一種用于無砟道床改造的鋼枕振動試驗(yàn)研究

摘要 為了全面檢驗(yàn)無砟道床改造施工過程中臨時(shí)軌道行車用鋼枕的安全性和平穩(wěn)性，在現(xiàn)場對其位移及振動特性進(jìn)行測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼枕垂向及縱向位移較小，與仿真分析結(jié)果一致，試驗(yàn)車輛速度對鋼枕垂向及縱向位移影響不明顯，鋼枕能夠滿足車輛平穩(wěn)安全行駛要求。采用鋼枕地段，隧道壁振動大于長軌枕無砟道床地段。鋼枕對車輛通過時(shí)產(chǎn)生的振動有放大作用，但作用有限，不會因?yàn)槭褂娩撜懋a(chǎn)生較大振動影響。

關(guān)鍵詞 無砟道床；改造技術(shù)；鋼枕；振動特性

中圖分類號 U213.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0030-03

0 引言

早期地鐵建設(shè)受制于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平等條件限制，在無砟道床設(shè)計(jì)方面存在著一些不足。隨著運(yùn)營里程的不斷增加和運(yùn)營時(shí)間的不斷提升，日常養(yǎng)護(hù)維修天窗點(diǎn)縮減，對于軌道結(jié)構(gòu)特別是道床結(jié)構(gòu)的維護(hù)不到位，道床出現(xiàn)開裂，破損等現(xiàn)象。對于已經(jīng)出現(xiàn)病害的道床，簡單的維修手段往往不能有效根治，會給列車運(yùn)行造成極大風(fēng)險(xiǎn)，對于道床的改造工作勢在必行。但是由于無砟道床為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拆除后重新澆筑的施工周期長，必然會影響地鐵線路的正常運(yùn)營。如何在不中斷運(yùn)營的前提下進(jìn)行無砟道床改造是研究的重點(diǎn)方向。為此，該文研發(fā)一種用于無砟道床改造時(shí)的鋼枕過渡支承方案，用于保證列車正常運(yùn)行[1-4]，并對其現(xiàn)場工作狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究。該鋼枕試驗(yàn)研究在整體道床改造試驗(yàn)段進(jìn)行。該試驗(yàn)段將為后續(xù)大規(guī)模的整體道床改造工程做前期基礎(chǔ)鋪墊。在施工過程中，臨時(shí)軌道是否能承受正常的車輛荷載，是否能保證行車的安全性和乘坐舒適性這些問題都需要進(jìn)一步驗(yàn)證[6]。因此，為了全面檢驗(yàn)整體道床改造施工過程中鋼枕行車的安全性和平穩(wěn)性，為后續(xù)大規(guī)模的軌道結(jié)構(gòu)改造提供安全可靠的保障，有必要對整體道床改造成臨時(shí)軌道的動力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并結(jié)合理論分析，從而提出相應(yīng)的改進(jìn)措施[5-6]。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容為分析車輛以不同速度通過時(shí)，鋼枕的位移、振動特性及隧道壁的振動特性。在鋼枕上布設(shè)位移傳感器，同時(shí)在鋼枕及隧道壁上布設(shè)振動加速度傳感器，拾取試驗(yàn)車輛以不同車速通過時(shí)，測試斷面各測點(diǎn)的位移和振動加速度信號，分析不同車速引起的軌道、隧道結(jié)構(gòu)的位移和振動水平。

2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)測試選取100 m試驗(yàn)段，位于直線，坡度7.4‰地段。采用兩軸車輛進(jìn)行試驗(yàn)，該車軸距3 m，軸重13 t，測試車輛分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h的速度通過試驗(yàn)測試地段。該段既有為長軌枕埋入式無砟道床，待道床拆除后，每隔0.6 m布置一根鋼枕，共布置6根。鋼枕固定在隧道壁側(cè)向手孔內(nèi)，采用螺栓連接，如圖1所示。待鋼枕安裝完成后，布置測點(diǎn)，該次測試共包括7個(gè)測點(diǎn)，其中鋼枕位移測點(diǎn)5個(gè)，振動加速度測點(diǎn)2個(gè)，具體測點(diǎn)布置位置說明見表1。

對各測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采樣頻率為1 000 Hz。其中采集車速10 km/h數(shù)據(jù)10次，車速20 km/h數(shù)據(jù)10次，車速30 km/h數(shù)據(jù)10次。

為了便于說明，規(guī)定沿著試驗(yàn)車輛行進(jìn)方向，左側(cè)為左軌，右側(cè)為右軌，下文中提到的左、右軌均與此規(guī)定相同。

3 鋼枕及隧道振動分析

測試在試驗(yàn)車輛通過測試斷面前后的時(shí)間段內(nèi)，利用動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并保存，將采集到的數(shù)據(jù)處理后，得到試驗(yàn)車輛經(jīng)過時(shí)垂向、橫向位移及振動加速度數(shù)據(jù)有效部分。根據(jù)試驗(yàn)車輛的不同速度進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)并分析每個(gè)速度下鋼枕的垂向、縱向位移和垂向加速度及隧道壁垂向振動加速度。

