預(yù)制短板浮置板軌道減振特性研究

鄒 彥，劉 揚(yáng)，馬曉云，練松良

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.上海軌道交通技術(shù)研究中心，上海 201103）

預(yù)制短板浮置板軌道減振特性研究

鄒 彥1，劉 揚(yáng)2，馬曉云1，練松良1

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.上海軌道交通技術(shù)研究中心，上海 201103）

浮置板軌道結(jié)構(gòu)具有良好的減振性能和效果，并在城市軌道交通中得到廣泛使用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采集預(yù)制短板浮置板和長(zhǎng)枕埋入式軌道上各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，分析預(yù)制短板浮置板的動(dòng)態(tài)特性并對(duì)比了減振特性。研究結(jié)果顯示，隧道內(nèi)，預(yù)制短板浮置板軌道的隔振效果在100 Hz以上區(qū)間大于20 dB；地面上，預(yù)制短板浮置板軌道在25 Hz頻段以上有較好的隔振效果，最大可達(dá)25 dB，說(shuō)明預(yù)制短板浮置板具有良好的減振降噪效果。

城市軌道交通；浮置板；振動(dòng)加速度；減振特性

浮置板軌道是將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置在鋼彈簧（或橡膠）隔振器上，構(gòu)成質(zhì)量－彈性體隔振系統(tǒng)，利用整個(gè)道床在彈性體上進(jìn)行慣性運(yùn)動(dòng)來(lái)隔離和衰減列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)。常用的浮置板軌道結(jié)構(gòu)大體上分為橡膠支承式、鋼彈簧支承式和縱向浮置板軌道三種[1]。

常規(guī)浮置板軌道結(jié)構(gòu)一般采用現(xiàn)場(chǎng)澆注的施工方式，施工進(jìn)度緩慢。而預(yù)制短板浮置板軌道是在預(yù)制件廠生產(chǎn)一定結(jié)構(gòu)型式的標(biāo)準(zhǔn)短板（長(zhǎng)度為3.6 m或4.8 m），然后通過(guò)軌道車(chē)和龍門(mén)吊車(chē)運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋪設(shè)，并在兩個(gè)方向進(jìn)行限位的一種浮置板形式[2]。采用預(yù)制短板浮置板軌道結(jié)構(gòu)，可以加快施工進(jìn)度，解決困擾施工工期的瓶頸問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)制短板浮置板軌道動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，并對(duì)普通長(zhǎng)枕埋入式軌道、預(yù)制短板浮置板軌道的減振特性進(jìn)行了對(duì)比。

1 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

1.1 測(cè)試內(nèi)容

預(yù)制短板浮置板板長(zhǎng)3.6 m，有6個(gè)鋼彈簧，彈簧剛度為6.7 kN/mm，板間有2個(gè)剪力鉸。為了分析其動(dòng)態(tài)特性，選擇在地鐵線路隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，先在浮置板上激勵(lì)力的作用位置，用膨脹螺釘固定一鐵件。鐵件上安裝有力傳感器，通過(guò)力傳感器，用兩端帶螺紋的連接桿將浮置板與電磁激振器聯(lián)結(jié)，便可使激振器的輸出力作用于浮置板，推動(dòng)浮置板產(chǎn)生振動(dòng)，如圖1所示。

然后在浮置板上布置4個(gè)加速度傳感器，并在浮置板兩端的道床上各安裝1個(gè)加速度傳感器，分別用于測(cè)試預(yù)制短板浮置板的振動(dòng)響應(yīng)和浮置板傳遞至道床的振動(dòng)。傳感器布置見(jiàn)圖2所示。

試驗(yàn)開(kāi)始后，利用電磁激振器輸出幅值為1 000 N（頻率3～60 Hz）的周期激振動(dòng)力，使浮置板產(chǎn)生受迫振動(dòng)，并在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中記錄并儲(chǔ)存浮置板和道床各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)加速度。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的軌道激振Fig.1 Field test of track vibration excitation

圖2 浮置板上傳感器布置圖Fig.2 Layout of sensor on floating slab

1.2 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試中共記錄了10組數(shù)據(jù)，每組記錄數(shù)據(jù)為10 s以上，其中一個(gè)樣本的波形圖如圖3所示。

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到浮置板和道床的加速度導(dǎo)納、浮置板的動(dòng)柔度以及浮置板、道床與激振力之間的相干函數(shù)，用以分析浮置板系統(tǒng)的振動(dòng)特性和隔振性能[3]。圖3為其中一組激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)比較大的測(cè)試信號(hào)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

