聚氨酯減振墊與橡膠減振墊浮置板軌道振動控制效果分析

何鑒辭,王 平,唐 劍,趙才友,易 強

(1.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

隨著城市化的進程日益加快，城市軌道交通得到了迅猛的發展，列車行駛過程中會產生振動，由此會對城市建筑物產生不利影響，建筑物振動產生的二次噪聲又會給城市居民造成困擾。因此，在工程實踐中，如何將城市軌道交通的振動減小到環境影響允許范圍之內就成了很重要的任務[1-2]。

在地鐵結構中，鋪設浮置板是一種十分有效的減振措施，由于浮置板軌道具有良好的減振降噪性能，目前世界上有很多城市的地鐵線路都使用了浮置板[3]這種軌道形式。橡膠減振墊[4-5]，因其制作工藝簡單，又能滿足一定的減振需求，所以在國內具有較高減振要求的地段使用最為普遍，但隨著使用時間的增加，橡膠易老化，維護更換周期短、使用壽命周期成本高，不可壓縮變形等缺點顯現了出來；而國內外研究表明[6]，聚氨酯減振墊具有耐腐蝕性、韌性強度高、彈性性能好、減振性能及耐久性能好的特性，能夠彌補橡膠材料性能的不足，故聚氨酯減振墊浮置板軌道越來越被關注。

聚氨酯減振墊技術目前已經被應用在歐洲大部分軌道交通線路上，國內僅有少部分高鐵線路有使用。國內的一些學者也注意到了這項技術的前景，開始做了一些初步探索。

重慶軌道交通會展支線軌道工程中首次引進了奧地利聚氨酯減振墊浮置板減振技術；中國的張波等人對聚氨酯減振墊軌道道床的施工工藝進行了探討總結[7]；柯在田等人對聚氨酯固化道床技術進行了研究[8]，得出聚氨酯固化道床具備有砟軌道的彈性和減振降噪性能、無砟軌道的整體性和穩定性；但是，國內對于聚氨酯減振墊在城市軌道地下線路中的應用與研究都非常少，因此，對聚氨酯減振墊軌道的減振效果進行實測研究很有必要。

本文依托深圳地鐵7號線項目，主要測試研究聚氨酯減振墊軌道和橡膠減振墊軌道的振動特性以及減振效果。通過對運行速度為60 km/h的地鐵B型車通過減振墊軌道和普通道床軌道的垂向振動加速度進行現場測試，分析兩種減振軌道對軌道板和隧道壁振動及其頻譜特性的影響，最后對兩種浮置板軌道的減振效果進行對比分析[9～11]，以期為城市軌道交通軌道減振設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 斷面選擇與測點布置

結合深圳地鐵7號線的具體情況，選擇3個測試斷面，分別為普通道床軌道、橡膠減振墊軌道和聚氨酯減振墊軌道，3個斷面地質情況類似，且均為直線段矩形隧道，選擇測試斷面位于道床板中部。

根據《浮置板軌道技術規范》(CJJ/T191—2012)要求，傳感器布置情況如下：在軌道板橫向端部布置1個垂向加速度傳感器，在距離軌面1.25 m隧道壁上布置1個垂向加速度傳感器，在鋼軌軌底處布置1個垂向位移傳感器，由于3個典型斷面的傳感器布置方式一致，所以僅繪出橡膠浮置板軌道測點布置示意[12]。

隧道區段橡膠減振墊浮置板軌道測點布置見圖1。

(注：○為鋼軌垂向位移測點；△為軌道板垂向加速度測點；□為隧道壁鉛垂向加速度測點)圖1 橡膠減振墊浮置板軌道測點布置(單位：m)

1.2 測試內容

直接測量指標有鋼軌垂向動態位移、軌道板和隧道壁的鉛垂振動加速度。

1.3 測試儀器

本次試驗主要采用的儀器有北京東方所網絡式智能采集儀、德國imc動態數據采集儀、ICP加速度傳感器、激光位移傳感器等。

2 評價標準及數據處理方法

通過對有著較好效果的實驗數據經傅里葉積分變換進行隨機信號分析得到振動加速度頻譜[13]，然后通過1/3倍頻程譜分別對軌道板的振動加速度級與隧道壁的鉛錘Z振級進行頻域分析[14]。

具體計算公式如下。

(1)振動加速度級VAL

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

式中VAL——振動加速度級，dB；

arms——動加速度有效值，m/s2；

a0——基準加速度，取1×10-6m/s2；

(2)Z振級VLz

按IS02631-1-1997規定的全身鉛垂方向振動不同頻率計權因子修正后得到的振動加速度級，記為Z，單位dB。計算方法與式(1)完全相同，公式中加速度取鉛垂方向的修正值。

(2)

(3)

式中T——振動測量的平均時間，S；

aw——經過頻率記權的加速度，m/s2。

(3)最大Z振級VLzmax

在規定的測試時間T內或對某獨立振動事件，測得的Z振級最大值，記為VLzmax，dB。

3 測試結果與分析

3.1 時域分析

現場測試中，對通過各測試斷面20趟列車的加速度時程進行記錄。并選出10組效果較好的數據進行分析。為了避免采集數據中其他振動的干擾，數據處理前均采用了濾波處理。限于篇幅，本文僅給出各測試斷面上的典型加速度時程。如圖2～圖4和表1所示。

圖2 普通道床軌道測試斷面典型加速度時程

圖3 聚氨酯減振墊浮置板軌道測試斷面典型加速度時程

圖4 橡膠減振墊浮置板軌道測試斷面典型加速度時程

表1 最大加速度值 m/s2

對比各測點的振動加速度時程，可以得到以下結論。

(1)普通道床軌道板的振動加速度幅值為2 m/s2左右，而聚氨酯減振墊軌道和橡膠減振墊軌道的浮置板的振動加速度幅值分別為15 m/s2和30 m/s2，這是由于減振墊剛度比較小，造成了浮置板的振動較為劇烈，同時可以發現，聚氨酯浮置板相比橡膠浮置板，振動加速度幅值明顯更小。

