高速鐵路大跨度混合梁斜拉橋-無砟軌道隔離層減振效果試驗研究

羅天靖,鄭緯奇,盛興旺,李 輝

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055； 2.中南大學土木工程學院,長沙 410075)

1 概述

高速鐵路帶來的振動問題日漸突出，由于速度快，引起的高頻振動會產生大量的噪聲污染，并通過橋梁結構傳遞至地基與附近建筑物，會顯著影響周圍醫院、高校以及科研單位等精密儀器設備，干擾周圍居民的正常生活、工作和學習，嚴重時甚至導致建筑物開裂[1]。

國內已有團隊針對高速鐵路無砟軌道在路基、箱梁、隧道上的振動特性[2-7]進行了研究，然而針對大跨度橋梁上，以及基于減振軌道結構的研究仍有不足。基于贛江橋的足尺節段模型，通過錘擊試驗研究了大跨度橋梁上，不同隔離層下軌道與橋面間的振動傳遞情況與時-頻衰減特征。

新建鐵路南昌至贛州客運專線贛江特大橋是昌吉贛客運專線跨越贛江的控制性工程。全橋長2155.440 m，分孔布置為：22×32 m簡支梁+(35+40+60+300+60+40+35) m結合梁+4×32 m簡支梁+2×24 m簡支梁+11×32 m簡支梁。贛江特大橋跨贛江主跨采用雙塔斜拉橋、主梁為結合梁(圖1)，位于直線、平坡地段，該橋是目前高速鐵路上跨度最長的混合梁斜拉橋，并且首次在高速鐵路斜拉橋上鋪設無砟軌道，是世界上首座時速在350 km、300 m大跨度斜拉橋上鋪設無砟軌道的混合梁斜拉橋[8-12]。

圖1 贛江特大橋主橋立面布置(單位：cm)

2 振動錘擊試驗

為了研究大跨度斜拉橋與無砟軌道的適應性，對贛江橋進行足尺節段模型試驗。考慮試驗室條件等因素，節段模型簡化為一跨連續帶懸臂結構，使用剛性支點(支墩A)與彈性支點(支墩C)模擬斜拉索的彈性效應，等效跨中節段的大撓曲變形狀態。跨度布置為6.0 m(懸臂段)+12.0 m+6.0 m(懸臂段)，共計24 m，試驗梁高為1.5 m，斷面與斜拉橋鋼箱主梁大小相同(不考慮風嘴)，并在該模型上開展落錘振動等試驗[13]。節段模型布置見圖2，激振點示意見圖3。

圖2 節段模型布置(單位：m)

圖3 激振點示意(單位：m)

通過力錘激振試驗，通過加速度傳感器獲取鋼軌、不同類型軌道板、底座板與橋面板的振動時程數據，研究節段模型中軌道系統與橋梁系統的振動加速度衰減與變化，進而研究節段模型系統振動傳遞規律與不同隔振墊層的減振效果。其中減振板采用新型橡膠隔離層[14]，非減振板采用土工布隔離層。為了達到寬頻帶高振幅的激振效果，選擇鋁制錘頭進行試驗，設置兩種激振工況。

工況1：非減振板中央處對外側鋼軌激振；

工況2：減振板中央處對外側鋼軌激振；

兩種工況分別用于研究振動通過不同隔離層軌道板從上往下的豎向傳遞情況，與振動沿鋼軌在不同隔離層軌道板上的縱向傳遞情況，測點匯總如表1所示。

表1 測點匯總

測點布置原則：R1F(J)1至R1F(J)5距離激振點由近到遠各間距1.5 m，沿縱向設置在鋼軌上表面。S1F(J)1設置在緊挨R1F(J)1相同縱向位置處軌道板表面上，Q1F(J)設置在緊挨S1F(J)1相同縱向位置處橋面板表面上，FBF(J)設置在緊挨Q1F(J)相同縱向位置處鋼箱梁腹板外側中央，DBF(J)設置在緊挨FBF(J)相縱向位置處鋼箱梁底板底側。

3 不同隔離層振動的時-頻分析

由于工況1、工況2的試驗數據較多，且激振軌道的工況規律相似，限于篇幅本文僅選取各工況的典型測點進行分析，時程數據進行頻域展開則能獲得詳細的頻域變化情況，再對級差數據進行Savitzky-Golay濾波(最小二乘平滑濾波)擬合，可以在離散數據中得到統計上的衰減規律；而對時程數據疊加小波變換，可以得到時-頻域三維變化情況，揭示振動的各頻段組成、沿時間軸的變化情況[15-20]，研究振動在各板型的傳遞規律與減振效果。

3.1 鋼軌縱向傳遞時-頻分析

取工況1非減振板被激振鋼軌測點R1F1、R1F3、R1F5，工況2減振板被激振鋼軌測點R1J1、R1J3、R1J5時程數據進行FFT傅里葉變換得到頻域圖，并對R1F5、R1J5的時程數據疊加小波變換，得到三維時-頻域圖(Z軸為加速度)。因鋼軌振動波形比較相似，僅展示該三測點的圖形。如圖4～圖6所示。

