地鐵鋼彈簧浮置板軌道振動特性和減振效果研究

周志軍,劉玉濤,李 偉,關慶華,溫澤峰

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,成都 610031； 2.鐵科院(深圳) 研究設計院有限公司,深圳 518034； 3.深圳城市軌道交通減振降噪工程實驗室,深圳 518034)

引言

地鐵極大程度地緩解了城市交通堵塞，但車輛運行誘發(fā)的環(huán)境振動和噪聲等環(huán)保問題對人們生活的影響問題接踵而至，尤其在住宅密集區(qū)、醫(yī)院、學校和古建筑等振動敏感區(qū)域。國內地鐵線路減振軌道結構形式也愈加多樣化，如：高彈性扣件(VANGUAR、GJ-III和科隆蛋)、彈性軌枕(彈性短軌枕和梯形軌枕)、浮置板(鋼彈簧浮置板和橡膠浮置板)等[3-16]，在軌道關鍵部件采取減振措施可提高軌道系統(tǒng)的吸振能力，降低振源強度，其軌道減振效果較普通軌道更顯著。

針對以上復雜的減振軌道結構類型，國內外學者基于現場試驗和仿真模型，對其軌道減振性能展開了探究。GLADWELL等[2]研究表明城市軌道交通引起的結構和地面振動主要表現為40～100 Hz低頻問題。韓義濤[3]和耿傳智[4]通過現場試驗和有限元方法，研究表明VANGUAR軌道在30～200 Hz內減振效果可達到10～20 dB，尤其在60 Hz頻率處其減振效果最佳。王志強等[5]結合試驗分析了DTVI2型普通扣件和GJ-Ⅲ型減振扣件軌道的動態(tài)特性，研究表明，GJ-Ⅲ減振扣件比普通扣件軌道減振效果降低了10.1 dB。KIYOSHI[6]、OKUDA H等[7]、XIA[8]、楊新文等[9]、戰(zhàn)家旺等[10]通過現場試驗和建立車輛-梯形軌枕軌道耦合系統(tǒng)或梯形軌枕軌道有限元頻域模型，研究發(fā)現梯形軌枕利用低剛度彈簧將軌枕與混凝土道床分開的作用可減小基礎的動反力，與普通無砟軌道相比，在2～20 Hz頻段內減振效果可達到13 dB以上。DERE[11]、ESZTER[12]、DUSCHLBAUER等[13]、孫成龍等[14]基于結合現場試驗和有限元法，分析了鋼彈簧浮置板軌道的振動特性，研究表明，該類軌道對10 Hz以下的低頻振動沒有衰減作用，在10～100 Hz頻段內減振效果(13～40 dB)較顯著。魏新江等[15]利用基于動力學理論建立的二維分析模型，研究了鋼彈簧損傷對地鐵列車-浮置板軌道振動性能的影響。溫士明等[16]利用現場測試，研究了地鐵車輪多邊形磨損對鋼彈簧浮置板軌道振動特性的影響。因此，目前針對VANGUAR扣件軌道、梯形軌枕軌道和鋼彈簧浮置板軌道中的某種單一類型軌道，從軌道振動測試和車輛-軌道耦合模型方面定量對軌道減振特性研究甚多，但軌道結構的動力特性非確定性影響因素較多，對不同類型軌道在不同線路結構不同頻域范圍內其振動特性和減振效果存在顯著差異。

為研究鋼彈簧浮置板軌道的減振特性，測試了我國某城市地鐵車輛在隧道內通過該軌道時的鋼軌和隧道壁的振動加速度，同時對比該軌道與一般非減振軌道、減振扣件軌道和橡膠隔振墊軌道的鋼軌振動和軌道減振特性差異，為我國地鐵減振軌道減振效果評價提供參考。

1 軌道振動特性現場試驗

選擇我國南方某條剛開始試運營的新建地鐵線路，列車通過時對鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌、隧道壁的振動加速度和鋼軌相對道床板的位移進行了現場測試。為了對比分析，同時測試一般非減振軌道、減振扣件軌道和橡膠隔振墊軌道，測點布置和測試現場如圖1所示，測試的4種類型軌道結構參數見表1。

