寧波軌道交通高架線路現(xiàn)場振動測試與分析

馮立力，許永富，尹鐵鋒，陳 濤，周俊宏

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寧波軌道交通高架線路現(xiàn)場振動測試與分析

馮立力，許永富，尹鐵鋒，陳 濤，周俊宏

（寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，寧波 315101）

通過對寧波軌道交通1號線一期工程高架線路進(jìn)行現(xiàn)場振動測試，分析普通整體道床、梯形軌枕、減振墊道床3種不同軌道結(jié)構(gòu)的振動傳遞規(guī)律和頻譜特性，評價梯形軌枕和減振墊道床的減振效果。結(jié)果表明，對于橋面振動，跨中橋面明顯大于梁端橋面；地面振動隨水平距離的增大而衰減，衰減頻段主要在20 Hz以上；梯形軌枕和減振墊道床對橋面、地面振動都有一定的減振效果，對梁端橋面的減振效果最明顯；兩種減振軌道對地面振動的減振效果相近。

城市軌道交通；高架線；梯形軌枕；減振墊道床；頻譜特性；減振效果

城市軌道交通因其運(yùn)量大、速度快、能耗低、占地省等特點(diǎn)，已成為大中城市居民出行的重要交通方式，有效解決了城市交通擁擠，最大化利用了城市土地資源。高架線路具有建設(shè)運(yùn)營成本低、建設(shè)速度快、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此被鼓勵發(fā)展并得到了大量應(yīng)用[1-2]。但隨著城市軌道交通線網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，以及人們生活質(zhì)量的逐步提升，軌道交通運(yùn)營產(chǎn)生的振動噪聲給沿線居民的生活帶來了許多不利的影響，這也成為了限制城市軌道交通（尤其是高架線路）發(fā)展的主要因素之一[3-5]。

軌道交通的振動是由運(yùn)行車輛對軌道的沖擊作用產(chǎn)生的，并通過結(jié)構(gòu)傳遞到周圍地層。橋梁結(jié)構(gòu)振動和地面振動是軌道交通高架線路引起環(huán)境振動問題的兩個重要原因。橋梁結(jié)構(gòu)振動會引起結(jié)構(gòu)噪聲，具有衰減速度慢、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，對高架沿線造成嚴(yán)重的噪聲污染；地面振動可能誘發(fā)鄰近建筑物的二次振動和噪聲，對建筑物的結(jié)構(gòu)安全和居民的日常生活產(chǎn)生巨大影響[6-9]。國際上已把振動列為七大環(huán)境公害之一[10]。

筆者通過對寧波軌道交通1號線一期工程高架線路現(xiàn)場振動測試，采集到實(shí)際運(yùn)營階段高架線橋面和地面的振動數(shù)據(jù)，分析普通整體道床、梯形軌枕、減振墊道床3種不同軌道結(jié)構(gòu)的振動傳遞規(guī)律和頻譜特性，評價梯形軌枕和減振墊道床的減振效果，以期為今后城市軌道交通高架線的軌道減振設(shè)計提供參考。

1 測試概況

1.1 測試儀器

本次振動測試采用的儀器設(shè)備主要有動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、振動傳感器、積分放大器、內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器、永磁傳感器等，具體如表1所示；其中，內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 振動測試主要儀器設(shè)備

表2 內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器技術(shù)參數(shù)

1.2 測試斷面

本次振動測試選取寧波軌道交通1號線一期工程高架線路作為測試段，分別對無聲屏障條件下的普通整體道床、梯形軌枕、減振墊道床3種不同軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比測試。

本次振動測試共選取了3個測試斷面，具體里程和地質(zhì)條件如表3所示。為保證對比測試的可靠性，測試斷面線路均為直線段無縫線路、60 kg/m鋼軌、WJ-2A扣件、無聲屏障、30 m雙線簡支箱梁、梁高1.8 m，相應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)里程均大于200 m，并且梁柱、支座和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)尺寸以及地面狀況等條件都基本相同。

表3 振動測試斷面位置和地質(zhì)條件

測試在實(shí)際運(yùn)營階段進(jìn)行，采用實(shí)際運(yùn)營的地鐵B型車，6輛編組，運(yùn)行最高速度為80 km/h，測試期間列車接近于空車。測試選取高架線路左線，列車通過各測試斷面的速度如表4所示。

1.3 測點(diǎn)布置

在3個測試斷面分別布置7個振動測點(diǎn)，每個斷面的測點(diǎn)布置位置和測試內(nèi)容如表5所示，測點(diǎn)布置如圖1所示。其中，測點(diǎn)1和測點(diǎn)2分別布置在跨中和梁端的橋面上，以測量橋面振動加速度；測點(diǎn)3～測點(diǎn)7分別布置在不同水平距離的地面上，以測量地面振動加速度。測試最終選取15趟列車通過時的振動測量數(shù)據(jù)的平均值作為分析依據(jù)。

