彈性長(zhǎng)枕軌道振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)研究★

李 大 成

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

為降低城市地鐵運(yùn)營(yíng)振動(dòng)對(duì)環(huán)境振動(dòng)敏感區(qū)域及建筑的影響，越來(lái)越多的減振軌道結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于地鐵建設(shè)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(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)各種減振軌道結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了深入的研究。

李克飛[2]在北京地鐵5號(hào)線通過測(cè)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(dòng)的吸收，有效延緩輪軌磨損。Eszter L[4]基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試提出，鋼彈簧浮置板在10 Hz～100 Hz頻段內(nèi)鋼彈簧浮置板軌道減振效果明顯，可降低振動(dòng)約40 dB。Hussein[5,6]基于Euler-Bemoulli梁理論分析了浮置板軌道的力學(xué)特性。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)的研究較少，伍曾、劉學(xué)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(shù)指標(biāo)對(duì)彈性長(zhǎng)枕軌道動(dòng)剛度的影響規(guī)律。趙磊、高亮[8]充分考慮軌枕實(shí)際尺寸及預(yù)應(yīng)力配筋，研究了套靴硬化對(duì)彈性長(zhǎng)軌枕的影響。曾向榮等[9]在通過在鋪設(shè)彈性長(zhǎng)枕的段落開展落軸試驗(yàn)，分析了減振效果。

針對(duì)彈性長(zhǎng)枕軌道的研究多為理論研究。本文擬通過開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，同時(shí)結(jié)合理論分析，研究彈性長(zhǎng)枕的振動(dòng)特性及傳遞特性，并驗(yàn)證彈性長(zhǎng)枕的減振效果，為相關(guān)研究提供參考。

2 彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)

彈性長(zhǎng)枕軌道是彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。將彈性支撐塊的軌枕設(shè)計(jì)成長(zhǎng)枕，軌排整體性、軌道的穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。長(zhǎng)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(shè)置排水溝，既便于養(yǎng)護(hù)維修，又利于排出套靴內(nèi)的積水，有利于提高服役性能。彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

彈性長(zhǎng)枕以其便于施工、利于運(yùn)維的技術(shù)特點(diǎn)，越來(lái)越多的應(yīng)用于地鐵建設(shè)中，如北京地鐵機(jī)場(chǎng)線、上海地鐵7號(hào)線、9號(hào)線及15號(hào)線等。

3 測(cè)試設(shè)備及方法

振動(dòng)傳遞測(cè)試多采用錘擊法進(jìn)行。本文以振動(dòng)傳遞函數(shù)作為指標(biāo)，研究彈性長(zhǎng)枕軌道的振動(dòng)傳遞特性。本測(cè)試所需儀器如表1所示。

表1 振動(dòng)傳遞測(cè)試所需設(shè)備

儀器用途數(shù)量分布式數(shù)據(jù)采集儀采集加速度、力等信號(hào)1力錘施加激勵(lì)信號(hào)1計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理、分析1加速度傳感器鋼軌振動(dòng)加速度采集1軌枕振動(dòng)加速度采集1地面振動(dòng)加速度采集6

傳遞函數(shù)是系統(tǒng)的固有屬性，反映系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的傳遞特性。傳遞函數(shù)幅值的大小與輸入、輸出信號(hào)強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。

若系統(tǒng)的輸入和輸出分別為x(t),y(t)，則傳遞函數(shù)定義為輸出信號(hào)的傅立葉變換Sy(f)與輸入信號(hào)的傅立葉變換Sx(f)之比，也可利用輸出與輸入信號(hào)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(shù)，其數(shù)學(xué)定義為[10]：

