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(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

鋼彈簧浮置板道床作為地鐵減振設(shè)計(jì)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(shè)備,一般可滿足15dB左右的減振效果[1-2]。已經(jīng)被運(yùn)用于各個(gè)城市的地鐵工程中,主要設(shè)置于居民區(qū)、醫(yī)院、研究機(jī)構(gòu)等振動(dòng)敏感的地段以及振動(dòng)超標(biāo)量較大(>10dB)的地段。

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

1 研究背景

蘇州地鐵4號(hào)線蘇州火車站-北寺塔站區(qū)間下穿某別墅小區(qū),根據(jù)《蘇州市軌道交通4號(hào)線及支線工程環(huán)境影響報(bào)告書》,應(yīng)在小區(qū)及其前后范圍采用高檔鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)作為最高等級(jí)的減振設(shè)計(jì)措施,其結(jié)構(gòu)斷面見圖1,鋪設(shè)狀態(tài)見圖2。

圖1 鋼彈簧浮置板隔振系統(tǒng)斷面(單位:mm)

圖2 鋼彈簧浮置板鋪設(shè)狀態(tài)

現(xiàn)場測試結(jié)果顯示,室內(nèi)外振動(dòng)和室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲結(jié)果都滿足規(guī)范限值要求,并且采取了限速運(yùn)營、調(diào)整優(yōu)化軌道狀態(tài)等整改措施,仍舊不能滿足要求。

為進(jìn)一步提高鋼彈簧浮置板地段道床的減振性能,減少軌道結(jié)構(gòu)傳遞至地面建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng),從現(xiàn)有研究現(xiàn)狀、現(xiàn)場測試及有限元仿真等方面展開相關(guān)分析。

2 研究現(xiàn)狀及思路

2.1 鋼彈簧浮置板道床研究現(xiàn)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(shí)現(xiàn)減振改造[3];通過將軌枕埋入式道床改造為浮置板道床實(shí)現(xiàn)減振降噪[4]。

(2)針對現(xiàn)有的鋼彈簧浮置板道床設(shè)計(jì)及施工方案,改造內(nèi)容主要為浮置板道床“拼裝一體化”設(shè)計(jì)和“拼裝一體化”施工設(shè)備及機(jī)具改造等[5-6]。

(3)對于既有線道床減振改造,主要研究內(nèi)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(yōu)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(yōu)化的改造措施及相關(guān)研究。故有必要研究鋼彈簧浮置板道床的振動(dòng)特性及其減振優(yōu)化改造方案。

2.2 研究思路

通過現(xiàn)場振動(dòng)測試和室內(nèi)有限元仿真分析進(jìn)行研究,主要內(nèi)容如下。

(1)在振動(dòng)嚴(yán)重地段,選取典型鋼彈簧浮置板道床斷面,測試軌道結(jié)構(gòu)、隧道壁和地面的振動(dòng)加速度,分析振動(dòng)在浮置板道床中的傳遞規(guī)律以及振動(dòng)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(jù)測試得出的數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行調(diào)試修正。

(3)通過測試分析的結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)有的道床振動(dòng)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(yōu)化方案,并通過有限元仿真模型分析選出最優(yōu)的改造方案。

3 浮置板振動(dòng)測試分析

3.1 振動(dòng)測試內(nèi)容

針對鋼彈簧浮置板地段存在的振動(dòng)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(jìn)行振動(dòng)測試,測試地段位于曲線段,測點(diǎn)布置見圖3、圖4。

圖3 鋼軌測點(diǎn)布置

圖4 道床、隧道壁測點(diǎn)布置

測試采用儀器見表1。

表1 測試儀器統(tǒng)計(jì)

本次測試中,鋼軌、浮置板道床、隧道壁垂向振動(dòng)加速度值,鋼軌加速度計(jì)安裝于鋼軌底部,浮置板道床加速度計(jì)安裝于浮置板中心位置及鋼軌外側(cè)0.5m處,隧道壁加速度計(jì)安裝于軌面以上1.25m處。現(xiàn)場測試實(shí)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(jí)和分頻最大Z振級(jí)作為指標(biāo)量[8],為保證評價(jià)結(jié)果的嚴(yán)格性,以下采用分頻最大Z振級(jí)作為評價(jià)指標(biāo)[9]。結(jié)合GB 10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測量方法》的要求[10],選取1s作為每個(gè)計(jì)算波形的計(jì)權(quán)時(shí)長,采用峰值保持法計(jì)算振級(jí)的最大值作為評價(jià)指標(biāo),算法如圖8及式(1)、式(2)所示[11]。

圖8 峰值保持法計(jì)算示意

式中,VLi,m為第m個(gè)波形在中心頻率fi處的Z振級(jí);Wi為中心頻率fi對應(yīng)的Z計(jì)權(quán)因子;VLi,max為中心頻率fi處的最大計(jì)權(quán)Z振級(jí)最大值。

3.2 測試結(jié)果分析

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

圖9 鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)

圖10 道床振動(dòng)加速度級(jí)

圖11 隧道壁振動(dòng)加速度級(jí)

