蘇州地鐵鋼彈簧浮置板道床減振改造方案研究

吳思行 郭 驍 李俊璽

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

鋼彈簧浮置板道床作為地鐵減振設計中的特殊減振措施,是目前減振效果較好、使用范圍廣泛的軌道減振設備,一般可滿足15dB左右的減振效果[1-2]。已經被運用于各個城市的地鐵工程中,主要設置于居民區、醫院、研究機構等振動敏感的地段以及振動超標量較大(>10dB)的地段。

隨著人們環保意識的逐漸提高,以及地鐵運營年限的逐漸增加,部分區段的地鐵軌道系統減振降噪措施已經無法滿足居民的要求。因此,對軌道減振降噪措施升級改造的需求與日俱增,研究運營線路(尤其是鋼彈簧浮置板道床地段)的減振措施升級方案是地鐵軌道工程重要的發展方向。

1 研究背景

蘇州地鐵4號線蘇州火車站-北寺塔站區間下穿某別墅小區,根據《蘇州市軌道交通4號線及支線工程環境影響報告書》,應在小區及其前后范圍采用高檔鋼彈簧浮置板軌道結構作為最高等級的減振設計措施,其結構斷面見圖1,鋪設狀態見圖2。

圖1 鋼彈簧浮置板隔振系統斷面(單位:mm)

圖2 鋼彈簧浮置板鋪設狀態

現場測試結果顯示,室內外振動和室內二次結構噪聲結果都滿足規范限值要求,并且采取了限速運營、調整優化軌道狀態等整改措施,仍舊不能滿足要求。

為進一步提高鋼彈簧浮置板地段道床的減振性能,減少軌道結構傳遞至地面建筑結構的振動,從現有研究現狀、現場測試及有限元仿真等方面展開相關分析。

2 研究現狀及思路

2.1 鋼彈簧浮置板道床研究現狀

(1)對于既有線的減振措施改造,主要措施有:將既有彈性支承塊式無砟軌道改造為先鋒扣件及配套短軌枕方案;將既有線DTⅥ2-4型扣件更換為福斯羅336Duo型減振扣件,以實現減振改造[3];通過將軌枕埋入式道床改造為浮置板道床實現減振降噪[4]。

(2)針對現有的鋼彈簧浮置板道床設計及施工方案,改造內容主要為浮置板道床“拼裝一體化”設計和“拼裝一體化”施工設備及機具改造等[5-6]。

(3)對于既有線道床減振改造,主要研究內容有:將長枕式道床改造為鋼彈簧浮置板道床,以及施工工藝優化等[7]。

綜上所述,目前,缺乏針對既有線鋼彈簧浮置板道床減振優化的改造措施及相關研究。故有必要研究鋼彈簧浮置板道床的振動特性及其減振優化改造方案。

2.2 研究思路

通過現場振動測試和室內有限元仿真分析進行研究,主要內容如下。

(1)在振動嚴重地段,選取典型鋼彈簧浮置板道床斷面,測試軌道結構、隧道壁和地面的振動加速度,分析振動在浮置板道床中的傳遞規律以及振動傳遞的頻率分布范圍。

(2)建立車輛-軌道-土體有限元分析模型,并根據測試得出的數據對模型進行調試修正。

(3)通過測試分析的結果,結合現有的道床振動改造方案,提出減小鋼彈簧剛度、減小扣件剛度、增加鋼彈簧浮置板配重3種減振優化方案,并通過有限元仿真模型分析選出最優的改造方案。

3 浮置板振動測試分析

3.1 振動測試內容

針對鋼彈簧浮置板地段存在的振動問題,選取該段典型地段浮置板道床,對鋼彈簧浮置板道床的鋼軌、道床板、隧道壁進行振動測試,測試地段位于曲線段,測點布置見圖3、圖4。

圖3 鋼軌測點布置

圖4 道床、隧道壁測點布置

測試采用儀器見表1。

表1 測試儀器統計

本次測試中,鋼軌、浮置板道床、隧道壁垂向振動加速度值,鋼軌加速度計安裝于鋼軌底部,浮置板道床加速度計安裝于浮置板中心位置及鋼軌外側0.5m處,隧道壁加速度計安裝于軌面以上1.25m處。現場測試實景見圖5～圖7。