Hxy(f)=Sy(f)/Sx(f)=Pxy(f)/Pxx(f)。

4 單根彈性長(zhǎng)枕振動(dòng)傳遞測(cè)試

基于上述實(shí)驗(yàn)方法，在室內(nèi)組裝單根彈性長(zhǎng)枕、扣件、鋼軌，振動(dòng)傳遞函數(shù)測(cè)點(diǎn)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(cè)試工況分為彈性長(zhǎng)枕下鋪設(shè)、未鋪設(shè)彈性墊層兩種。測(cè)試時(shí)以力錘垂直激勵(lì)鋼軌，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)傳遞函數(shù)如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，在距軌枕0.5 m處，未鋪設(shè)彈性墊層時(shí)傳遞函數(shù)峰值分布于200 Hz～250 Hz，最大0.002 79 m/s2/N，而鋪設(shè)彈性墊層時(shí)最大值6.12×10-4m/s2/N，對(duì)應(yīng)頻率230 Hz，振動(dòng)幅值明顯小于未鋪設(shè)墊層工況。距軌枕1.0 m,1.5 m位置處振動(dòng)傳遞幅值較0.5 m位置均有減小，對(duì)應(yīng)頻率均為172 Hz左右。由此說(shuō)明，振動(dòng)隨傳遞距離的增加逐漸衰減，對(duì)比可知，鋪設(shè)彈性墊層對(duì)降低振動(dòng)效果明顯。

5 彈性長(zhǎng)枕軌道振動(dòng)傳遞現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

由于邊界條件一定程度上影響著結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性。彈性長(zhǎng)枕軌道系統(tǒng)的邊界條件與單根軌枕不同，因此為研究軌道系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞，有必要開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。本文選擇鋪設(shè)彈性長(zhǎng)枕軌道的某地鐵隧道內(nèi)開展測(cè)試，同時(shí)選擇相同條件下的普通整體道床路段進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，激振點(diǎn)及各測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，鋼軌、軌枕、道床及隧道壁的振動(dòng)傳遞函數(shù)幅值如圖5所示。

由彈性長(zhǎng)枕軌道及普通整體道床軌道的振動(dòng)傳遞函數(shù)幅值對(duì)比可知：

1)由于普通整體道床與彈性長(zhǎng)枕軌道兩種軌道型式鋪設(shè)的扣件的支撐剛度不同，因此鋼軌振動(dòng)傳遞幅值方面，前者高于后者，傳遞函數(shù)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(shù)在2 500 Hz～3 000 Hz較寬頻段內(nèi)的幅值較高，而后者幅值在2 500 Hz之后迅速降低，由此說(shuō)明彈性長(zhǎng)枕軌道在頻域上能夠更有效的抑制鋼軌振動(dòng)。

2)由圖5b)可知，由于彈性長(zhǎng)枕軌道為軌枕道床分離式結(jié)構(gòu)，軌枕在荷載作用下可通過彈性墊層的振動(dòng)而振動(dòng)。而整體道床軌枕與道床整體澆筑，邊界限制更為嚴(yán)格。因此前者軌枕振動(dòng)更大，最大值振動(dòng)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(dòng)傳遞函數(shù)分布頻率均在1 000 Hz以內(nèi)，且后者道床的振動(dòng)較高，前者道床的振動(dòng)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(dòng)方面，前者2.891×10-5m/s2/N，后者9.532×10-5m/s2/N，進(jìn)一步說(shuō)明彈性長(zhǎng)枕軌道具有良好的減振效果。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試了彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性，研究結(jié)論如下：

1)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明，振動(dòng)幅值隨著距激振點(diǎn)距離的增加而逐漸降低，鋪設(shè)彈性墊層能夠有效降低振動(dòng)傳遞。

2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比了普通整體道床與彈性長(zhǎng)枕軌道的振動(dòng)傳遞。由于彈性長(zhǎng)枕軌道軌枕與道床為分離式結(jié)構(gòu)，因此相對(duì)于普通整體道床，彈性長(zhǎng)枕軌道軌枕振動(dòng)幅值較大。

3)根據(jù)軌道道床及隧道壁的振動(dòng)幅值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，彈性長(zhǎng)枕軌道的振動(dòng)更低，說(shuō)明鋪設(shè)彈性長(zhǎng)枕可有效降低道床、隧道壁的振動(dòng)，可應(yīng)用于地鐵線路中具有相應(yīng)減振需求的段落。