圖1 軌道振動特性現場測試

表1 4種類型軌道結構參數

試驗過程中測點斷面處無道岔、滲水區(qū)等有缺陷區(qū)域，鋼軌為無裂紋和無不平順磨耗的新軌，車輪為無踏面擦傷、無多邊形磨耗和其他可見裂紋的新輪。鋼軌振動加速度測點位于鋼軌軌腰中間，隧道壁測點位置安裝高度在距離軌面1.5 m處[17]，鋼軌垂向位移測點位置安裝在軌底內側和外側，求其軌底內外側均值得到軌底中心處位移。該線路鋪設60 kg/m鋼軌，軌距為1 435 mm，軌底坡為1/40，軌枕間距為600 mm，采用4動2拖6輛編組地鐵列車，車輛通過鋼彈簧浮置板軌道、一般非減振軌道、減振扣件軌道和橡膠隔振墊軌道速度分別為52.2，52.3，61.8 km/h和47.2 km/h。

2 不同軌道結構振動特性分析

2.1 鋼軌和隧道壁振動加速度

列車運行引起的振動主要由軌道和隧道向周圍土體傳播，其振動能量在不同頻段分布不同，掌握各部分振動能量的頻率分布，有助于制定減振策略，優(yōu)化減振軌道結構。振動測試過程中不可避免地存在噪聲信號等隨機干擾信號，導致測試數據往往呈現很多毛刺或零點漂移等偏離真實數值的趨勢項，為了減少或消除數據中干擾成分，需采取剔除異常值和最小二乘法消除趨勢項等方法對數據進行預處理。圖2給出了車輛通過4種軌道斷面時鋼軌和隧道壁的振動加速度時域和頻域。圖3統(tǒng)計了同類型車輛50次通過4種軌道時鋼軌和隧道壁的平均振動加速度最大值和有效值。

圖2 鋼軌、隧道壁的振動加速度時域和頻域

圖3 鋼軌和隧道壁的振動加速度最大值和有效值

由圖2、圖3可見。

(1)時域特性方面，車輛通過鋼彈簧浮置板軌道時，鋼軌和隧道壁的振動加速度有效值分別為33.6 m/s2和0.004 m/s2。在鋼彈簧浮置板軌道與一般非減振軌道的扣件類型相同、軌道板下方減振元件不同時，鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌和隧道壁振動加速度有效值相比一般非減振軌道分別降低21%和89%。這是因為鋼彈簧與浮置板形成了質量-彈簧的隔振系統(tǒng)，利用浮置板的質量慣性來平衡列車的動載荷，僅有未被平衡的少量動載荷傳遞到隧道壁。

鋼彈簧浮置板軌道和橡膠隔振墊軌道在扣件類型相同、軌道板下方減振元件相似時，雖然鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌振動加速度有效值相比橡膠隔振墊軌道增大了24%，但隧道壁振動加速度卻降低了33%。這兩種減振軌道的差異主要與減振參數設計差異有關。

減振扣件軌道與一般非減振軌道在扣件類型不同、軌道板下方減振元件相同時，減振扣件軌道的鋼軌和隧道壁振動加速度有效值相比一般非減振軌道同時降低了61%和60%。

鋼彈簧浮置板軌道和橡膠隔振墊軌道與減振扣件軌道在扣件類型不同、軌道板下方減振元件也不同時，雖然鋼彈簧浮置板軌道和橡膠隔振墊軌道的鋼軌振動加速度有效值分別增大了105%和66%，但隧道壁振動加速度有效值卻分別降低71%和57%。以上結果充分體現了4種軌道是否采取扣件減振和軌道板下方減振元件減振措施時，車輛振動傳遞至鋼軌、隧道壁振動分量存在顯著差異。

(2)頻域特性方面，鋼彈簧浮置板軌道、一般非減振軌道和橡膠隔振墊軌道的鋼軌顯著振動頻帶表現為400～550 Hz，650～780 Hz，振動幅值略有不同；減振扣件軌道的鋼軌顯著振動頻帶表現為340～440 Hz，650～740 Hz，其鋼軌振動幅值在4種軌道中表現最小。隧道壁頻域曲線中57，57，44 Hz和53 Hz是4種軌道在受到不平順激勵時，簧下質量在軌道結構上振動頻率，即俗稱的P2力共振頻率[18]，其作用時間相對較長，能夠充分地向軌下基礎傳遞。文獻[18]研究表明，對于主要采用無砟整體道床的地鐵線路來說，P2共振頻率主要取決于簧下質量和鋼軌扣件剛度。從表1可知，鋼彈簧浮置板軌道、一般非減振軌道和橡膠隔振墊軌道采用相同的普通扣件，其剛度比減振扣件軌道的扣件剛度大，所以減振扣件軌道P2力共振頻率較其余3種普通扣件軌道低。另外，鋼彈簧浮置板軌道對隧道壁50～60 Hz振動減振效果比其他3種軌道顯著。

