板下減振墊對橡膠浮置板軌道減振性能的影響

金浩，劉維寧，周順華

(1.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；

2. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

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板下減振墊對橡膠浮置板軌道減振性能的影響

金浩1，劉維寧2，周順華1

(1.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；

2. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

摘要:為提升橡膠浮置板軌道的減振性能，在滿鋪型橡膠浮置板軌道的基礎(chǔ)上，探討條鋪型橡膠浮置板軌道和點鋪型橡膠浮置板軌道。在地下實驗室，測試3種橡膠浮置板軌道的豎向振動加速度。利用Matlab編程軟件，對測試得到的數(shù)據(jù)進行頻域處理，得到浮置板到隧道壁的加速度級傳遞損失和隧道壁的加速度級插入損失。研究結(jié)果表明：條鋪和點鋪使得橡膠浮置板軌道的傳遞損失增大；條鋪和點鋪使得橡膠浮置板軌道的減振工作頻率降低。

關(guān)鍵詞：橡膠浮置板軌道；減振；傳遞損失；插入損失；支撐型式

目前，中國大陸城市軌道交通的建設(shè)已經(jīng)進入快速發(fā)展期。據(jù)資料顯示，擁有軌道交通的城市已經(jīng)由2000年的3座(北京、上海和廣州)上升至2014年的22座。僅2014年，中國城市軌道交通就新增里程386 km。在城市軌道交通取得可喜成績的同時，地鐵振動問題不時見諸報端。已有研究表明，地鐵振動不僅影響沿線居民的日常生活[1]，影響沿線部分高精密儀器的正常工作[2-3]，還對沿線古建筑產(chǎn)生一定的破壞作用(以北京和西安等歷史名城最為明顯)[4-5]。地鐵振動已然成為一個亟待解決的民生問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，北京軌道交通新線中采用軌道減振措施的線路已經(jīng)占到了40%～60%。其中有高級減振措施鋼彈簧浮置板軌道，中等減振措施梯式軌道和滿鋪型橡膠浮置板軌道(這里的橡膠為廣義概念，包括聚氨酯等材料)等?；诙喾矫嬉蛩氐目紤]，滿鋪型橡膠浮置板軌道近些年在城市軌道交通中得以大量使用。由于現(xiàn)有橡膠浮置板軌道板下減振墊只有滿鋪一種型式。因此，有關(guān)于橡膠浮置板軌道的研究，也集中于滿鋪型橡膠浮置板軌道，采用的方法主要為數(shù)值模擬和理論解析。曹宇澤等[6]對隔離式橡膠浮置板的固有頻率、動荷載下力學(xué)響應(yīng)以及減振性能進行了力學(xué)分析，并對浮置板厚度進行了探討。鄒錦華等[7-8]應(yīng)用軌道段組合單元，建立了能反映橡膠浮置板軌道豎向振動特性的動力模型。徐慶元等[9]建立了地鐵列車-橡膠浮置板軌道-隧道耦合動力學(xué)模型，對地鐵隧道3種浮置板長度、5種橡膠剛度的橡膠浮置板進行了動力計算。另外，也有一些學(xué)者進行了實驗室試驗或現(xiàn)場測試，如：李再幃等[10]通過現(xiàn)場測試，分析了浮置板軌道結(jié)構(gòu)對地鐵車輛的振動影響。以上這些研究，多集中于研究浮置板的幾何尺寸(長、寬、高)和板下減振墊的支撐剛度等，尚沒有對板下減振墊的鋪設(shè)型式進行分析。本文在前期數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，經(jīng)相關(guān)科研單位共同探討，對板下減振墊不同鋪設(shè)型式(滿鋪、條鋪和點鋪)的橡膠浮置板進行了振動測試。以期為橡膠浮置板減振性能的改進，提供新方法和新思路。

1板下減振墊種類

本次試驗用浮置板尺寸為7 m(長)×3.5 m(寬)×0.4 m(厚)。浮置板上共有20組扣件，2根7 m長60kg/m鋼軌。在浮置板兩側(cè)分別留置3個液壓千斤頂，用于抬升浮置板和更換板下減振墊。

目前，國內(nèi)軌道交通使用的板下減振墊鋪設(shè)型式為滿鋪型，如圖1所示。根據(jù)試驗用浮置板的幾何尺寸，設(shè)計滿鋪減振墊尺寸為7 m×3.5 m×0.025 m。

