中低速磁浮快線車-軌耦合振動源強特性試驗*

李秋義 羅 偉 魏高恒

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢;2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，430063，武漢∥第一作者，正高級工程師)

中低速磁浮快線具有安全性高、爬坡能力強、轉彎半徑小、建設成本低等優點，且具有完全自主知識產權，是一種極具競爭力的軌道交通型式[1-2]。

由于世界范圍內已建成通車的中低速磁浮線路十分稀少，因此目前有關中低速磁浮線的研究大多偏重于理論方面，而基于實際運營線路的現場試驗資料相對匱乏。文獻[3-4]采用仿真的方法研究了長沙磁浮快線提速后低置結構和橋梁的動應力分布及動力特性；文獻[5]對中速磁浮的軌道梁選型及溫度對車橋耦合振動的影響進行了研究；文獻[6]以長沙磁浮快線為對象，研究了磁浮列車速度及荷載對軌道梁動力響應的影響；文獻[7-8]對長沙磁浮快線軌道梁的振動響應進行了測試，但測試速度較低，小于80 km/h。

中低速磁浮快線由于車-軌耦合作用實測資料的匱乏，一方面制約了其軌道結構的進一步優化和完善，另一方面其車致環境振動預測無可靠的源強取值參考，不利于準確評價磁浮列車運行對沿線環境的振動影響。本文基于長沙中低速磁浮快線，選取橋梁地段Ⅲ型井字型接頭(以下簡稱“Ⅲ型接頭”)和軌排中部斷面，進行軌道-橋梁系統車致振動的線上試驗研究，以期為后續同類型軌道交通的軌道結構設計和環境影響評價工作提供技術參考。

1 現場測試

1.1 測試斷面概況

以軌排中部為基本工況，選取該處1個斷面作為測試斷面。同時，考慮到軌排接頭部位為中低速磁浮軌道結構最薄弱的部位之一，而Ⅲ型接頭處的軌縫最大，因此，再選擇Ⅲ型接頭的1個斷面作為一種不利的工況作對比。兩個測試斷面概況如表1所示。

表1 測試斷面概況Tab.1 Overview of test section

1.2 測點布置

中低速磁浮快線軌道由軌排單元整體拼裝而成，自上而下主要由感應板、F軌、H型鋼枕、扣件、承軌臺等部分組成，如圖1所示。本研究分別在承軌臺中部、H型鋼枕螺栓連接處腹板(以下簡稱“鋼枕端部”)、H型鋼枕枕中腹板(以下簡稱“鋼枕中部”)安裝振動加速度傳感器，每個斷面各布置3個豎向測點，如圖1所示。

圖1 兩個斷面測點布置示意圖Fig.1 Measuring points layout diagram of two sections

在HJ 453—2018《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》中，城市軌道交通高架線振動源強測點要求布于地面距線路中心線7.5 m處。然而，考慮到中低速磁浮快線橋梁結構較其他城市軌道交通存在一定的差異，且車致振動自橋梁到地面的傳播模式尚不清楚，同時，文獻[9]的研究顯示，車致振動的地面測量結果離散性較大，橋上測量結果更具穩定性。因此，在橋上布置(承軌臺)環境振動源強測點，更加有利于中低速磁浮快線高架地段振動源強測試結果的推廣應用。

1.3 測試儀器

兩個斷面均安裝INV 9828 型中低頻加速度傳感器，其頻響范圍為0.2～2 500.0 Hz，量程為10g(g為重力加速度)。

1.4 數據采集概況

借助長沙中低速磁浮列車提速試驗的機會，進行了時速100 km、110 km、120 km、130 km、140 km、150 km等 6種列車運行速度的工況測試，其數據采集情況如表2所示。

表2 各斷面數據樣本數Tab.2 Number of data samples of each section

1.5 環境振動源強評價指標

根據HJ 453—2018《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》和GB 10071—1988《城市區域環境振動測量方法》的標準，評價指標采用列車通過過程中鉛垂向Z振級Lvl，z的最大值，即Lvl，z，max，分析的頻率范圍為1～80 Hz。計權標準采用現行GB 10070—1988《城市區域環境振動標準》仍沿用的ISO 2631-1:1985計權曲線。

2 測試結果分析

2.1 振動傳播的時域特征

現場獲取的振動數據典型曲線如圖2所示。不同行車速度工況下的各測點加速度幅值如表3和表4所示。

圖2 Ⅲ型接頭斷面承軌臺豎向加速度Fig.2 Vertical acceleration of rail support in type Ⅲ joint section

由表3和表4可知，Ⅲ型接頭斷面各測點的加速度幅值總體上較軌排中部斷面的大，兩個斷面鋼枕端部的加速度幅值分別位于0.8～2.3 m/s2和0.7～1.5 m/s2，鋼枕中部均位于0.7～1.4 m/s2，承軌臺分別位于0.3～0.6 m/s2和0.3～0.4 m/s2。

表3 Ⅲ型接頭斷面加速度幅值的樣本均值

表4 軌排中部斷面加速度幅值的樣本均值

2.2 振動傳播的頻域規律

對比鋼枕端部、鋼枕中部、承軌臺測點的振動加速度級，如圖3和圖4所示。從鋼枕端部(較鋼枕中部更靠近F軌)到鋼枕中部，以及從鋼枕端部到承軌臺，車致振動均有所衰減。其中從鋼枕端部到承軌臺這一過程的衰減明顯，在其衰減幅度方面，Ⅲ型接頭斷面較軌排中部斷面的大，其中20 Hz以下低頻范圍兩斷面減幅的差別最為顯著，可見接頭對低頻振動從鋼枕到承軌臺的傳播具有“路徑阻斷”效應。

圖3 Ⅲ型接頭斷面豎向振動1/3倍頻程譜(時速100 km)