(2)聚氨酯減振墊軌道隧道壁的振動加速度幅值最小，約為0.034 m/s2，而橡膠減振墊軌道和普通道床軌道隧道壁的振動加速度幅值分別為0.1 m/s2和0.25 m/s2，說明聚氨酯減振墊相比橡膠減振墊和普通道床，對列車運行產生的振動有較好的衰減作用。

3.2 總振級與頻域分析

3.2.1 軌道板對比分析

(1)總振級對比

列車正常運行速度60 km/h左右通過時，普通道床軌道板與兩種減振墊軌道板的總振級見表2，通過分析可知，兩種減振軌道相比普通道床軌道板總振級都放大了17 dB。

表2 軌道板總振級

(2)1/3倍頻程頻譜對比

通過實測數據得到1～1 000 Hz范圍內兩種減振墊軌道與普通道床軌道的軌道板振動加速度級，分別繪制1/3倍頻程譜圖，如圖5所示。

圖5 軌道板加速度級對比

已有研究表明[15]，將浮置板軌道作為減振措施時會增大軌道板的自振頻率，軌道板低頻部分放大尤其明顯，而人體對0～200 Hz范圍內的頻率較為敏感，因此這種放大現象對減振效果有不利的影響。對比以上兩圖的頻譜特性可以看出，在1～20 Hz范圍內，聚氨酯減振墊軌道相比橡膠減振墊軌道，軌道板的加速度振級放大值要小，這是由于它們的支撐方式和減振墊材料差異所致；而頻率在20～200 Hz時，聚氨酯減振墊軌道板的振級放大值要略大于橡膠減振墊軌道板的放大值；當頻率增加至500～1 000 Hz時，兩種減振墊軌道板的放大幅值都越來越小，而且趨于一致。

3.2.2 隧道壁對比分析

(1)總振級級對比

列車正常運行速度60 km/h左右通過時，普通道床軌道與兩種減振墊軌道隧道壁的總振級見表3。由表3可知，相比普通道床軌道，聚氨酯減振墊軌道隧道壁總振級減少15 dB，而橡膠減振墊軌道隧道壁總振級減少12 dB，所以聚氨酯減振墊軌道相比橡膠減振墊軌道有更好的減振效果。

表3 隧道壁Z振級 dB

(2)1/3頻程頻譜對比

分別繪制1～200 Hz范圍內，兩種減振墊軌道與普通道床軌道的鉛錘Z計權1/3倍程譜圖如圖6所示。

圖6 隧道壁Z振級對比

對比以上兩種減振措施的頻譜特性可知，橡膠減振墊軌道隧道壁中心頻率為63 Hz，VLzmax為56 dB，聚氨酯減振墊軌道隧道壁中心頻率為80 Hz，VLzmax為54 dB，普通道床軌道隧道壁中心頻率為63 Hz，VLzmax為70 dB，兩種減振墊浮置板主頻振級減少分別為14 dB和16 dB，聚氨酯浮置板主頻峰值減少更明顯。

在10 Hz處，兩種減振墊軌道都出現了一個峰值，已有研究表明[16]，聚氨酯與橡膠減振墊浮置板軌道結構的固有頻率都在10 Hz左右，因此可以推知此頻率處可能發生了共振，其中橡膠減振墊軌道的峰值更為明顯，而聚氨酯浮置板的峰值更小。這是由于聚氨酯與橡膠減振墊的支撐方式和材料的彈性模量差異造成的，峰值處兩種減振軌道隧道壁的振級增大幅值分別為1 dB和5 dB。總的來看，相比橡膠減振墊，聚氨酯減振墊可以在一定程度上減少低頻放大的不利影響，但依舊不能完全消除。

當頻率在0～40 Hz時，兩種減振墊浮置板軌道都沒有減振效果，振級甚至還有所放大；而在50～100 Hz時，兩種減振軌道都有很明顯的減振效果；當頻率高于100 Hz時，聚氨酯減振墊軌道相比橡膠減振墊軌道，減振效果更加明顯，這說明聚氨酯減振墊在100～200 Hz的頻段內減振效果更好。

4 結論

通過對深圳某地鐵線路橡膠減振墊浮置板軌道、聚氨酯減振墊浮置板軌道和普通道床軌道3種工況進行測試，對軌道板的振動加速度級與隧道壁的Z振級進行了分析，得到以下結論。

(1)兩種減振墊浮置板軌道在10 Hz處發生共振，在此頻率附近振級都會有一定程度增大，但相比橡膠減振墊軌道，聚氨酯減振墊軌道受共振影響更小。這是由聚氨酯減振墊軌道的支撐方式和其材料固有屬性綜合影響造成的，但各影響因素的大小有待繼續研究。

(2)兩種減振軌道在40 Hz內的較低頻率范圍內都沒有減振效果；但當頻率高于40 Hz時，兩種減振軌道都有很明顯的減振效果，在超過100 Hz的部分，相比于橡膠減振墊軌道，聚氨酯減振墊軌道的減振效果明顯更好，這表明聚氨酯減振墊軌道的減振頻域更寬。

(3)總的來看，聚氨酯減振墊軌道相比橡膠減振墊軌道減振效果更好，如果需要更高頻率的減振效果時，建議采用聚氨酯減振墊軌道。

(4)雖然聚氨酯減振墊軌道低頻處的放大不如橡膠減振墊軌道明顯，但依然沒有克服浮置板軌道低頻放大的通病。

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