地鐵列車與定點錘擊荷載下浮置板軌道減振效果對比試驗研究

馬 蒙，李明航，吳宗臻，王文斌，劉維寧

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 城市軌道交通中心，北京 100081)

近年來，地鐵列車運行引起的環(huán)境振動問題持續(xù)受到關(guān)注。為控制地鐵環(huán)境振動，新線建設(shè)時采用減振軌道被認為是最有效且便于實施的手段。然而，盡管地鐵采用減振軌道的比例日益提高(如北京數(shù)條地鐵線路減振軌道鋪設(shè)長度占比超過50%[1-2])，但是線路開通運行后卻常常出現(xiàn)居民對其振動的投訴[3]。這一方面與我國地鐵振動預(yù)測評價體系的不完善有關(guān)；另一方面則與地鐵軌道減振效果在上線前的實驗室評估(線下評估)與上線后實際運營測試評價(線上評估)結(jié)果存在較大差異有關(guān)。

線上評估是指在運營線或試驗線，采用實際移動列車荷載作為振源，測試評價真實運營條件下軌道減振效果。如：李克飛等[4]測試了北京地鐵5號線軌道減振器扣件、梯式軌枕軌道的減振效果。趙才友等[5]測試了橋上無砟軌道鋪設(shè)橡膠減振墊的減振效果。劉鵬輝等[6]通過對北京地鐵的振源測試，對比得到了4種不同軌道減振產(chǎn)品的損失。由于線上測試通常難以原位更換軌道，所以上述研究通常選取相鄰軌道進行對比測試。而對比測試段受車速、曲線半徑、隧道型式、軌道下部剛度等各種復雜因素影響，因此實際線上測試得到的減振效果評價量并不是嚴格意義上的插入損失，而通常被稱為準插入損失或?qū)Ρ葥p失[6-7]。

線下評估是指在實驗室內(nèi)采用定點激勵作為振源評估軌道減振效果的方法。常用振源包括定點錘擊激勵[8]、掃頻激勵[9]和隨機激勵。各類代表性定點激振設(shè)備詳見文獻[10]的總結(jié)。線下評估由于試驗條件可控，能測試得到真正意義上的插入損失。同時由于測試成本低、無需采用移動列車激振，是各類軌道減振產(chǎn)品用于試驗線測試或正線測試之前首選的評價方法。

然而，近年來研究表明[11-13]：軌道的減振效果并非僅與軌道的自身特性有關(guān)，而與激勵條件、運營條件等因素也有關(guān)。因此如果忽略實驗室線下評估和現(xiàn)場線上評估的差異，將會直接影響減振軌道選型和參數(shù)設(shè)計。這種差異主要體現(xiàn)在：(1)軌道有預(yù)載和無預(yù)載的差異；(2)定點激勵和移動激勵時的差異。如何確定影響這種差異的因素、并最終在頻率上定量描述這種差異，是準確評估軌道減振產(chǎn)品在實際運營時減振效果的關(guān)鍵所在，這對新線在規(guī)劃階段實施有效的環(huán)境振動影響預(yù)測，以及多種減振措施優(yōu)化比選都起著至關(guān)重要的作用。對此，本文首次通過試驗方法研究測試鋼彈簧浮置板軌道在移動列車荷載與定點錘擊荷載作用下動力特性和減振效果的差異。

1 試驗概況

選取鋼彈簧浮置板軌道作為減振軌道代表，以地鐵普通無砟軌道作為對照。在上述2段軌道上分別施加移動列車荷載和定點錘擊荷載作為激勵，如圖1所示，以分析軌道動力響應(yīng)及軌道減振效果。

圖1 線上測試工況示意圖

試驗地點選在國家城市軌道交通綜合試驗線隧道段。該試驗線位于北京東郊環(huán)形鐵路大鐵試驗線內(nèi)側(cè)，正線為1條閉合的試驗線，線路全長11.577 km，隧道長925 m，內(nèi)鋪設(shè)鋼彈簧浮置板軌道(減振軌道)和普通無砟軌道(非減振軌道)。

鋼彈簧浮置板軌道設(shè)計自振頻率為9.5 Hz，每塊道床30 m，道床間設(shè)30 mm伸縮縫，并通過道床剪力伸縮鉸相連。鋼彈簧隔振器沿線路縱向布置間隔為1.2 m，橫向布置間距為1.9 m。

試驗所在隧道區(qū)段為單線矩形斷面，每種軌道類型各選取2個測試斷面，分別在鋼軌、道床、隧道基底和隧道壁上布置加速度傳感器，僅測試垂向振動響應(yīng)，如圖2所示。

圖2 測點布置示意圖

列車荷載激勵采用地鐵B型車6節(jié)編組空載車輛加載，列車通過試驗軌道的時速為52～53 km·h-1。激勵采用自動落錘激勵裝置如圖3所示，每次激振時通過電磁鐵將共計62.5 kg的質(zhì)量塊提升15 cm，切斷電源后質(zhì)量塊自由落體通過尼龍錘頭錘擊單根鋼軌。

圖3 落錘及測點照片

2 振動響應(yīng)

2.1 時程

2種荷載激勵下軌道振動響應(yīng)典型時程如圖4—圖7所示。為便于比較分析，縱坐標設(shè)定為相同尺度。由圖4—圖7可以看出：2種荷載激勵條件下，浮置板軌道的鋼軌及道床振動加速度響應(yīng)均顯著大于普通無砟軌道；而經(jīng)過鋼彈簧隔振器的過濾，浮置板軌道在基底和隧道壁上的振動響應(yīng)明顯小于普通無砟軌道。此外，當采用落錘激勵時，各測點時程峰值要略大于列車荷載激勵下響應(yīng)峰值。