圖5 鋼軌加速度測試

圖6 道床加速度測試

圖7 隧道壁加速度測試

城市軌道交通一般采用最大Z振級和分頻最大Z振級作為指標量[8],為保證評價結果的嚴格性,以下采用分頻最大Z振級作為評價指標[9]。結合GB 10071—88《城市區域環境振動測量方法》的要求[10],選取1s作為每個計算波形的計權時長,采用峰值保持法計算振級的最大值作為評價指標,算法如圖8及式(1)、式(2)所示[11]。

圖8 峰值保持法計算示意

式中,VLi,m為第m個波形在中心頻率fi處的Z振級;Wi為中心頻率fi對應的Z計權因子;VLi,max為中心頻率fi處的最大計權Z振級最大值。

3.2 測試結果分析

根據3.1章節的內容,分析得出峰值保持法下的鋼軌、道床、隧道壁Z振級1/3倍頻程曲線,如圖9～圖11所示。

圖9 鋼軌振動加速度級

圖10 道床振動加速度級

圖11 隧道壁振動加速度級

由Z振級曲線可知,鋼軌、道床、隧道壁振動的頻率分布基本一致,且均在63Hz時存在振動峰值,表明63Hz附近為浮置板道床振動能量較為集中的頻率范圍,會顯著影響浮置板道床的整體減振效果。

為分析浮置板道床內部,振動傳遞的特性規律及傳遞頻率分布范圍以及改造之后的減振效果,選取插入損失作為減振效果的評價量[12];選取傳遞損失值作為振動傳遞特性評價指標,用于評價振動在軌道中的傳遞特性[13]。傳遞損失為

式中,VLq為傳遞物振動加速度級;VLp為被傳遞物振動加速度級。

由圖12可知,①對于鋼軌傳遞到浮置板的振動,頻率在16～32Hz范圍內時,存在振動放大現象,振動放大值約為2.30dB;在其他頻段內可顯著減小振動傳遞。②對于浮置板傳遞到隧道壁的振動,頻率在20～1000Hz范圍內衰減較大,表現為浮置板的高頻減振作用。

根據GB10070—1988《城市區域環境振動標準》和GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》,對隧道壁及地面測試結果進行計權分析(1～80Hz),結果見圖13～圖14。

由圖13～圖14可知,計權后,地面振動測試值為50.62dB,滿足規范的要求;地面和隧道壁振動均在63Hz頻率附近出現最大值,且浮置板對于高頻位置的減振效果較顯著。此外,對于隧道壁傳遞至地面的振動,存在一個振動放大的頻率范圍,本次測試結果為5～8Hz,最大放大值為5dB。由此可見,為提高浮置板的減振效果,需減小主頻63Hz處的振動級,同時應改善5～8Hz處的振動傳遞特性,減小浮置板傳遞至地面的低頻振動。

為進一步分析鋼彈簧浮置板減振改造措施,采用有限元建模分析法,建立車輛-軌道-浮置板-土體動力分析模型,對相關改造措施進行對比分析,選出最優的改造措施。

4 浮置板振動模型仿真分析

4.1 浮置板道床振動體系

根據浮置板道床的設計結構,可將浮置板道床簡化為質量-彈簧體系[14],見圖15。

圖15 質量-彈簧體系模型

根據振動原理,其固有頻率fn可以按式(4)計算,有

式中,k為系統彈簧剛度;c為系統阻尼;m為系統參振質量。

由相關研究可知[15],浮置板結構在2fn以上的頻帶才具有明顯的減振效果,故可以通過增加參振質量和減小剛度的方式降低浮置板系統的固有頻率,擴大減振的頻帶范圍,提高減振效果[16]。結合工程實際狀況,擬采用的減振改造方式分別為減小鋼彈簧剛度、減小扣件剛度、增加鋼彈簧浮置板配重。

4.2 浮置板振動仿真模型建立

采用有限元分析建立車輛-鋼彈簧浮置板道床-隧道空間耦合動力分析模型,模型形式見圖16。建立3塊25m長現澆浮置板道床模型,模型總長為75m,模型中鋼軌、軌枕塊、道床板、底座板、路基均采用實體單元模擬,扣件采用彈簧單元模擬。