表4 列車通過測試斷面速度

表5 振動測點(diǎn)位置和測試內(nèi)容

圖1 振動測點(diǎn)布置

2 測試結(jié)果及分析

2.1 各測點(diǎn)的振級

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則—城市軌道交通》（HJ 453—2008），城市軌道交通工程運(yùn)營期的振動環(huán)境評價指標(biāo)為列車通過時段的累積百分Z振級（VLz10）和最大Z振級（VLzmax）。因此，以VLz10和VLzmax作為3種軌道結(jié)構(gòu)的振動評價指標(biāo)。普通整體道床、梯形軌枕、減振墊道床的7個振動測點(diǎn)的VLz10和VLzmax如圖2所示。從圖2中可以看出，兩種Z振級指標(biāo)顯示的各測點(diǎn)振動規(guī)律基本一致，具體如下。

1）3種軌道結(jié)構(gòu)的跨中橋面（測點(diǎn)1）振動均大于梁端橋面（測點(diǎn)2）振動，這是由于梁體跨中比梁端受梁體振動模態(tài)的影響更大。其中，普通整體道床測點(diǎn)1比測點(diǎn)2的振動大2.6～3.1 dB；梯形軌枕測點(diǎn)1比測點(diǎn)2的振動大8.4～9 dB；減振墊道床測點(diǎn)1比測點(diǎn)2的振動大7.3 dB左右。

圖2 三種軌道結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)的振級

2）3種軌道結(jié)構(gòu)的振動從梁端橋面（測點(diǎn)2）傳遞至正對軌道中心線處地面（測點(diǎn)3）均有大幅度減小。其中，普通整體道床振動從測點(diǎn)2傳至測點(diǎn)3減小14.5～14.7 dB；梯形軌枕振動從測點(diǎn)2傳至測點(diǎn)3減小11.2～11.4 dB；減振墊道床振動從測點(diǎn)2傳至測點(diǎn)3減小10.9～11.1 dB。

3）隨著離軌道中心線的水平距離從0 m增大到60 m（測點(diǎn)3至測點(diǎn)7），地面振動逐漸減小，且3種軌道結(jié)構(gòu)的地面振動衰減趨勢大致相近。

4）對于跨中橋面振動（測點(diǎn)1），普通整體道床最大、梯形軌枕次之、減振墊道床最小，但3種軌道之間相差不大（都在2 dB以內(nèi)）。對于梁端橋面振動（測點(diǎn)2），普通整體道床最大、減振墊道床次之、梯形軌枕最小，其中梯形軌枕和減振墊道床之間相差不大（在1 dB以內(nèi)），普通整體道床比另外兩種軌道大6～7 dB。對于地面振動（測點(diǎn)3～測點(diǎn)7），梯形軌枕和減振墊道床之間相差不大（在1 dB以內(nèi)），普通整體道床比另外兩種軌道大1.5～3.5 dB。

2.2 振動頻譜特性

在頻域分析法中，1/3倍頻程譜是一種常用且有效的方法，其具有譜線少頻帶寬的特點(diǎn)[11]。繪制普通整體道床、梯形軌枕、減振墊道床的7個振動測點(diǎn)的1/3倍頻程譜圖如圖3所示。從圖3中可以看出，3種軌道結(jié)構(gòu)對應(yīng)測點(diǎn)的振動頻譜特性基本一致，具體如下。

圖3 3種軌道結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)的1/3倍頻程譜

1）跨中和梁端橋面（測點(diǎn)1和測點(diǎn)2）的振動能量主要集中在31.5 Hz以上頻率段。其中，跨中橋面（測點(diǎn)1）還在4～6.3 Hz附近出現(xiàn)峰值頻率段，這是由于對應(yīng)測試斷面的高架橋簡支梁的豎向自振頻率為4.8～5.0 Hz，跨中橋面在該頻率段內(nèi)發(fā)生共振。

2）振動從梁端橋面（測點(diǎn)2）傳遞至正對軌道中心線處地面（測點(diǎn)3），全頻率段的振級均有不同程度的減小。其中，2.5 Hz以下和63 Hz以上頻率段的振級減小最顯著，減小20 dB左右。

3）隨著離軌道中心線的水平距離從0增大到60 m（測點(diǎn)3～測點(diǎn)7），地面振級在20 Hz以下頻率段基本不變，在20 Hz以上頻率段衰減較為明顯。