從浮置板的動(dòng)柔度頻率特性曲線圖中可知，系統(tǒng)的諧振頻率約為11 Hz，隔振器的阻尼比約在0.16左右[4]；比較浮置板和道床兩者的加速度導(dǎo)納圖可知，在高于諧振頻率的頻段，浮置板加速度遠(yuǎn)高于道床加速度，約為后者的50～60倍，顯示了浮置板軌道的隔振作用，在5 Hz附近，浮置板加速度約為道床加速度的10倍，反映了浮置板軌道在低于諧振頻率的頻段隔振效果比較差；由相關(guān)函數(shù)圖可知，浮置板振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)力之間的相干函數(shù)在大部分頻率點(diǎn)接近于1，說(shuō)明浮置板振動(dòng)的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)可靠，而道床振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)力之間的相干函數(shù)只在大于約12 Hz以上才達(dá)到0.8左右，說(shuō)明道床在10 Hz以下的振動(dòng)響應(yīng)只有一部分是由于激勵(lì)力而引起的，其余部分是在激振動(dòng)力作用下產(chǎn)生的其他頻率環(huán)境振動(dòng)。

2 隧道內(nèi)振動(dòng)測(cè)試

2.1 測(cè)試內(nèi)容

為測(cè)試預(yù)制短板浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振特性，在地鐵線路隧道內(nèi)進(jìn)行實(shí)車(chē)運(yùn)行測(cè)試，分別在線路采用普通長(zhǎng)枕埋入式軌道結(jié)構(gòu)和預(yù)制短板浮置板軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段內(nèi)各布置一測(cè)試斷面進(jìn)行對(duì)比。

測(cè)試列車(chē)為上海地鐵10號(hào)線車(chē)輛，為A型車(chē)6節(jié)車(chē)輛編組，軸重16 t，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h,在測(cè)試區(qū)段連續(xù)往返運(yùn)行，列車(chē)往返總共經(jīng)過(guò)長(zhǎng)枕埋入式和預(yù)制短板浮置板軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段測(cè)試斷面25次，平均通過(guò)速度為50多公里/小時(shí)到60多公里/小時(shí)。在列車(chē)經(jīng)過(guò)測(cè)試斷面的20 s左右的時(shí)間，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集測(cè)試斷面各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度。測(cè)點(diǎn)分別有兩軌的垂向和橫向振動(dòng)加速度，軌下位置和線路中心處浮置板振動(dòng)加速度，浮置板下道床振動(dòng)加速度及隧道壁橫向和垂向振動(dòng)加速度[5]。

2.2 測(cè)試結(jié)果及分析

得到測(cè)試數(shù)據(jù)后，先對(duì)其時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行截取，以時(shí)速62.5 km/h通過(guò)長(zhǎng)枕埋入式軌道的測(cè)試結(jié)果和時(shí)速62.9 km/h通過(guò)預(yù)制短板浮置板軌道的測(cè)試結(jié)果為例，鋼軌、浮置板和道床的振動(dòng)加速度波形分別如圖4～圖5所示[6]。

從圖5中可以看出，長(zhǎng)枕埋入式軌道鋼軌垂向振動(dòng)加速度振幅約為12～20 g，明顯比預(yù)制短板浮置板軌道約為20～30 g的測(cè)試結(jié)果小；其橫向振動(dòng)加速度振幅約為5～7 g，也明顯小于預(yù)制短板浮置板軌道約為10～20 g的測(cè)試結(jié)果，并且鋼軌橫向振動(dòng)明顯小于垂向振動(dòng)。

圖3 激勵(lì)力及浮置板測(cè)點(diǎn)1、2的加速度信號(hào)Fig.3 Exciting force and acceleration signal of measuring point 1&2 on floating slab

圖4 浮置板和道床的加速度導(dǎo)納、浮置板動(dòng)柔度以及相干函數(shù)Fig.4 Accelerance of floating slab and ballast bed,receptance of floating slab and coherence

圖5 鋼軌垂向與橫向振動(dòng)加速度Fig.5 Vertical and lateral vibration acceleration of rail

而從圖6～圖8的比較中可以看出，長(zhǎng)枕埋入式軌道道床的垂向振動(dòng)加速度振幅可達(dá)0.15 g左右，遠(yuǎn)大于預(yù)制短板浮置板軌道的道床加速度振幅0.01 g；隧道壁橫向加速度振幅最大為0.05 g左右、垂向加速度振幅最大為0.03 g左右，也大大高于預(yù)制短板浮置板軌道隧道壁的橫向加速度振幅0.003 g、垂向加速度振幅0.003 g。

