軌道-箱梁結構振動傳遞的模型試驗研究

歐開寬　羅錕　雷曉燕

摘要： 以京滬高鐵常用的32 m無砟軌道箱梁結構為原型進行了模型試驗，其中模型為軌道?箱梁結構。根據1/10的幾何相似比，介紹了試驗模型各結構的設計與制作過程，荷載激勵由激振器施加。試驗結果表明：軌道板振動在500?1024 Hz頻段內衰減緩慢，底座板和頂板振動在0?1024 Hz頻段內衰減較快;振動由頂板傳遞至翼緣板的過程中衰減最小，腹板其次，振動由頂板傳遞至底板的過程中衰減最大;腹板和底板振動在0?1024 Hz頻段內中高頻段衰減快。在0?1024 Hz頻段內，軌道板振動沿縱向衰減很小;在670?1024 Hz頻段內，底座板振動在跨中至四分之一截面的范圍內衰減很大，在四分之一至端部截面的范圍內衰減較小。在700?1024 Hz頻段內，翼緣板振動在跨中至四分之一截面的范圍內衰減較大，在四分之一至端部截面的范圍內衰減較小。支座剛度值對軌道?箱梁跨中結構振動有一定影響，但影響很小。支座剛度值對隔振有一定影響，具體影響與分析頻段有關。

關鍵詞： 軌道?箱梁; 模型試驗; 振動響應; 支座; 隔振

中圖分類號： U441; U213.2??? 文獻標志碼： A?? ?文章編號： 1004-4523（2021）01-0072-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.01.008

引? 言

由于城市高架橋梁的大規模的應用，混凝土橋梁引起的結構振動噪聲問題越來越嚴重。混凝土橋梁結構振動會產生橋梁結構噪聲。橋梁結構噪聲頻率低、衰減慢，長期處于此環境中對人體健康有極大危害^[1?2]。橋梁振動是橋梁噪聲之源，因此，對橋梁結構的振動傳遞特性進行研究，找尋橋梁結構的減振降噪措施，具有重要的現實意義。列車荷載在高架橋梁結構上運行時，產生的橋梁結構振動沿著軌道、橋梁及路基等進行傳遞，振動較大時，會對各結構造成破壞，危害列車行車安全。國內外眾多學者通過仿真和現場實測等手段對橋梁車致振動做了大量的研究，得到了很多可靠的結論。文獻[3]通過現場錘擊試驗，驗證了模型結構的可靠性，并研究了高速鐵路32 m簡支箱梁振動傳遞特性。文獻[4]通過在軌道交通高架橋梁現場試驗，研究了混凝土箱梁中高頻振動傳遞特性。文獻[5]通過在高架橋梁現場試驗，研究了高架橋梁軌道結構減振性能。文獻[6]通過對高速列車作用下槽型梁進行動力試驗，研究結果對于橋梁行車設計，保證列車動力作用下橋梁及行車安全，具有實際的意義。文獻[7]通過現場試驗，對曲線梁橋振動響應進行了研究，研究結果對列車過橋具有一定的指導意義。學者們不僅通過現場測試，還通過模型試驗等方法進行分析研究。文獻[8]基于箱梁模型，對鐵路混凝土箱梁的結構性能及破壞狀態進行了研究。文獻[9]建立了風洞模型試驗，研究了結構參數對大跨度懸索橋吊索等的振動影響。文獻[10]利用大型振動平臺，通過模型試驗，研究了隧道軟巖洞口段減震的措施。

目前，國內外學者在鐵路橋梁結構振動噪聲的研究中，采用混凝土箱梁相似模型研究箱梁結構振動噪聲問題的相對較少，通過模型試驗研究的也相對較少。本文基于京滬高鐵常用的32 m無砟軌道箱梁結構，對無砟軌道箱梁結構進行了模型試驗。介紹了模型試驗中的箱梁、底座板及軌道板等的設計與制作過程，通過量綱分析法推導了模型結構與原型結構之間的相似關系，并以激振器施加的簡諧荷載為激勵，研究了模型結構在荷載作用下的振動傳遞規律及支座對振動的影響。通過軌道?箱梁模型試驗，研究結果可為反演至箱梁原型結構究提供一定依據，所采用的方法對橋梁結構振動與聲輻射實驗研究具有一定參考作用。