圖4 軌排中部斷面豎向振動1/3倍頻程譜(時速100 km)

2.3 Ⅲ型接頭影響振動的頻域規律

對比Ⅲ型接頭斷面、軌排中部斷面的振動加速度級，如圖5—圖7所示。鋼枕端部、鋼枕中部兩個測點，2～200 Hz范圍Ⅲ型接頭斷面的全部振動加速度級均較軌排中部斷面的大，兩個測點振動加速度級的最大差值分別為20.6 dB和17.0 dB；承軌臺測點，20 Hz以下的低頻范圍軌排中部斷面的振動加速度級較Ⅲ型接頭斷面的大，但20 Hz以上的頻率范圍軌排中部斷面的振動加速度級較Ⅲ型接頭斷面的小(最大差值為10.0 dB)。這進一步表明接頭對振動從鋼枕到承軌臺傳播的“路徑阻斷”效應主要表現在20 Hz以下的頻率范圍。

圖5 鋼枕端部豎向振動加速度級對比(時速100 km)

圖6 鋼枕中部豎向振動加速度級對比(時速100 km)

圖7 承軌臺豎向振動加速度級對比(時速100 km)

2.4 行車速度影響振動的頻域規律

對比不同行車速度工況下承軌臺的振動加速度級，如圖8和圖9所示。承軌臺振動的優勢頻段為63～125 Hz。大約以63 Hz為界，低于63 Hz的頻率范圍承軌臺振動受行車速度的影響不明顯，高于63 Hz的頻率范圍受行車速度的影響顯著，隨行車速度增加而逐漸增大。

圖8 Ⅲ型接頭斷面承軌臺豎向振動加速度級

圖9 軌排中部斷面承軌臺豎向振動加速度級

2.5 振動源強的傳播衰減規律

振動源強Lvl，z，max從鋼枕端部到鋼枕中部再到承軌臺的衰減情況如圖10和圖11所示。Ⅲ型接頭斷面6種行車速度工況的振動傳播衰減曲線近乎平行，Lvl，z，max從鋼枕端部到鋼枕中部的衰減量約為1.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺的衰減量約為13.0 dB；軌排中部斷面6種行車速度工況振動傳播衰減曲線的平行形態較Ⅲ型接頭斷面的差，時速110 km、140 km兩種工況Lvl，z，max從鋼枕端部到鋼枕中部的衰減量約為2.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺的衰減量約為6.5 dB，時速100 km、120 km、130 km、150 km 4種工況Lvl，z，max從鋼枕端部到鋼枕中部的振動衰減量約為2.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺的振動衰減量約為3.2 dB。

圖10 Ⅲ型接頭斷面承軌臺Lvl，z，max傳播衰減曲線

圖11 軌排中部斷面承軌臺Lvl，z，max傳播衰減曲線

2.6 行車速度影響振動源強的規律

振動源強Lvl，z，max隨行車速度的變化規律如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可知，兩個斷面上的3個測點Lvl,z,max-v曲線均近乎于平行。其擬合公式為Lvl,z,max=A0+B0(v-v0)(A0、B0為擬合相關變量)。其中：III型接頭斷面中，鋼枕端部、鋼枕中部、承軌臺的A0分別取為96.7 dB、95.2 dB、81.5 dB，B0取為0.056 7 dB/(km/h)；軌排中部斷面中，鋼枕端部、鋼枕中部、承軌臺的A0分別取為88.6 dB、86.1 dB、81.1 dB，B0取為0.039 2 dB/(km/h), 試驗初始行車速度v0取為100 km/h。

圖12 Ⅲ型接頭斷面承軌臺Lvl，z，max-v曲線

圖13 軌排中部斷面承軌臺Lvl,z,max-v曲線

2.7 環境振動源強取值

以承軌臺測點的Lvl,z,max為環境振動源強，可使用上述擬合公式對不同行車速度工況下的環境振動源強進行計算，表5列舉了時速100 km、110 km、120 km、130 km、140 km、150 km條件下Ⅲ型接頭斷面、軌排中部斷面的環境振動源強計算結果。

表5 兩個斷面環境振動源強取值

3 結語

本文借助長沙中低速磁浮列車提速試驗的機會，開展了中低速磁浮快線車致振動傳播規律、源強取值研究，主要結論如下：

1) 軌道-橋梁系統的振動隨傳播距離增加而逐漸衰減，以從鋼枕端部到承軌臺這一過程的衰減最為顯著。軌排接頭對20 Hz以下的低頻振動從鋼枕到承軌臺的傳播具有“路徑阻斷”效應。

2) 鋼枕上兩個測點2～200 Hz的振動分量Ⅲ型接頭斷面較軌排中部的斷面大。

3) 承軌臺振動的優勢頻段為63～125 Hz，低于63 Hz的頻段受行車速度的影響不明顯，高于63 Hz的頻段受行車速度的影響顯著，并隨行車速度增加而逐漸增大。

4)Lvl,z，max的衰減幅度：時速為100～150 km時Ⅲ型接頭斷面從鋼枕端部到鋼枕中部約為1.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺約為13.0 dB；時速110 km、140 km兩種工況軌排中部斷面從鋼枕端部到鋼枕中部約為2.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺約為6.5 dB；時速100 km、120 km、130 km、150 km 4種工況從鋼枕端部到鋼枕中部約為2.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺約為3.2 dB。

5) 時速100 km工況下Ⅲ型接頭斷面、軌排中部斷面的環境振動源強Lvl,z,max分別為81.4 dB和81.1 dB；當提速至時速150 km時，兩個斷面的環境振動源強均為84.2 dB。

6) 兩個斷面的環境振動源強均與行車速度呈較顯著的線性關系，可按本文給出的Lvl,z,max-v表達式進行源強計算。