圖4 R1F(J)1測點頻域圖5 R1F(J)3測點頻域圖6 R1F(J)5測點頻域

由圖4～圖6可知：(1)R1F1處鋼軌在2.5～3 kHz頻段幅值最大達到3 m/s2；R1J1處鋼軌則集中在2～2.5 kHz頻段，幅值達到5.5 m/s2。(2)振動傳到R1F3后，激振頻段保持在2.5～3 kHz，幅值減小至1.5 m/s2；R1J3處激振頻段漂移至2.5 kHz，幅值大幅減小為0.5 m/s2，與其他頻段幅值接近。(3)振動傳遞到R1F5后，發生輕微漂移至2.8 kHz，峰值繼續下降至0.7 m/s2，下降趨勢與距離呈正相關；R1J5處激振頻段繼續向高頻漂移至3 kHz，峰值進一步下降為0.7 m/s2，與R1F5接近。

由圖7、圖8可知：R1F5測點在2.6～2.8 kHz頻段的激振時間較長，達到0.05 s，在低頻段500 Hz以下的激振時間更長，達到0.08 s；R1J5處測點在3 kHz頻段的激振時間較長，達到0.05 s，同樣在低頻段500 Hz以下的激振時間達到0.08 s。

由圖9的R1F(J)1->R1F(J)3振動級差對比可知，振動從的R1F(J)1傳遞至R1F(J)3：(1)在低頻段(0～1.5 kHz)下，減振板與非減振板衰減趨勢基本一致，可認為隔離層對低頻振動的衰減無明顯影響。(2)對于中頻段2～3 kHz的振動，減振板衰減最大，最高處達到28 dB，非減振板只有11 dB，相差17 dB。(3)3 kHz以上高頻段減振板與非減振板僅相差5 dB。

3.2 鋼軌-軌道板-橋面-鋼箱梁豎向傳遞時-頻分析

取工況1、工況2測點S1F(J)1、Q1F(J)、FBF(J)、DBF(J)時程數據轉化為頻域、時-頻域、級差分析，與上文處理方法相同。其中FBF(J)、DBF(J)結果相似，故只展示FBF(J)結果。

由圖10～圖12可知：(1)S1F1處，軌道板混凝土被寬幅激振，振動幅值最大不超過0.04 m/s2；S1J1處激振規律與S1F1相似，但在2 kHz處出現明顯峰值，達到0.08 m/s2。(2)振動傳遞至Q1F處，在2 kHz處出現峰值，幅值下降至0.006 m/s2；Q1J處在500 Hz以下出現峰值，最高僅0.001 m/s2，且在2 kHz處無峰值，曲線衰減明顯。(3)振動傳遞至FBF處，規律與Q1F處相似，但峰值放大至0.04 m/s2；FBJ處振動規律與FBF相似，2kHz處出現峰值，整體幅值呈放大趨勢，但最高僅為0.005 m/s2。

由圖13、圖14可知：Q1F處振動集中在2 kHz處，峰值振動僅維持0.004 s，而Q1J處振動在整個頻段上長時間持續，2 kHz以上頻段在0.15s左右，低頻段0～500 Hz達0.3 s以上。

由圖15的S1F(J)1->Q1F(J)振動級差對比可知，振動從S1F(J)1傳遞至Q1F(J)：(1)在中低頻段0～3 kHz范圍內，非減振板級差為20～40 dB，減振板為40～60 dB，平均相差20 dB，最高點相差40 dB，減振效果明顯。(2)在3～5 kHz處減振板級差為30～40 dB，非減振板為25～35 dB，平均相差5 dB。

圖7 R1F5測點時-頻域圖8 R1J5測點時-頻域圖9 R1F(J)1->R1F(J)3級差對比圖10 S1F(J)1測點頻域圖11 Q1F(J)測點頻域圖12 FBF(J)測點頻域圖13 Q1F測點時-頻域圖14 Q1J測點時-頻域圖15 S1F(J)1->Q1F(J)級差對比

4 結論

(1)從鋼軌的縱向傳遞規律可知，鋼軌的激振頻率集中在2～3 kHz，振動在傳遞中會向高頻段漂移，非減振板從2.7 kHz漂移至2.8 kHz，減振板從2.5 kHz漂移至3.0 kHz。減振板的漂移現象更為明顯；減振板在2～3 kHz頻段衰減明顯，最大相差28 dB。

(2)從鋼軌的縱向傳遞規律可知，在2～3 kHz頻段處振動從峰值下降至最低值的過程中，非減振板鋼軌振動衰減與距離呈正相關，而減振板在很近距離內衰減至最低量級。

(3)從鋼軌-鋼箱梁的豎向傳遞規律可知，兩種板型軌道板處的激振頻段均變為寬幅0～3 kHz，幅值接近，在2 kHz處出現峰值，傳遞到鋼箱梁后振動均被放大。

(4)從鋼軌-鋼箱梁的豎向傳遞規律可知，兩種板型橋面板處的振動衰減差異明顯，非減振板振動集中在0～500 Hz、2 kHz頻段處，減振板則集中在0～500 Hz頻段處；減振板在0～3 kHz頻段處的級差平均比非減振板高20 dB，衰減效果明顯。