1 原型結構

原型結構為京滬高鐵常用的32 m無砟軌道箱梁結構，由梁體、底座板、CA砂漿層、軌道板等組成。其中，箱梁體為預應力混凝土結構，全長32 m，計算跨徑31.40 m，頂板寬12.00 m，底板寬5.5 m，梁高3 m，采用C50混凝土澆筑，上部結構為CRTS?II型雙線板式無砟軌道結構。

2 模型結構

完整的模型結構為無砟軌道箱梁系統，按照1/10的幾何尺寸制作的縮尺模型結構。為了研究振動從軌道板向箱梁體的豎向傳遞規律，文中的模型結構為軌道?箱梁結構，即軌道板?CA砂漿層?底座板?箱梁結構，從下到上依次為梁體、底座板、CA砂漿層及軌道板，不含有鋼軌。為進行不同工況研究，先安裝一側軌道板結構，進行相應試驗后，再安裝另一側結構。軌道?箱梁結構如圖1所示，幾何尺寸如圖2所示。

2.1 模型設計及制作

2.1.1 箱梁

箱梁原型結構為單孔雙線鋼筋混凝土簡支箱梁。模型結構按照幾何相似比1/10進行設計，采用自密實混凝土和鋼絲等材料現場制作，使用性能相似的4 mm鋼絲代替受力鋼筋，使用2 mm鋼絲代替箍筋，經驗證，其強度能夠滿足本試驗要求。待養護28天后，測得梁體密度為2203 kg/m³、彈性模量為30 GPa。模型箱梁和橋墩之間通過彈性支座連接，支座剛度為2.8×10⁸N/m。箱梁模型如圖3所示。

2.1.2 底座板

根據模型設計，混凝土底座板寬度為295 mm，厚為30 mm，兩條底座板的中心相距500 mm。為保證底座板的強度、完整性及與原型能夠相似，在底座板內布置一定數量的鋼筋網結構。鋼筋網結構中主筋為2 mm細鋼筋，鋼筋網用扎絲扎勞。經驗證，其強度能夠滿足試驗要求。養護后測得底座板密度為2149 kg/m³、彈性模量為32.7 GPa。底座板結構如圖4所示。

2.1.3 橡膠板層

在原型結構中，底座板與軌道板之間為CA砂漿層。在模型設計中，用橡膠板代替原型結構中的CA砂漿層，數值仿真計算時，使用彈簧單元進行模擬。橡膠板層厚度為10 mm，底座板與軌道板之間為橡膠板，通過阻尼膏粘結。經測定，密度為1550 kg/m³，剛度為3.5×10⁷N/m，彈性模量為3.6 GPa，橡膠板層如圖5所示。

2.1.4 軌道板

軌道板單獨預制，安裝時只需將預制好的軌道板粘結在橡膠板層上。由于制作工藝的限制，軌道板上凸臺設計為長方體凸臺。根據模型設計，軌道板模型長為645 mm，寬為255 mm，厚為30 mm，兩條軌道板的中心相距500 mm。軌道板內布置縱向直徑為2 mm、橫向直徑為2 mm的鋼筋片網結構，為確保凸臺與軌道板完整性，在凸臺部分設計了一部分彎起鋼筋。經過驗算，鋼筋網的強度滿足試驗要求。養護后測得軌道板密度為2253 kg/m³、彈性模量為28.8 GPa。軌道板模型如圖6所示。

2.2 相似關系的確定

2.3 模型試驗

在軌道?箱梁模型試驗中，荷載激勵由激振器施加在軌道結構上，分別在模型結構各觀測點布置振動傳感器采集振動響應。

測試設備：西門子公司的LMS振動、噪聲數據采集與分析系統（SC05數據采集系統，A/D24位;LMS TEST.Lab分析系統，包括MIMO FRF Testing模塊等）、PCB三向加速度傳感器及力傳感器、激振器及連桿、筆記本電腦，如圖7所示。

測點布置：激勵點位于結構跨中截面、軌道板外側凸臺位置，觀測點位于軌道板、底座板及箱梁典型位置處。激勵點及測點的位置如圖8所示，其中，測點1為軌道板處，測點2為底座板處，測點3為頂板處，測點4為翼緣板處，測點5為腹板處，測點6為底板處，測試過程如圖9所示。

