兩側隔振器浸水測試斷面和普通整體道床測試斷面的隧道壁振動分頻最大振級分別為64.0 dB、70.8 dB、81.0 dB和81.7dB。僅狀態正常的浮置板測試斷面隧道壁最大分頻振級滿足JGJ/T170—2009對居住、文教區規定的限值(晝間65 dB)。

2.3.2 Z振級評價

按ISO 2631/1—1997規定的全身振動Z計權因子修正后，得到振動加速度級。Z計權曲線如圖12所示。GB 10071—1988規定以列車通過的Z振級的算術平均值作為評價量。

Z振級計算為

LVZ=20 lg(arms/a0)

(1)

(2)

式中:arms——振動加速度有效值，m/s2;

a0——基準加速度,一般取為a0=10-6m/s2;

afrms——中心頻率為f的加速度有效值;

cf——Z計權因子,dB,其具體取值如圖 12所示。

圖12 Z振級1/3倍頻程計權曲線

經計算，狀態正常的浮置板測試斷面、一側隔振器浸水測試斷面、兩側隔振器浸水測試斷面和普通整體道床測試斷面的隧道壁Z振級分別為66.8 dB、73.8 dB、83.0 dB和83.6 dB。僅狀態正常的浮置板測試斷面隧道壁Z振級滿足GB 10070—1988對居住、文教區規定的限值(晝間65 dB)。

2.4 插入損失

4個測試斷面隧道結構、埋深、列車運行速度及扣件類型等條件基本一致。通過對比3個浮置板測試斷面相對于普通整體道床隧道壁振動分頻振級與Z振級的插入損失值(普通整體道床隧道壁振級與浮置板道床隧道壁振級的差值),可較準確地分析出浸水對浮置板減振效果的影響。分頻振級插入損失值如圖 13所示。

插入損失值的大小直接反映浮置板的減振效果的強弱。插入損失值越大,浮置板減振效果越強;插入損失值越小,則減振效果越弱。

由圖13可以看出:

(1) 3個浮置板測試斷面在16 Hz以內的插入損失值在0 dB附近波動。這說明浮置板在低頻段減振效果較弱。

圖13 浮置板測試斷面插入損失曲線

(2) 在16～200 Hz頻段,隨著浮置板浸水量的增加,插入損失值逐漸減小,說明浮置板減振效果在逐漸降低。兩側隔振器均浸水后,插入損失值在0 dB附近,鋼彈簧浮置板基本喪失減振效果。

(3) 狀態正常的浮置板在16 Hz以上頻段減振效果明顯,在中心頻率為50 Hz頻帶處減振效果最佳,達到22.7 dB。

狀態正常的浮置板測試斷面、一側隔振器浸水測試斷面和兩側隔振器浸水測試斷面隧道壁Z振級插入損失分別為:16.8 dB、9.8 dB和0.6 dB。可見，狀態正常的浮置板減振效果顯著,隨著浸水量的增加,浮置板減振效果逐漸減弱,直至基本喪失減振能力。

3 結論

(1) 狀態正常的浮置板對列車運行產生的振動衰減作用明顯。隨著浮置板浸水量的增加,板面振動逐漸減小,隧道壁振動逐漸增加,振動衰減量逐漸減小。

(2) 狀態正常的浮置板在16～200 Hz頻段減振效果明顯。隨著浮置板浸水量的增加,插入損失值逐漸減小。這說明浮置板減振效果在逐漸降低。兩側隔振器浸水后,插入損失值在0 dB附近,鋼彈簧浮置板基本喪失減振效果。

(3) 浸水現象嚴重影響浮置板減振效果。在浮置板的設計、施工及運營養護中,應做好排水工作,防止浮置板減振效果受到水的影響。

[1] 孫曉靜,劉維寧,張寶才.浮置板軌道結構在城市軌道交通減振降噪上的應用[J].中國安全科學學報,2005,15(8):65.

[2] 董霜,朱元清.地鐵振動環境及對建筑影響的研究概況[J].噪聲與振動控制,2003(2):1-4.

[3] 劉維寧,丁德云,李克飛,等.鋼彈簧浮置板軌道低頻特征實驗研究[J].土木工程學報,2011,44(8):118-125.

[4] LOMDAERT G,DEGRANDE G,VANHAUEERE B,et al.The control of ground-borne vibrations from railway traffic by means of continuous floating slabs[J].Journal of Sound and Vibration,2006,97(3):946-961.

[5] 王瀾,宣言,萬家,等.浮置板軌道結構隔振效果仿真研究[J].中國鐵道科學,2005,26(6):48-52.

[6] 丁德云,劉維寧,張寶才,等.浮置板軌道模態分析[J].鐵道學報,2008,30(3):61-64.

[7] KUO C M,HUANG C H,CHEN Y Y.Vibration characteristics of floating slab track[J].Journal of Sound and Vibration,2008,317(3):1017-1034.

[8] 丁德云,劉維寧,張寶才,等.特殊浮置板軌道隔振效果的三維數值研究[J].鐵道學報,2009,31(6):58-62.

[9] 李克飛,劉維寧,孫曉靜,等.北京地鐵5號線地下線減振措施現場測試與分析[J].鐵道學報,2011,33(4):112-118.

[10] HAL Amick.A frequency-dependent soil propagation mode[R].Presented at SPIE conference on Current Developments in Vibration Control for Optomechanical System Denver,Colorado,1999.

Test Analysis of the Damping Effect Impact on Steel Spring Floating Slab Track Soaked in Water

ZHANG Bin, WANG Jianli, WANG Jian, CHEN Gaofeng, LIU Yang

Through a test and analysis of train pass response on normal SSFST, one side soaked, two sides soaked and the general monolithic track bed respectively, the results show that as a special vibration control structure, SSFST has good damping effect. The damping effect of the general SSFST reaches 16.8dB (VLZ insertion loss of tunnel wall), but when the soaking water increases, the damping effect will decrease by 9.8dB (one side soaked) and 0.6dB (two sides soaked) respectively. The damping effect between 16Hz and 200Hz is obviously influenced by the soaked water, but the danmping effect under 16Hz is nearly not influenced.

metro; steel spring floating slab track (SSFST); general monolithic roadbed; water soaking test; damping effect

U 213.2+42

10.16037/j.1007-869x.2016.09.017

2015-05-04)