圖1　滿鋪浮置板Fig.1 Floating slab track with full-surface supporting

為減少板下減振墊的材料使用量以及提高橡膠浮置板軌道的減振性能，本文設(shè)計了條鋪浮置板軌道和點鋪浮置板軌道2種型式。條鋪浮置板軌道板下減振墊尺寸為7 m×0.25 m×0.025 m，共2塊，鋪設(shè)位置如圖2所示。點鋪浮置板軌道板下減振墊尺寸為0.4 m×0.375 m×0.025 m，共12塊，鋪設(shè)位置如圖3所示。板下減振墊的長邊和鋼軌中軸線重合(試驗不考慮鋼軌軌底坡)。

單位：mm(a)平面;(b)剖面圖2　條鋪浮置板Fig.2 Floating slab track with linear supporting

單位：m(a)平面;(b)剖面圖3　點鋪浮置板Fig.3 Floating slab track with point-like supporting

相比于滿鋪浮置板軌道，條鋪浮置板軌道和點鋪浮置板軌道能夠大大降低減振墊材料的使用量。按照實驗室浮置板尺寸，滿鋪條件下，減振墊材料所需0.612 5 m3；條鋪條件下，減振墊材料所需0.087 5 m3；點鋪條件下，減振墊材料所需0.045 m3。對于單塊浮置板，條鋪浮置板軌道相比于滿鋪浮置板軌道，材料使用量為原來的14.3%；點鋪浮置板軌道相比于滿鋪浮置板軌道，材料使用量為原來的7.3%。

2振動測試

本次試驗主要用到的儀器有：INV3018C型24位高精度數(shù)據(jù)采集儀一臺，20 g壓電加速度傳感器兩個，3 g壓電加速度傳感器兩個，自動落錘激勵裝置一臺(如圖4所示)。為獲得合適頻帶內(nèi)的激勵響應(yīng)，采用鋼制錘體和鋁制錘頭。自動落錘激勵裝置采用5塊質(zhì)量配重塊(共73 kg)，下落高度10 cm，獲得沖擊力峰值為40 kN。力信號采樣頻率設(shè)置為12.8 kHz，振動加速度信號采樣頻率設(shè)置為1 600 Hz，變時基倍數(shù)8。

圖4　自動落錘激勵裝置Fig.4 Automatic dropping hammer device

自動落錘激勵位于浮置板正中心，如圖 5(a)所示。為避免浮置板單側(cè)試驗的偶然誤差，試驗對浮置板兩側(cè)都進行了數(shù)據(jù)采集。在浮置板上布置20 g振動加速度傳感器2個，具體位置如圖5(a)所示，標記為1號和2號，可獲得浮置板的豎向振動加速度。在左右隧道壁布置3 g傳感器各一個，具體位置如圖5(b)所示，標記為3號和4號，可獲得隧道壁的豎向振動加速度。1號和3號在同一側(cè)，2號和4號在另一側(cè)。根據(jù)《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范 CJJ/T 191—2012》[11]的要求：“地下線路：測點設(shè)在隧道壁，測量鉛垂向振動的傳感器安裝應(yīng)在軌面1.25 m±.25 m的范圍內(nèi)”。限于實驗室條件，將隧道壁測點定為軌面以上0.8 m處。

(a)平面圖(●為自動落錘激勵位置，●為浮置板上的振動加速度傳感器位置，■為液壓千斤頂位置)(b)剖面圖(●為隧道壁上的振動加速度傳感器)圖5　傳感器位置Fig.5 Sensor sites

3傳遞損失評價

傳遞損失主要用于評估隔振系統(tǒng)在頻域上的能量傳遞特性。雖不能用于確切評價隔振系統(tǒng)的隔振效果，但可作為近似的評價指標。振動加速度級傳遞損失的定義為：

L1-2=L1-L2

(1)

式中：L1-2為振動加速度級傳遞損失，dB；L1為1點的振動加速度級，L1=20×lg(a/a0)，dB；L2為2點的振動加速度級，dB；a為振動加速度，m/s2；a0為參考振動加速度，1×10-6m/s2。

圖6為滿鋪型橡膠浮置板軌道，在自動落錘激勵下，從軌道板測點1號到測點3號(或者是測點2到測點4)的振動加速度級傳遞損失。從圖6可以得出，傳遞損失整體趨勢為隨著頻率的升高，傳遞損失也相應(yīng)增大。需要注意的是，在中心頻率25 Hz處，傳遞損失有突然增大的現(xiàn)象。在分析頻段內(nèi)，傳遞損失值都大于30 dB。