3 振動傳遞特性分析

模型試驗中，研究振動在軌道?箱梁結構中豎向傳遞規律時，以跨中截面為分析對象。研究振動沿縱向傳遞規律時，對跨中截面、四分之一截面及橋梁端部截面比較有代表性的軌道板、底座板及翼緣板處分析。軌道?箱梁結構跨中截面各位置測點加速度導納曲線如圖10所示。各板件不同截面位置處的加速度導納曲線如圖11所示。

3.1 豎向傳遞特性

由圖10可以看出：軌道板處靠近激勵點，振動在沿著橋梁的軌道板、底座板、頂板等上部結構傳遞過程中，軌道板處加速度導納最大，底座板處次之，頂板處導納最小，在500?1024 Hz頻率范圍內，軌道板處加速度導納較大，表明軌道板處的振動衰減緩慢，在0?1024 Hz頻率范圍內，底座板處及頂板處加速度導納較小，表明底座板處與頂板處的振動衰減較快;對比翼緣板、腹板、底板處的加速度導納，發現翼緣板處的加速度導納最大，腹板次之，底板處加速度導納最小，表明振動由頂板傳遞至翼緣板的過程中衰減最小，腹板其次，振動由頂板傳遞至底板的過程中衰減最大;在700 Hz之后的頻率范圍，腹板處加速度導納很小，表明腹板處的振動在此頻率范圍內衰減快;底板處加速度導納在500 Hz之后的頻率范圍內變化不大，且幅值較小，表明底板處的振動在0?1024 Hz頻段內的中高頻段衰減快。

3.2 縱向傳遞特性

由圖11（a）可知，各截面軌道板處的加速度導納幅值很接近，且隨著頻率的增加而增加，表明軌道板振動在測試頻段范圍內沿縱向衰減很小;在640 及830 Hz，各截面都存在較大峰值，且端部截面峰值最大，可能是支座造成的影響。由圖11（b）可知，在670?1024 Hz頻率范圍內，跨中截面的加速度導納很大，四分之一截面及端部截面加速度導納較小，表明跨中至四分之一截面底座板處的振動沿縱向衰減很大，四分之一截面至端部截面底座板處的振動沿縱向衰減較小。由圖11（c）可知，在0?660 Hz頻率范圍內，各截面翼緣板處的加速度導納幅值很接近，表明振動在測試頻段此范圍內沿縱向衰減很小;在700?1024 Hz頻率范圍內，跨中截面的加速度導納較大，四分之一截面及端部截面加速度導納較小，表明跨中至四分之一截面翼緣板處的振動沿縱向衰減較大，四分之一截面至端部截面翼緣板處的振動沿縱向衰減較小。

4 支座剛度對振動影響

研究支座剛度值對軌道?箱梁結構振動的影響時，利用A，B及C三種型號的彈性支座進行試驗研究。將三種型號的彈性支座依次置于箱梁底部支座位置處，分別采集各型號支座條件下振動響應。三種型號支座如圖12所示。其中，A型支座剛度值最大、B型支座剛度值次之、C型支座剛度值最小，剛度值如表2所示。

4.1 支座剛度的影響

研究支座剛度值對模型結構振動的影響時，以跨中截面為分析對象，三種型號支座條件下跨中截面各測點的加速度導納如圖13所示。

由圖13可以看出，三種型號支座條件下軌道板、底座板、頂板、翼緣板及底板處測點的加速度導納幾乎重合，僅在對應頻率處的峰值有所不同。對于腹板處加速度導納稍有不同：在320 Hz及460 Hz存在不同的峰值，在840?1024 Hz范圍，振動幅值稍有差別，如圖13（e）所示。因此，支座剛度值對軌道?箱梁結構跨中截面各測點的振動有一定影響，但影響很小。

4.2 支座隔振效果

研究支座的隔振效果時，在墩頂靠近支座附近布置加速度傳感器，采集該位置處的振動。選取靠近支座附近的墩頂測點進行分析。加速度傳感器位置如圖14所示。不同支座條件下測得加速度導納對比如圖15所示。