3.1 鋼枕位移分析

試驗(yàn)車輛不同速度通過時(shí)，鋼枕變形規(guī)律相同，均為垂向及縱向位移，在試驗(yàn)車輛通過測試斷面時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的極值點(diǎn)，與試驗(yàn)車輛軸數(shù)相符。試驗(yàn)車輛通過前，鋼枕出現(xiàn)方向向上的反向位移（波形圖中的負(fù)值），這主要是由于鋼軌將既有道床與鋼枕段連為一體，當(dāng)車輛駛?cè)脘撜矶吻耙鹆虽撥壪聯(lián)希率逛撜矶斡休^大的上拔力，所以在鋼枕的設(shè)計(jì)中要考慮扣件與鋼枕的連接，增大扣件套管的抗拔力。試驗(yàn)車輛以30 km/h通過時(shí)鋼枕垂向、縱向位移如圖2所示。其余速度下鋼枕位移變化規(guī)律相同，在此不再贅述。

為了對比不同車速對鋼枕垂向和縱向位移的影響，將試驗(yàn)車輛以不同速度通過時(shí)各測點(diǎn)垂向和縱向位移的最大值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。

垂向位移方面，鋼枕各測點(diǎn)垂向位移受車速影響不大，其中鋼枕在左軌正下方、軌道中心線及右軌正下方垂向位移最大值分別為1.99 mm、3.40 mm、3.40 mm。與有限元計(jì)算得到的在垂向靜載荷工況作用下的鋼枕中部垂向位移為3.59 mm是相符的，仿真模擬與實(shí)際測試軌道中心線位移有較好的對應(yīng)關(guān)系。右軌正下方垂向位移均大于左軌正下方垂向位移，同時(shí)右軌正下方垂向位移與鋼枕軌道中心線處垂向位移較為接近。

縱向位移方面，鋼枕在試驗(yàn)車輛低速通過時(shí)（10 km/h），各測點(diǎn)縱向位移較大，其中鋼枕在左軌正下方和右軌正下方垂向位移最大值分別為0.74 mm和0.98 mm。不同測點(diǎn)鋼枕縱向位移，右軌正下方縱向位移均大于左軌正下方縱向位移。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，隨著車輛通過速度的增加，隧道壁垂向、縱向位移均無較大變化，車輛速度對于隧道壁位移影響較小。

3.2 鋼枕及隧道壁振動分析

由振動試驗(yàn)結(jié)果可知，不同速度下，鋼枕及隧道壁振動波形較為相似，此處僅列出車輛速度30 km/h時(shí)鋼枕和隧道壁振動波形圖，如圖3所示。

不同速度下鋼枕及隧道壁振動加速度最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。對比不同車速相同測點(diǎn)加速度幅值可見，鋼枕和隧道壁加速度幅值隨著車速的提高逐漸增大。鋼枕在軌道中心線處的垂向加速度最大值由75.37 m/s2增大至86.61 m/s2，隧道壁垂向振動加速度最大值由0.26 m/s2

增大至0.70 m/s2。當(dāng)試驗(yàn)車輛以30 km/h的速度通過測試斷面時(shí)，鋼枕在軌道中心線處垂向加速度最大值為86.61 m/s2，隧道壁垂向加速度最大值為0.70 m/s2。

由于鋼枕材質(zhì)為鋼材，車輛通過時(shí)鋼枕振動加速度值較大，但傳遞至隧道壁上振動加速度較小，仍維持在普通水平。為了分析鋼枕處隧道壁、普通軌枕埋入式無砟道床振動能量的分布特性，先對各趟次振動加速度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行三分之一倍頻分析，然后再求取平均值，得到振動能量在分析頻段上的分布情況，見圖4。隧道壁垂向振動Z振級，當(dāng)車輛速度為30 km/h通過時(shí)，隧道壁Z振級達(dá)到的最大值為73.5 dB。

將鋼枕地段加速度級減去長枕埋入式無砟道床地段加速度級作為插入損失，如圖5所示。采用鋼枕地段隧道壁振動加速度在各個(gè)頻率上均有提高，最大值為8 dB，采用鋼枕作為臨時(shí)支承，列車通過時(shí)會增大隧道振動，同一斷面?zhèn)髦恋孛嬲駝訒环糯螅瑢τ诰€路兩側(cè)存在振動敏感建筑的要經(jīng)振動預(yù)測后達(dá)標(biāo)方能使用。

4 結(jié)論

（1）鋼枕左軌中心線正下方，軌道中心線處，右軌中心線正下方垂向位移最大值分別為1.99 mm、3.40 mm、

3.40 mm，鋼枕左右軌縱向位移最大值分別為0.74 mm和0.98 mm，試驗(yàn)車輛速度對鋼枕垂向及縱向位移影響不明顯。

（2）鋼枕在軌道中心線處垂向加速度最大值為86.61 m/s2，隧道壁垂向加速度最大值為0.70 m/s2。試驗(yàn)車輛速度對垂向振動加速度影響顯著，鋼枕和隧道壁加速度幅值隨著車速的提高逐漸增大。

（3）隧道壁Z振級隨著車輛速度的增大而增大，當(dāng)速度為30 km/h時(shí)，隧道壁垂向振動Z振級最大值為73.5 dB。經(jīng)三分之一倍頻分析，采用鋼枕地段，隧道壁振動大于長軌枕埋入式無砟道床地段。鋼枕對車輛通過時(shí)產(chǎn)生的振動有放大作用，但作用有限，不會因?yàn)槭褂娩撜懋a(chǎn)生較大振動影響。

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