圖16 車輛-浮置板-隧道空間耦合動力分析模型

(1)列車為地鐵B型車,軸重14t,車輛定距12.6m,軸距2.2m。

(2)采用60kg/m鋼軌;浮置板道床軌道結構高度為840mm,道床板尺寸為25m(長)×3.46m(寬),采用C40混凝土;浮置板道床鋼彈簧剛度為6.66MN/m,采用彈簧單元模擬。鋼軌及浮置板道床參數見表2。

表2 鋼軌、浮置板、基底的材料參數

(3)扣件采用ZX-2型扣件,扣件布置為1680對/km,參數見表3。

表3 扣件參數

(4)建立隧道及土體模型,隧道長度為75m,土體寬度為50m,厚度為50m;隧道襯砌內半徑為2.75m,管片厚度為0.35m。材料參數見表4。

表4 土層和襯砌的材料參數

為驗證模型的準確性,對比分析模型計算結果與實測結果,見圖17～圖19、表5。

圖17 鋼軌加速度時程

圖18 隧道壁加速度時程

圖19 隧道壁分頻振級計算與試驗對比

表5 計算數據與實測數據對比

從圖表中可以看出,該模型可以對后續內容進行動力分析。

4.3 不同減振改造方案對振動的影響

根據現有減振設計方式,分析4種減振改造工況,即鋼彈簧浮置板服役現狀(工況1)、鋼彈簧剛度由6.66MN/m減小至5MN/m(工況2)、扣件剛度由35kN/mm減小至15kN/mm(工況3)、增加鋼彈簧浮置板配重20%(工況4),并針對性分析軌道位移和隧道壁振動,其結果見表6、圖20～圖23。

表6 各工況對應指標最大值

圖20 鋼軌垂向位移時程

圖21 浮置板垂向位移時程

根據對上述工況的分析,得出以下結論。

(1)工況4引起的位移值最小,鋼軌和道床位移分別為2.64mm、2.34mm;概況2、工況3的位移值均較工況1有較大增加,不利于鋼軌在運營狀態下的動態平順。

(2)由圖22、圖23可知,工況2在6.3～10Hz范圍時存在振動放大,沒有避開鋼彈簧浮置板軌道結構的共振頻率;在40Hz以上時,減振效果較好,平均減小3dB以上。

圖22 隧道壁計權振級

圖23 隧道壁振級插入損失

工況3下,在1～2.5Hz、6.3～8Hz及20～40Hz范圍內存在放大區;在50Hz以上時具有減振效果,平均減小2dB。

工況4下,在5～6.3Hz及25～31.5Hz范圍內,存在放大區;在10～20Hz及50Hz以上范圍內具有減振效果,在50～200Hz范圍內均減小3dB以上。增加配重可以有效降低鋼彈簧浮置板軌道結構的固有頻率,有利于減小低頻振動。

(3)在中心頻率63Hz位置,工況2減振效果為4.64dB,工況3減振效果為6.47dB,工況4減振效果為5.31dB。

(4)由表6可知,對于隧道壁的位置,振動時程內的最大Z振級,工況4的振級值最低,各工況的減振值分別為,減振扣件(-2.27dB)＜減小鋼彈簧剛度(-2.82dB)＜增加浮置板配重(-2.90dB)。

綜上,綜合考慮軌道結構的位移、63Hz中心頻率處減振效果以及軌道結構的整體減振效果,為保證鋼軌在運營狀態下的動態平順,建議采用增加配重的方式來改善浮置板的減振效果。

5 結論

(1)對于浮置板結構,地面和隧道壁振動均在63Hz頻率附近出現最大值,在20Hz頻率以上時,振動傳遞衰減較大,浮置板對于高頻位置的減振效果較顯著。

(2)針對3種減振改造措施,增加浮置板配重可有效提高減振效果,并能有效控制鋼軌和道床的位移,不會增加鋼軌波磨和道床疲勞的發展。

(3)對比3種改造措施,采用增加浮置板配重的方案減小的最大Z振級最大,同時能最有效的避免在5～8Hz位置的振動放大現象,故認為增加浮置板配重方案為最佳改造措施。