2.2 三分之一倍頻程

以鋼軌和基底加速度響應(yīng)為代表，進一步分析2種荷載激勵下各測點加速度的三分之一倍頻程譜。圖8給出了不同工況下10個測試樣本的最大、最小值之間的包絡(luò)范圍(用陰影面積表示)以及平均值。

首先，列車荷載作用下各測試樣本間差異很小，而錘擊荷載作用下在10 Hz以下低頻段測試樣本間差異較大，且頻率越低，樣本離散程度越高。這是由于10 Hz以下頻段受列車準靜態(tài)分量影響較大，而錘擊荷載無論從激振能量還是激勵穩(wěn)定性都無法達到移動列車荷載的水平。

其次，在不同荷載工況下，各測點響應(yīng)均表現(xiàn)出完全不同的振動特性，盡管響應(yīng)在數(shù)量級上基本一致，但特征峰值和各頻段能量分布完全不同，具體表現(xiàn)在：

圖4 鋼軌典型加速度響應(yīng)時程

圖5 道床典型加速度響應(yīng)時程

圖6 基底典型加速度響應(yīng)時程

圖7 隧道壁典型加速度響應(yīng)時程

(1)對于浮置板道床，鋼軌上3～400 Hz范圍內(nèi)落錘激勵下的振動響應(yīng)均大于移動列車激勵。但振動傳到基底時，在40 Hz以上頻段落錘激勵引起的振動響應(yīng)明顯小于列車激勵下的振動響應(yīng)。

(2)對于普通道床，鋼軌上16～500 Hz范圍內(nèi)落錘激勵下的振動響應(yīng)均大于移動列車激勵。當振動傳遞到基底時，10～400 Hz間大部分頻段上落錘激勵下振動響應(yīng)依然大于列車激勵下的振動響應(yīng)，這表現(xiàn)出與浮置板道床完全不同的能量傳遞規(guī)律。

圖8 三分之一倍頻程加速度

3 振動衰減特征與減振效果

3.1 振動衰減特征

特定系統(tǒng)振動的衰減特征一般采用傳遞損失(TL，dB)描述。從振動輸入點1到輸出點2的傳遞損失定義為

(1)

式中：VL和a分別表示振動加速度級和加速度；下標表示振動輸入點和輸出點。

當傳遞損失為正值時，表示振動通過特定系統(tǒng)被衰減，反之振動被放大。

圖9為2種荷載激勵下不同軌道型式鋼軌到道床的平均傳遞損失。在4～50 Hz頻段范圍內(nèi)，鋼軌到道床的振動衰減普通道床大于浮置板道床。浮置板在自振頻率(8～10 Hz)附近振動衰減量很小。浮置板道床在4～25 Hz、普通道床在4～30 Hz范圍內(nèi)，錘擊荷載與移動列車荷載引起的振動傳遞特性表現(xiàn)出一致的趨勢，但在其他頻率由于激勵能量的差異以及系統(tǒng)的非線性特性，傳遞損失差異較明顯。

圖9 鋼軌到道床傳遞損失

圖10為2種荷載激勵下不同軌道型式道床到基底的平均傳遞損失。在高于4 Hz頻段范圍內(nèi)，道床到基底的振動衰減量浮置板道床顯著大于普通道床；且在4～30 Hz頻段范圍內(nèi)，對于浮置板軌道頻率越高振動衰減量越高，對于普通無砟軌道頻率越高振動衰減量越低；在較高頻段，2種軌道型式傳遞損失差異較為明顯。

圖10 道床到基底傳遞損失

3.2 減振效果

對系統(tǒng)插入減振彈性元件后，減振效果的評價應(yīng)采用插入損失(IL，dB)，其定義為

(2)

式中：下標w0表示未插入彈性元件；下標w表示插入彈性元件。

當插入損失為正值時，表示彈性元件有減振效果，反之無減振效果。

當不具備原位更換軌道測試時可采用相鄰軌道對比測試的方法[14]，用相鄰軌道間振級差(即對比損失[6-7])代替插入損失。

圖11為在隧道基底和隧道壁上測試得到的2種荷載激勵下的損失。由圖11可以看出：浮置板軌道在自振頻率(8～10 Hz)附近減振效果為負值；在幾乎所有頻段上，錘擊荷載測試得到的減振效果均優(yōu)于移動列車荷載測試得到的減振效果，40～100 Hz頻段內(nèi)這種評估差異超過10 dB；當頻率趨近于1 Hz時，錘擊荷載得到的損失值趨于0，這與單自由度質(zhì)量彈簧系統(tǒng)減振特性相似，但移動列車荷載作用下，自振頻率以下頻段的損失為負。

圖11 浮置板軌道減振效果

4 結(jié) 論

(1)在不同荷載激勵下，軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)均表現(xiàn)出完全不同的振動特性，特征峰值、各頻段能量分布以及振動傳遞特性均表現(xiàn)出明顯差異。

(2)在幾乎所有頻段上，錘擊荷載測試得到的減振效果均優(yōu)于移動列車荷載測試得到的減振效果，40～100 Hz頻段內(nèi)這種評估差異超過10 dB；浮置板軌道在自振頻率附近減振效果為負值，且移動列車荷載作用下自振頻率以下頻段的損失為負。

(3)針對浮置板軌道，為給出更加客觀、保守的減振效果評價結(jié)果，移動列車荷載激勵方式優(yōu)于定點錘擊激勵方式。