2.2 鋼軌動態(tài)位移

因為鋼軌沿縱向均勻離散支撐，車輛通過時鋼軌、軌枕和道床板等軌道關鍵部件會發(fā)生不同程度的側翻和扭轉等動態(tài)位移變化，導致軌距發(fā)生變化，影響列車運行平穩(wěn)性[19]。為此，調查了車輛通過4種不同結構軌道鋼軌的垂向動態(tài)位移在時域內周期性變化結果，如圖4所示。圖5統(tǒng)計了同類型車輛50次通過4種軌道時鋼軌垂向位移最大值均值情況，其中鋼軌垂向位移指軌底內側垂向位移和軌底外側垂向位移求平均值得到的軌底中心位移值。由此可看出，鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌垂向位移最大值為0.23 mm，相比該軌道，一般非減振軌道、減振扣件軌道和橡膠隔振墊軌道分別增大9%，109%和52%的鋼軌垂向位移，減振扣件軌道鋼軌產生較大垂向位移與扣件垂向剛度較小有關。

圖4 4種軌道鋼軌垂向動態(tài)位移曲線

圖5 同類型車輛50次通過4種軌道鋼軌垂向動態(tài)位移

3 軌道減振效果

3.1 評價方法

根據軌道減振效果評價標準，選取線路條件(包含地質條件、線路曲線半徑和隧道斷面)與采取減振地段相同或類似的地段，以此評價新線路軌道的減振效果[20]。一般對建筑物室內或環(huán)境振動影響評估推薦的頻率范圍為1～80 Hz，因軌下結構和地基土質對車輛振動具有較大衰減作用，高頻振動分量很難傳遞到線路附近的建筑物，城市軌道交通引起沿線環(huán)境振動主要由低頻以下的振動組成[21]。國內外軌道交通環(huán)境振動測量研究成果表明[22-24]，一般地段軌道沿線環(huán)境振動測量可忽略4 Hz以下的振動分量。綜上研究，本文軌道減振效果評價的頻率范圍取為4～200 Hz，將1～80 Hz頻率范圍作對比研究。

(1)

式中：VLz為垂向Z計權振級，簡稱Z振級，dB；n為1/3倍頻程中心頻率的個數，這里1～80 Hz和4～200 Hz頻率范圍分別取n=20和18；VLi為1/3倍頻程第i個中心頻率上未計權分頻振動加速度級，dB；αi為1/3倍頻程第i個中心頻率對應的Z計權因子[26]，dB；振動加速度參考值為10-6m/s2[26]。

3.2 減振效果

根據頻率計權因子可看出，有計權的隧道壁分頻振級小于無計權的分頻振級，在25～200 Hz差異表現最大。圖6給出了4種結構軌道在1～80 Hz和4～200 Hz內的1/3倍頻程中心頻率處隧道壁有無計權時的平均分頻振級結果。由圖6可見，隧道壁分頻振級有計權和無計權時均在8 Hz處出現極值，鋼彈簧浮置板軌道的分頻振級在該頻率處表現顯著，可能與浮置板軌道1階自振頻率相關(6～16 Hz[27])。以一般非減振軌道為對比基準，其他3種軌道在50～200 Hz減振效果大于1～50 Hz減振效果。一般非減振軌道、減振扣件軌道、橡膠隔振墊軌道和鋼彈簧浮置板軌道的隧道壁分頻振級分別在63，50，50 Hz和63 Hz處達到最大，其幅值依次減小。考慮GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》中頻率計權因子對隧道壁分頻振級的影響，相比一般非減振軌道，后3種軌道的隧道壁分頻振級分別在1～200 Hz內的63，200 Hz和160 Hz處最顯著，最大差值分別為24.8，17.8 dB和26.0 dB。其中，鋼彈簧浮置板軌道和橡膠隔振墊軌道減振效果最顯著，對控制列車運行產生的二次輻射噪聲影響更有效。