圖6　軌道板到隧道壁的傳遞損失(滿鋪)Fig.6 Transfer loss from the floating slab to the tunnel wall (full-surface supporting)

圖7為條鋪型橡膠浮置板軌道的傳遞損失，從圖7可以得到：條鋪型橡膠浮置板軌道的傳遞損失規(guī)律與滿鋪型橡膠浮置板軌道類似。在分析頻段，條鋪型橡膠浮置板軌道的傳遞損失都大于45 dB，要大于滿鋪型橡膠浮置板軌道。

圖7　軌道板到隧道壁的傳遞損失(條鋪)Fig.7 Transfer loss from the floating slab to the tunnel wall (linear supporting)

圖8為點鋪型橡膠浮置板軌道的傳遞損失，從圖中可以得到：在分析頻段，點鋪型橡膠浮置板的傳遞損失普遍大于45 dB。和滿鋪型橡膠浮置板軌道和條鋪型橡膠浮置板軌道不同，點鋪型橡膠浮置板軌道并沒有在中心頻譜25 Hz處產(chǎn)生突越。相反，在31.5和100 Hz中心頻率處，傳遞損失突然降低。

圖8　軌道板到隧道壁的傳遞損失(點鋪)Fig.8 Transfer loss from the floating slab to the tunnel wall (point-like supporting)

4插入損失評價

插入損失作為振動系統(tǒng)的主要評價指標之一，通過測試減振措施使用前后的振動量，評定減振措施的減振效果。振動加速度級插入損失計算公式如下：

Linsert=L-L'

(2)

式中：Linsert為振動加速度級插入損失，dB；L為未采用減振措施時，振動加速度級，dB；L'為采用減振措施后，相同位置處的振動加速度級，dB。

對于滿鋪型橡膠浮置板軌道，從圖9可以得出：1)在大于20 Hz的頻段，插入損失大于0，說明滿鋪型橡膠浮置板軌道的減振工作頻率為≥20 Hz；2)最大減振量發(fā)生在80～100 Hz頻段，插入損失為35.5 dB(2個測點的均值)。

圖9　隧道壁的插入損失(滿鋪)Fig.9 Insert loss of the tunnel wall (full-surface supporting)

對于條鋪型橡膠浮置板軌道，從圖10可以得出：1)條鋪型橡膠浮置板軌道的減振工作頻率為≥10Hz；2)在63～80 Hz頻段內(nèi)減振效果最為顯著，插入損失為42.1 dB(2個測點的均值)。

圖10　隧道壁的插入損失(條鋪)Fig.10 Insert loss of the tunnel wall (linear supporting)

對于點鋪型橡膠浮置板軌道，從圖11可以看出：1)點鋪型橡膠浮置板軌道的減振工作頻率為≥10 Hz；2)最大減振量發(fā)生在63～80 Hz處，插入損失為37.5 dB(2個測點的均值)。

圖11　隧道壁的插入損失(點鋪)Fig.11 Insert loss of the tunnel wall (point-like supporting)

5結(jié)論

1)相較于滿鋪型橡膠浮置板軌道，條鋪和點鋪使得橡膠浮置板軌道的傳遞損失增大；

2)條鋪和點鋪的減振工作頻率降低。

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(編輯蔣學(xué)東)

Dynamic analysis of rubber floating slab track with different supporting forms

JIN Hao1, LIU Weining2, ZHOU Shunhua1

(1. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China；

2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract:In order to improve the vibration-reduction ability of the rubber floating slab track, the linear supporting and the point-like supporting were designed based on the full-surface supporting. The vertical vibration acceleration of the floating slab and the tunnel wall were tested in the underground laboratory. The tested data was analyzed in frequency domain using Matlab. Then, the transfer loss from the floating slab to the tunnel wall and the insert loss of the tunnel wall were obtained. Results show that: The linear supporting and the point-like supporting make the transfer loss increase compared with the full-surface supporting; The working frequency is lower than the full-surface supporting.

Key words：rubber floating slab track；vibration reduction；transfer loss；insert loss；supporting forms

中圖分類號：U231

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0245-05

通訊作者：金浩(1986-)，男，浙江渚暨人，博士，從事軌道振動控制研究；E-mail: jinhao@#edu.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51278043, 51478353)

收稿日期：2015-05-25