2.3 兩種減振軌道結(jié)構(gòu)的減振效果評價

為了評價和比較梯形軌枕和減振墊道床的減振效果，分別繪制兩種減振軌道結(jié)構(gòu)7個振動測點(diǎn)的累積百分Z振級插入損失（DVLz10）和最大Z振級插入損失（DVLzmax），如圖4所示。插入損失值為相同測試條件下，普通整體道床和減振軌道對應(yīng)測點(diǎn)的振級之差。當(dāng)插入損失值為正值時，說明減振軌道在該測點(diǎn)處的減振效果優(yōu)于普通整體道床。從圖4中可以看出，兩種插入損失指標(biāo)顯示的各測點(diǎn)減振效果基本一致，具體如下。

圖4 兩種減振軌道結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)的插入損失

1）對于跨中橋面（測點(diǎn)1）的減振效果，梯形軌枕的插入損失值為0.6～1.1 dB，減振墊道床的插入損失值為1.4～1.8 dB。對于梁端橋面（測點(diǎn)2）的減振效果，梯形軌枕的插入損失值為6.4～7 dB，減振墊道床的插入損失值為6～6.1 dB。因此，兩種減振軌道結(jié)構(gòu)在梁端橋面處的減振效果都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于跨中橋面處。

2）對于正對軌道中心線處地面（測點(diǎn)3）的減振效果，梯形軌枕的插入損失值為3.3～3.5 dB，減振墊道床的插入損失值為2.4～2.5 dB。對于其他不同水平距離處地面（測點(diǎn)4～測點(diǎn)7）的減振效果，兩種減振軌道相差不多，插入損失值為1.5～2.5 dB。因此，兩種減振軌道結(jié)構(gòu)在正對軌道中心線處地面的減振效果要略微優(yōu)于距軌道中心線一定距離的其他地面測點(diǎn)，并且梁端橋面處的減振效果要明顯優(yōu)于對應(yīng)橋墩處各地面測點(diǎn)。

3）比較兩種減振軌道結(jié)構(gòu)的減振效果：在跨中橋面處，減振墊道床的減振效果較梯形軌枕略好；在梁端橋面處和正對軌道中心線處地面，梯形軌枕的減振效果較減振墊道床略好；其他距軌道中心線一定距離的地面處，兩種軌道的減振效果相近。

3 結(jié)論

本文通過寧波軌道交通1號線一期工程高架線路振動測試研究，分析了普通整體道床、梯形軌枕、減振墊道床的橋面、地面振動的傳遞規(guī)律和頻譜特性，比較了梯形軌枕和減振墊道床的減振效果。基于以上內(nèi)容，本文得到以下結(jié)論。

1）3種軌道結(jié)構(gòu)的橋面振動，跨中橋面都要大于梁端橋面；并且橋面振動的能量主要集中在31.5 Hz以上的頻率段。

2）振動從梁端橋面?zhèn)鬟f至橋墩處地面的衰減明顯，振級衰減值超過10 dB；并且振動在2.5 Hz以下和63 Hz以上頻率段衰減最為顯著，達(dá)到20 dB左右。

3）地面振動隨著距軌道中心線水平距離的增大而逐漸減小，主要表現(xiàn)在20 Hz以上的頻率段振動衰減較為明顯，而20 Hz以下的頻率段振動變化較小。

4）梯形軌枕和減振墊道床對橋面和地面振動都有一定的減振效果。其中，對梁端橋面的減振效果最好，達(dá)到6～7 dB，對地面的減振效果達(dá)到1.5～3.5 dB。

5）在跨中橋面處，減振墊道床的減振效果略好；在梁端橋面處和正對軌道中心線處地面，梯形軌枕的減振效果略好；其他距軌道中心線一定距離的地面處，兩種軌道的減振效果相近。

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（編輯：郝京紅）

Vibration Test and Analysis in the Ningbo Urban Rail Transit Viaduct

FENG Lili, XU Yongfu, YIN Tiefeng, CHEN Tao, ZHOU Junhong

(Ningbo Rail Transit Group Co., Ltd., Ningbo 315101)

A field vibration test was performed in the viaduct of the Ningbo Line 1 first phase. According to the test data, the vibration transfer law and frequency spectrum characteristics of three different tracks, which are general monolithic roadbed track, ladder sleeper track, and damping pad roadbed track, were analyzed. The damping effect of the ladder sleeper track and damping pad roadbed track were also evaluated. The test result shows that the vibration of the mid-span bridge deck is obviously larger than that of the beam-end bridge deck. The ground vibration attenuates with increasing horizontal distance. The attenuation spectrum is mainly greater than 20 Hz. Good damping effects for both the ladder sleeper track and damping pad roadbed track were observed for vibration of the bridge deck and ground and are especially remarkable at the beam-end bridge deck. Close damping effects were observed for these two damping tracks for ground vibration.

urban rail transit; viaduct; ladder sleeper; damping pad roadbed; frequency spectrum characteristics; damping effect

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.018

U233

A

1672-6073(2018)04-0092-06

2017-09-11

2017-10-23

馮立力，男，碩士，工程師，主要從事城市軌道交通減振降噪研究工作，feng9131@qq.com