彈性長枕軌道振動傳遞特性試驗研究★

李 大 成

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

1 概述

為降低城市地鐵運營振動對環境振動敏感區域及建筑的影響，越來越多的減振軌道結構被應用于地鐵建設中[1]，如彈性減振扣件、克隆蛋扣件、Vanguard扣件、彈性支承塊軌道、橡膠及鋼彈簧浮置板等。國內外的專家學者對各種減振軌道結構均進行了深入的研究。

李克飛[2]在北京地鐵5號線通過測試研究了軌道減振器扣件的減振效果。Zhu[3]提出彈性支承塊軌道不僅減振效果良好，還有利于輪軌沖擊振動的吸收，有效延緩輪軌磨損。Eszter L[4]基于現場測試提出，鋼彈簧浮置板在10 Hz～100 Hz頻段內鋼彈簧浮置板軌道減振效果明顯，可降低振動約40 dB。Hussein[5,6]基于Euler-Bemoulli梁理論分析了浮置板軌道的力學特性。

國內外針對彈性長枕軌道結構的研究較少，伍曾、劉學毅等[7]利用車輛—軌道耦合及哈密頓原理，分析了扣件剛度、彈性墊剛度等參數指標對彈性長枕軌道動剛度的影響規律。趙磊、高亮[8]充分考慮軌枕實際尺寸及預應力配筋，研究了套靴硬化對彈性長軌枕的影響。曾向榮等[9]在通過在鋪設彈性長枕的段落開展落軸試驗，分析了減振效果。

針對彈性長枕軌道的研究多為理論研究。本文擬通過開展現場測試，同時結合理論分析，研究彈性長枕的振動特性及傳遞特性，并驗證彈性長枕的減振效果，為相關研究提供參考。

2 彈性長枕軌道結構

彈性長枕軌道是彈性支承塊軌道結構的優化設計。將彈性支撐塊的軌枕設計成長枕，軌排整體性、軌道的穩定性得以增強。長枕軌枕兩端由開啟式的“撮箕”型橡膠套靴包裹，在道床中央設置排水溝，既便于養護維修，又利于排出套靴內的積水，有利于提高服役性能。彈性長枕軌道結構示意如圖1所示。

彈性長枕以其便于施工、利于運維的技術特點，越來越多的應用于地鐵建設中，如北京地鐵機場線、上海地鐵7號線、9號線及15號線等。

3 測試設備及方法

振動傳遞測試多采用錘擊法進行。本文以振動傳遞函數作為指標，研究彈性長枕軌道的振動傳遞特性。本測試所需儀器如表1所示。

表1 振動傳遞測試所需設備

儀器用途數量分布式數據采集儀采集加速度、力等信號1力錘施加激勵信號1計算機數據采集、處理、分析1加速度傳感器鋼軌振動加速度采集1軌枕振動加速度采集1地面振動加速度采集6

傳遞函數是系統的固有屬性，反映系統或結構對振動的傳遞特性。傳遞函數幅值的大小與輸入、輸出信號強弱無關。

若系統的輸入和輸出分別為x(t),y(t)，則傳遞函數定義為輸出信號的傅立葉變換Sy(f)與輸入信號的傅立葉變換Sx(f)之比，也可利用輸出與輸入信號的互功率譜Pxy(f)與輸入的自功率譜Pxx(f)之比得到傳遞函數，其數學定義為[10]：

Hxy(f)=Sy(f)/Sx(f)=Pxy(f)/Pxx(f)。

4 單根彈性長枕振動傳遞測試

基于上述實驗方法，在室內組裝單根彈性長枕、扣件、鋼軌，振動傳遞函數測點布置如圖2所示，地面加速度傳感器每隔0.5 m布置一組。測試工況分為彈性長枕下鋪設、未鋪設彈性墊層兩種。測試時以力錘垂直激勵鋼軌，各測點的振動傳遞函數如圖3所示。

根據圖3可知，在距軌枕0.5 m處，未鋪設彈性墊層時傳遞函數峰值分布于200 Hz～250 Hz，最大0.002 79 m/s2/N，而鋪設彈性墊層時最大值6.12×10-4m/s2/N，對應頻率230 Hz，振動幅值明顯小于未鋪設墊層工況。距軌枕1.0 m,1.5 m位置處振動傳遞幅值較0.5 m位置均有減小，對應頻率均為172 Hz左右。由此說明，振動隨傳遞距離的增加逐漸衰減，對比可知，鋪設彈性墊層對降低振動效果明顯。

5 彈性長枕軌道振動傳遞現場測試

由于邊界條件一定程度上影響著結構的振動傳遞特性。彈性長枕軌道系統的邊界條件與單根軌枕不同，因此為研究軌道系統的振動傳遞，有必要開展現場測試實驗。本文選擇鋪設彈性長枕軌道的某地鐵隧道內開展測試，同時選擇相同條件下的普通整體道床路段進行對比測試，激振點及各測點布置如圖4所示，鋼軌、軌枕、道床及隧道壁的振動傳遞函數幅值如圖5所示。

由彈性長枕軌道及普通整體道床軌道的振動傳遞函數幅值對比可知：

1)由于普通整體道床與彈性長枕軌道兩種軌道型式鋪設的扣件的支撐剛度不同，因此鋼軌振動傳遞幅值方面，前者高于后者，傳遞函數幅值最大值分別為0.118 m/s2/N和0.070 m/s2/N。由圖5a)可知，前者鋼軌傳遞函數在2 500 Hz～3 000 Hz較寬頻段內的幅值較高，而后者幅值在2 500 Hz之后迅速降低，由此說明彈性長枕軌道在頻域上能夠更有效的抑制鋼軌振動。

2)由圖5b)可知，由于彈性長枕軌道為軌枕道床分離式結構，軌枕在荷載作用下可通過彈性墊層的振動而振動。而整體道床軌枕與道床整體澆筑，邊界限制更為嚴格。因此前者軌枕振動更大，最大值振動幅值為0.002 6 m/s2/N，而后者則為0.001 44 m/s2/N。

3)由圖5c)，圖5d)可知，二者道床與隧道壁振動傳遞函數分布頻率均在1 000 Hz以內，且后者道床的振動較高，前者道床的振動最大幅值為3.134×10-4m/s2/N，而后者8.474×10-4m/s2/N。隧道壁振動方面，前者2.891×10-5m/s2/N，后者9.532×10-5m/s2/N，進一步說明彈性長枕軌道具有良好的減振效果。

6 結語

本文基于室內及現場試驗，測試了彈性長枕軌道結構的振動傳遞特性，研究結論如下：

1)室內測試結果表明，振動幅值隨著距激振點距離的增加而逐漸降低，鋪設彈性墊層能夠有效降低振動傳遞。

2)現場測試對比了普通整體道床與彈性長枕軌道的振動傳遞。由于彈性長枕軌道軌枕與道床為分離式結構，因此相對于普通整體道床，彈性長枕軌道軌枕振動幅值較大。

3)根據軌道道床及隧道壁的振動幅值，對比發現，彈性長枕軌道的振動更低，說明鋪設彈性長枕可有效降低道床、隧道壁的振動，可應用于地鐵線路中具有相應減振需求的段落。