從圖15可以看出，支座剛度值大小對彈性支座的隔振效果有一定影響，但并未呈現出絕對的規律。三種支座條件下，在0?150 Hz及680?740 Hz范圍內，墩頂加速度導納幅值比較大，其他頻段范圍內幅值比較小。墩頂加速度導納峰值出現在714 Hz處，B型支座的加速度導納峰值最大，A型支座次之，C型支座的峰值最小，表明在此頻率附近，C型支座的隔振效果較好，對于橋梁減振設計時，應特別注意。在50 Hz時，三種支座的隔振效果相差不大;在79 Hz時，B型支座的隔振效果較好;在139 Hz時，C型支座的隔振效果較好。

5 結? 論

本文基于京滬高鐵常用的32 m無砟軌道箱梁結構，對無砟軌道箱梁結構進行了模型試驗。文中介紹了模型實驗中的箱梁、底座板及軌道板等設計與制作過程，通過量綱分析法推導了模型結構與原型結構之間的相似關系。并通過激振器施加的簡諧荷載為激勵，研究了模型結構在荷載作用下的振動傳遞規律及支座的影響，試驗結果表明：

（1）軌道板振動在500?1024 Hz頻段內衰減緩慢，底座板及頂板處振動在0?1024 Hz頻段內衰減較快;振動由頂板傳遞至翼緣板的過程中衰減最小，腹板其次，振動由頂板傳遞至底板的過程中衰減最大;腹板和底板處振動在中高頻段衰減快。

（2）在0?1024 Hz頻段內，軌道板振動沿縱向衰減很小;在670?1024 Hz頻段內，底座板振動在跨中至四分之一截面范圍內的衰減很大，在四分之一截面至端部截面范圍內的衰減較小。在0?660 Hz頻段內，翼緣板振動沿縱向衰減很小;在700?1024 Hz頻段內，翼緣板振動在跨中至四分之一截面范圍內的衰減較大，在四分之一截面至端部截面范圍內的衰減較小。

（3）在0?1024 Hz頻段內，支座剛度值對軌道板、底座板、頂板、翼緣板及底板振動無較大影響，僅對應頻率處的峰值有所不同;在840?1024 Hz頻段內，支座剛度值對腹板振動有一定影響，且在320 及460 Hz處存在較大的峰值。

（4）支座剛度值對隔振有一定影響。在0?150 Hz及680?740 Hz頻段內，三種條件下墩頂振動都比較大;在714 Hz附近，C型支座的隔振效果較好;在79 Hz時，B型支座的隔振效果較好;在139 Hz時，C型支座的隔振效果較好。

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Abstract： Taking the 32 m ballastless track box girder structure commonly used in Beijing-Shanghai high-speed railway as the prototype， a model test is conducted. The model is a track-box girder structure. According to the geometric similarity ratio of 1/10， the design and fabrication process of each structure of the test model are introduced， the load excitation is applied by the exciter. The results show that the vibration of the track plate attenuates slowly in the frequency range of 500?1024 Hz， and the vibration of the base plate and the top plate attenuates rapidly in the frequency range of 0?1024 Hz. The vibration attenuation is the least in the process of transmission from the top plate to the flange plate， followed by the web， and the vibration attenuation is the greatest in the process of transmission from the top plate to the bottom plate. The vibration of the web and the bottom plate attenuates most rapidly in the middle and high frequency bands in the frequency range of 0?1024 Hz. In the frequency range of 0?1024 Hz， the vibration of the track plate reduces slightly along the longitudinal direction. In the 670?1024 Hz frequency band， the vibration of the base plate attenuates greatly from the middle to the quarter section， and the attenuation of vibration is small from the quarter to the end section. In the frequency range of 700?1024 Hz， the vibration of the flange plate attenuates greatly from the middle to the quarter， and the attenuation of vibration is small from the quarter to the end section. The stiffness value of the bearing has a certain but small influence on the vibration of each measuring point of the mid-section of the structure， but the influence is small. The stiffness value of the bearing has a certain influence on the vibration isolation， and the specific influence is related to the analysis of the frequency band.

Key words： track-box girder; model test; vibration response; support; vibration isolation

作者簡介： 歐開寬（1989-），男，博士研究生。電話：15797872930; E-mail：673221676@qq.com

通訊作者： 羅? 錕（1978-），男，博士，副教授。電話：13979149881; E-mail：381718594@qq.com