由Z振級(jí)曲線可知,鋼軌、道床、隧道壁振動(dòng)的頻率分布基本一致,且均在63Hz時(shí)存在振動(dòng)峰值,表明63Hz附近為浮置板道床振動(dòng)能量較為集中的頻率范圍,會(huì)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(nèi)部,振動(dòng)傳遞的特性規(guī)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(jià)量[12];選取傳遞損失值作為振動(dòng)傳遞特性評價(jià)指標(biāo),用于評價(jià)振動(dòng)在軌道中的傳遞特性[13]。傳遞損失為

式中,VLq為傳遞物振動(dòng)加速度級(jí);VLp為被傳遞物振動(dòng)加速度級(jí)。

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

根據(jù)GB10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 13441.1—2007《機(jī)械振動(dòng)與沖擊人體暴露于全身振動(dòng)的評價(jià)》,對隧道壁及地面測試結(jié)果進(jìn)行計(jì)權(quán)分析(1～80Hz),結(jié)果見圖13～圖14。

由圖13～圖14可知,計(jì)權(quán)后,地面振動(dòng)測試值為50.62dB,滿足規(guī)范的要求;地面和隧道壁振動(dòng)均在63Hz頻率附近出現(xiàn)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(dòng),存在一個(gè)振動(dòng)放大的頻率范圍,本次測試結(jié)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(dòng)級(jí),同時(shí)應(yīng)改善5～8Hz處的振動(dòng)傳遞特性,減小浮置板傳遞至地面的低頻振動(dòng)。

為進(jìn)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(dòng)力分析模型,對相關(guān)改造措施進(jìn)行對比分析,選出最優(yōu)的改造措施。

4 浮置板振動(dòng)模型仿真分析

4.1 浮置板道床振動(dòng)體系

根據(jù)浮置板道床的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),可將浮置板道床簡化為質(zhì)量-彈簧體系[14],見圖15。

圖15 質(zhì)量-彈簧體系模型

根據(jù)振動(dòng)原理,其固有頻率fn可以按式(4)計(jì)算,有

式中,k為系統(tǒng)彈簧剛度;c為系統(tǒng)阻尼;m為系統(tǒng)參振質(zhì)量。

由相關(guān)研究可知[15],浮置板結(jié)構(gòu)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(zhì)量和減小剛度的方式降低浮置板系統(tǒng)的固有頻率,擴(kuò)大減振的頻帶范圍,提高減振效果[16]。結(jié)合工程實(shí)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(dòng)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(dòng)力分析模型,模型形式見圖16。建立3塊25m長現(xiàn)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(shí)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(dòng)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(jié)構(gòu)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(shù)見表2。

表2 鋼軌、浮置板、基底的材料參數(shù)

(3)扣件采用ZX-2型扣件,扣件布置為1680對/km,參數(shù)見表3。

表3 扣件參數(shù)

(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(nèi)半徑為2.75m,管片厚度為0.35m。材料參數(shù)見表4。

表4 土層和襯砌的材料參數(shù)

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,對比分析模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果,見圖17～圖19、表5。

圖17 鋼軌加速度時(shí)程

圖18 隧道壁加速度時(shí)程

圖19 隧道壁分頻振級(jí)計(jì)算與試驗(yàn)對比

表5 計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

從圖表中可以看出,該模型可以對后續(xù)內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)力分析。

4.3 不同減振改造方案對振動(dòng)的影響

根據(jù)現(xiàn)有減振設(shè)計(jì)方式,分析4種減振改造工況,即鋼彈簧浮置板服役現(xiàn)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(dòng),其結(jié)果見表6、圖20～圖23。

表6 各工況對應(yīng)指標(biāo)最大值

圖20 鋼軌垂向位移時(shí)程

圖21 浮置板垂向位移時(shí)程

根據(jù)對上述工況的分析,得出以下結(jié)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(yùn)營狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)平順。

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

圖22 隧道壁計(jì)權(quán)振級(jí)

圖23 隧道壁振級(jí)插入損失

工況3下,在1～2.5Hz、6.3～8Hz及20～40Hz范圍內(nèi)存在放大區(qū);在50Hz以上時(shí)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(nèi),存在放大區(qū);在10～20Hz及50Hz以上范圍內(nèi)具有減振效果,在50～200Hz范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)的固有頻率,有利于減小低頻振動(dòng)。

(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(dòng)時(shí)程內(nèi)的最大Z振級(jí),工況4的振級(jí)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(jié)構(gòu)的位移、63Hz中心頻率處減振效果以及軌道結(jié)構(gòu)的整體減振效果,為保證鋼軌在運(yùn)營狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)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(jié)論

(1)對于浮置板結(jié)構(gòu),地面和隧道壁振動(dòng)均在63Hz頻率附近出現(xiàn)最大值,在20Hz頻率以上時(shí),振動(dòng)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(huì)增加鋼軌波磨和道床疲勞的發(fā)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(jí)最大,同時(shí)能最有效的避免在5～8Hz位置的振動(dòng)放大現(xiàn)象,故認(rèn)為增加浮置板配重方案為最佳改造措施。