為了分析預(yù)制短板浮置板更多的振動(dòng)特性，對(duì)上述截取得到的信號(hào)進(jìn)行處理，先對(duì)各趟次軌道板振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行三分之一倍頻分析，然后再求取進(jìn)行平均值，得到各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度的1/3倍頻程譜[7]。長(zhǎng)枕埋入式軌道和浮置板軌道的鋼軌的振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜見(jiàn)圖9～圖10。從圖中可以看出，長(zhǎng)枕埋入式軌道鋼軌的振動(dòng)頻譜雖然與預(yù)制短板浮置板軌道基本相同，但是鋼軌橫向振動(dòng)在400～1 200 Hz峰值區(qū)間明顯小于垂向振動(dòng)。

圖6 長(zhǎng)枕埋入式軌道道床中間垂向與橫向振動(dòng)加速度Fig.6 Vertical and lateral vibration acceleration of ballast bed of long sleeper buried track

圖7 長(zhǎng)枕埋入式軌道隧道壁振動(dòng)加速度Fig.7 Vibration acceleration of tunnel of long sleeper buried track

圖8 短板浮置板道床與隧道壁振動(dòng)加速度Fig.8 Acceleration of ballast bed and tunnel of short floating slab track

圖9 長(zhǎng)枕埋入式軌道鋼軌振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜Fig.9 Rail acceleration of 1/3 octave spectrum of long sleeper buried track

圖10 浮置板軌道鋼軌振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜Fig.10 Rail acceleration of 1/3 octave spectrum of short floating slab track

圖11 兩種軌道結(jié)構(gòu)道床及隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜比較Fig.11 Ballast bed and tunnel acceleration of 1/3 octave spectrum of two kinds of tracks

圖11為兩種不同軌道的道床垂向與隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜比較圖。從圖中可以看到，在100 Hz以上，預(yù)制短板浮置板道床的振動(dòng)加速度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)枕埋入式軌道的振動(dòng)加速度，前者小于后者平均20 dB以上。兩種軌道結(jié)構(gòu)隧道壁振動(dòng)加速度的對(duì)比情況與道床情況基本相似。但在100 Hz以下，情況更為復(fù)雜。在12.5 Hz處，預(yù)制短板浮置板軌道的道床振動(dòng)與隧道壁振動(dòng)加速度均大于長(zhǎng)枕埋入式軌道8～10 dB左右。其原因在于：只有振動(dòng)頻率高于浮置板-隔振器系統(tǒng)固有頻率的1.4倍時(shí)，預(yù)制短板浮置板軌道才起隔振作用；但在其固有頻率附近，振動(dòng)反而增大。預(yù)制短板浮置板系統(tǒng)的固有頻率大約為12～13 Hz，因此起隔振作用的起始頻率約為17～18 Hz。通過(guò)兩種軌道對(duì)應(yīng)部件振動(dòng)加速度的比較，可以得出在20～100 Hz區(qū)間，預(yù)制短板浮置板軌道的隔振效果約為6～20 dB。

3 地面振動(dòng)測(cè)試

3.1 測(cè)試內(nèi)容

為進(jìn)一步分析預(yù)制短板浮置板的減振特性，分別選取長(zhǎng)枕埋入式軌道、預(yù)制短板浮置板各區(qū)段隧道正上方地面作為測(cè)試斷面，在距離軌道中心線0，10，20 m地面處布置加速度傳感器。列車(chē)往返經(jīng)過(guò)測(cè)試斷面25次，拾取經(jīng)過(guò)時(shí)地面的垂向和橫向加速度信號(hào)。通過(guò)地面振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，評(píng)估浮置板對(duì)地面環(huán)境振動(dòng)的隔振效果。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

3.2.1 1/3倍頻分析

為分析軌道結(jié)構(gòu)類型對(duì)地面的振動(dòng)能量的分布大小的影響，對(duì)每趟列車(chē)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行三分之一倍頻分析，然后再取平均值，得到振動(dòng)能量在分析頻段上的分布情況，以車(chē)速為60 km/h時(shí)距地面0 m數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖12所示。

圖12 地面0m處振動(dòng)1/3倍頻程譜Fig.12 1/3 octave spectrum of vibration on the ground at 0m