圖6 隧道壁垂向分頻振級

根據GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》，圖7給出了車輛通過4種結構軌道的隧道壁VLz隨時間變化曲線。車輛通過測試斷面前后，4種軌道的隧道壁VLz無論在1～80 Hz還是4～200 Hz頻率范圍差異都較小。隨著軌道振動加速度幅值增大，隧道壁的VLz也逐漸增大，列車通過測試斷面時其值達到最大。其中，一般非減振軌道時隧道壁的VLz最大，軌道采取減振措施的隧道壁VLz均有不同幅度減小，且鋼彈簧浮置板軌道最小。

圖7 隧道壁的VLz隨時間變化趨勢

為了具體表征鋼彈簧浮置板軌道、一般非減振軌道、減振扣件軌道和橡膠隔振墊軌道在近似車輛運行速度條件下的隧道壁振級量，表2給出了4種軌道的隧道壁垂向振動加速度在1～80 Hz和4～200 Hz頻率內，經過ISO 2631—1:1997規(guī)定的Z計權因子修正后的VLz、VLz，max，可看出一般非減振軌道、減振扣件軌道和橡膠隔振墊軌道的隧道壁振級在兩種頻率下VLz、VLz，max差異都較小，而鋼彈簧浮置板軌道的VLz，max差異最大，最大值為1.2 dB。

表2 4種軌道的隧道壁VLz、VLz，max dB

圖8和表3僅給出了車輛50次通過4種軌道時隧道壁在4～200 Hz內的平均減振效果ΔVLz、ΔVLz，max。由圖表可見，鋼彈簧浮置板軌道、一般非減振軌道、減振扣件軌道和橡膠隔振墊軌道在4～200 Hz頻率內的平均VLz為60.0，76.0，70.7 dB和62.4 dB，平均VLz，max為61.7，79.0，72.9 dB和63.9 dB。與一般非減振軌道相比，以隧道壁的垂向ΔVLz和ΔVLz，max作為軌道減振效果評價量，鋼彈簧浮置板軌道、減振扣件軌道和橡膠隔振墊軌道在4～200 Hz內的減振效果ΔVLz分別為16.0、5.3 dB和13.6 dB，ΔVLz，max分別為17.3，6.1 dB和15.1 dB，鋼彈簧浮置板對軌道的減振效果最為突出。

圖8 隧道壁VLz和VLz，max

表3 軌道減振效果統(tǒng)計 dB

4 結論

為研究鋼彈簧浮置板軌道的減振特性，測試了我國某城市地鐵車輛在隧道內通過該軌道時的鋼軌和隧道壁的振動加速度，并對比分析了該軌道與一般非減振軌道、減振扣件軌道和橡膠隔振墊軌道的振動特性和軌道減振效果差異。主要結論如下。

(1)車輛通過鋼彈簧浮置板軌道時，相比一般非減振軌道，鋼軌和隧道壁振動加速度有效值降低了21%和89%。鋼彈簧浮置板軌道、橡膠隔振墊軌道和一般非減振軌道的鋼軌和隧道壁顯著振動頻帶相似，均表現為400～550，650～780 Hz和57 Hz，減振扣件軌道為340～440，650～740 Hz和44 Hz。

(2)一般非減振軌道、減振扣件軌道、橡膠隔振墊軌道和鋼彈簧浮置板軌道的隧道壁分頻振級分別均在50～63 Hz處達到最大，幅值依次減小。

(3)相比一般非減振軌道，其他3種減振軌道在50～200 Hz減振效果大于1～50 Hz減振效果，其在4～200 Hz內的最大減振效果依次為6.1，15.1 dB和17.3 dB。

綜上，是否考慮Z計權，鋼彈簧浮置板軌道在1～80 Hz和4～200 Hz內的隧道壁垂向分頻振級VLz、VLz，max、ΔVLz、ΔVLz，max效果均優(yōu)于其他3種軌道。這為地鐵開通新線在選擇減振軌道鋪設時提供一定的經驗和工程參考。