從圖中可以看出，長(zhǎng)枕埋入式軌道地面振動(dòng)頻率一般分布在25～80 Hz的范圍內(nèi)，預(yù)制短板浮置板區(qū)段地面環(huán)境振動(dòng)一般分布在4～20 Hz的范圍內(nèi)；長(zhǎng)枕埋入式軌道地面振動(dòng)水平隨距軌道中心線距離的增大而減小；相對(duì)長(zhǎng)枕埋入式軌道區(qū)段地面振動(dòng)而言，預(yù)制短板浮置板在20 Hz以上的頻段具有良好的減振效果，最大可達(dá)25 dB，但在2.5～16 Hz的范圍內(nèi)對(duì)地面振動(dòng)水平起輕微放大的作用。

3.2.2 Z振級(jí)分析

列車(chē)經(jīng)過(guò)各測(cè)試斷面后，根據(jù)其運(yùn)行速度分為50，60，70 km/h三檔，并對(duì)各測(cè)點(diǎn)拾取的垂向振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行振級(jí)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法主要參考《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB10070-88）[8]。對(duì)每一檔車(chē)速下的數(shù)據(jù)取平均值，得到相同車(chē)速條件下不同軌道結(jié)構(gòu)對(duì)地面環(huán)境振動(dòng)水平的影響規(guī)律，部分結(jié)果如圖13所示。

從圖中可以看出，車(chē)速提高對(duì)地面各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)影響不大；從振級(jí)的最大值上看，列車(chē)在長(zhǎng)枕埋入式軌道區(qū)段引起的環(huán)境振動(dòng)水平比預(yù)制長(zhǎng)板浮置板軌道更高，距軌道中心線0，10，20 m地面處，預(yù)制短板浮置板的減振效果為12，5.4，1.1 dB，進(jìn)一步說(shuō)明預(yù)制短板浮置板軌道的減振效果優(yōu)于長(zhǎng)枕埋入式軌道。

圖13 不同軌道結(jié)構(gòu)類型Z振級(jí)（最大值）Fig.13 Z vibration level of two types of track(max)

4 結(jié)論

1）預(yù)制短板浮置板軌道的隔振機(jī)理，是以自身振動(dòng)處于較高水平為代價(jià)，從而達(dá)到降低基底與隧道振動(dòng)的效果；且只有在振動(dòng)頻率高于浮置板-隔振器系統(tǒng)固有頻率的1.4倍（16～17 Hz）時(shí)，預(yù)制短板浮置板軌道才起隔振作用。

2）隧道內(nèi)，通過(guò)對(duì)比長(zhǎng)枕埋入式軌道各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值和1/3倍頻程譜可知，預(yù)制短板浮置板軌道具有良好的減振效果：在20～100 Hz區(qū)間，預(yù)制短板浮置板軌道的減振效果約為6～20 dB；而在100 Hz以上，浮置板軌道的減振效果平均大于20 dB。

3）從地面振動(dòng)測(cè)試可知，車(chē)速的變化對(duì)地面振動(dòng)的影響并不大，總體上各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)水平隨距軌道中心線的距離增大而減小；預(yù)制短板浮置板在20 Hz以上的頻段具有良好的減振效果，最大可達(dá)25 dB；進(jìn)一步說(shuō)明預(yù)制短板浮置板軌道的減振效果優(yōu)于長(zhǎng)枕埋入式軌道。

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Research on the Damping Characteristic of Precast Short Board Floating Slab Track

Zou Yan1，Liu Yang2，Ma Xiaoyun1，Lian Songlian1
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.Technology Research Center of Shanghai Rail Transit,Shanghai 201103,China）

Floating slab track is very effective in decreasing the vibration,which has been made full use in urban rail transit.In order to study the dynamic characteristics of floating slab,and compare its damping characteristics with long sleeper buried track,the vibration acceleration data of precast short board floating slab and long sleeper buried track are collected by field test.The results show that the damping effect of precast short board floating slab track is greater than 20 dB at the section more than 100 Hz in tunnel,and up to 25 dB at the section more than 25 Hz on the ground.It proposes that precast short board floating slab is a highly efficient measure which can achieve the expected damping effect.

urban rail transit;floating slab;vibration acceleration;damping characteristic

U213

：A

1005-0523（2017）01-0033-07

（責(zé)任編輯 王建華）

2016－08－15

上海市科委研究項(xiàng)目（14231201002）

鄒彥（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐壍澜Y(jié)構(gòu)動(dòng)力分析。

練松良（1956—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐壍澜Y(jié)構(gòu)振動(dòng)。