客、貨列車通過既有線路曲線段的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試分析

孫曉靜,馬　蒙, 劉維寧,王文斌,姜博龍

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京　100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院 城市軌道交通中心，北京　100081)

近年來，鐵路運(yùn)輸引起的鐵路沿線環(huán)境振動(dòng)問題逐漸引起關(guān)注。相比高速鐵路振動(dòng)及地鐵振動(dòng)的研究，鐵路既有線路上貨車、客車振動(dòng)及其對(duì)環(huán)境影響的研究較少，國內(nèi)、外在振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、傳播衰減特性、控制措施等方面均處于起步階段。在國外，Smith等[1]通過實(shí)驗(yàn)室研究分析了夜間貨車振動(dòng)對(duì)人體的影響；Peris，Woodcock等[2-4]研究了考慮振動(dòng)暴露量—人體反應(yīng)關(guān)系的重載鐵路振動(dòng)及普通客車振動(dòng)對(duì)人體的影響及評(píng)價(jià)方式，為制定重載鐵路振動(dòng)對(duì)人體影響的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供了研究基礎(chǔ)；Vanhonacker[5]在比利時(shí)和波蘭進(jìn)行了客貨混跑線路的環(huán)境振動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在20 Hz以下的低頻段貨車比客車的振動(dòng)大約15 dB。在國內(nèi)，雷曉燕等[6]通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)貨車引起的軌道動(dòng)力響應(yīng)比客車的作用大；陳建國等[7]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也證實(shí)貨車引起的地面加速度振級(jí)在各方向上明顯大于客車，差值約為10 dB，在附近建筑物內(nèi)測(cè)得的相同車速的貨車比客車引起的加速度振級(jí)大5～15 dB[8-9]。

上述研究均針對(duì)直線線路的情況，而關(guān)于鐵路既有線曲線段客、貨列車振源的對(duì)比測(cè)試幾乎未見報(bào)道。列車在通過曲線線路時(shí)，由于橫向力作用、鋼軌磨耗等原因，會(huì)產(chǎn)生比在直線線路上更大的振動(dòng)。因此，了解貨車通過曲線段的振源特性及環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律對(duì)貨車振動(dòng)控制措施的合理制定具有較強(qiáng)的工程意義。為此，本文選擇在一處客貨混跑線路的曲線區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以分析客、貨列車的振動(dòng)特性。

1　測(cè)試概況

圖1　測(cè)試斷面示意圖

測(cè)試斷面選擇在下行線圓曲線中點(diǎn)處，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。在軌道系統(tǒng)處共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，即在下行線內(nèi)、外軌上分別布置測(cè)點(diǎn)R1和R2，同時(shí)測(cè)試鋼軌垂直和水平2個(gè)方向的振動(dòng)；在軌枕中心處布置測(cè)點(diǎn)S，測(cè)試軌枕的垂向振動(dòng)；道床坡腳處布置測(cè)點(diǎn)G1和G2，測(cè)試該處地表的垂向振動(dòng)。由于我國評(píng)價(jià)環(huán)境振動(dòng)影響的指標(biāo)為Z振級(jí)，因此本次測(cè)試中還測(cè)試了自由場(chǎng)地地表的垂向振動(dòng)，即在上、下行線間的自由場(chǎng)地地表共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)G3—G10，它們距下行線外軌道床坡腳的水平距離分別為5，10，15.3，20，25，27.5，29.4和34 m。鋼軌測(cè)點(diǎn)R1和地表測(cè)點(diǎn)G7的布置如圖3所示。

圖2　測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3　鋼軌(R1)及地表(G7)測(cè)點(diǎn)布置圖

測(cè)試時(shí)使用2臺(tái)INV3018C型24位高精度數(shù)據(jù)采集儀，其中1臺(tái)記錄振源數(shù)據(jù)(測(cè)點(diǎn)R1，R2，S，G1和G2)，1臺(tái)記錄地表振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)(測(cè)點(diǎn)G3—G10)；當(dāng)下行線通過列車時(shí)，同時(shí)測(cè)試振源和地表振動(dòng)；當(dāng)上行線通過列車時(shí)，僅測(cè)試地表振動(dòng)。鋼軌振動(dòng)加速度測(cè)試采用Lance AS0123T系列振動(dòng)加速度傳感器，量程為200g；軌枕振動(dòng)加速度測(cè)試采用Lance AS0105系列振動(dòng)加速度傳感器，量程為20g；地表振動(dòng)加速度測(cè)試采用Lance AS0115系列振動(dòng)加速度傳感器，量程為1g。

2　測(cè)試結(jié)果及分析

2.1　軌道系統(tǒng)

2.1.1時(shí)域分析

圖4和圖5分別為客、貨列車通過時(shí)軌道系統(tǒng)的典型垂向振動(dòng)加速度時(shí)程圖(從鋼軌響應(yīng)時(shí)程曲線來看，內(nèi)、外軌區(qū)別不大，因此圖中僅給出外軌的時(shí)程響應(yīng))。由圖4和圖5可見：鋼軌的振動(dòng)加速度出現(xiàn)明顯的沖擊效應(yīng)，這種沖擊效應(yīng)經(jīng)軌枕、道床逐漸衰減；坡腳的振動(dòng)響應(yīng)明顯低于軌枕的振動(dòng)響應(yīng)，表明振動(dòng)能量在道砟中明顯衰減；客車通過時(shí)，各車輛引起的軌道系統(tǒng)垂向振動(dòng)加速度較為均勻，體現(xiàn)出比較穩(wěn)定的周期性振動(dòng)響應(yīng)，而貨車通過時(shí)，由于各車輛裝載的貨物重量不一致，導(dǎo)致軌道系統(tǒng)垂向振動(dòng)加速度的差異較大，其中鋼軌振動(dòng)加速度峰值的差異甚至超過900 m·s-2，這意味著，在評(píng)價(jià)既有線通過貨車時(shí)對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮軌道系統(tǒng)垂向振動(dòng)加速度峰值的影響，而不能僅僅考慮其平均值；客車引起的坡腳振動(dòng)加速度時(shí)程最大值由機(jī)車決定；由于貨車采用長編組，故經(jīng)過測(cè)點(diǎn)的通行時(shí)間明顯長于客車，引發(fā)的軌道系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)時(shí)間也遠(yuǎn)長于客車。

圖4　客車通過時(shí)軌道的典型垂向振動(dòng)加速度時(shí)程圖

圖5　貨車通過時(shí)軌道的典型垂向振動(dòng)加速度時(shí)程圖

圖6為統(tǒng)計(jì)得到的下行線振源各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度的時(shí)域有效值，圖中同時(shí)給出各測(cè)點(diǎn)的最大值、最小值和平均值。由圖6可見：貨車引起的軌道系統(tǒng)振動(dòng)加速度的平均值明顯大于客車的；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中貨車的軌道系統(tǒng)振動(dòng)加速度時(shí)域有效值樣本的離散程度也大于客車(如貨車與客車通過時(shí)振源振動(dòng)加速度有效值離散程度之比，鋼軌的最大為4，軌枕的為3.6，道砟外坡腳的約為1.5)，這是因?yàn)榭蛙囕d客后各節(jié)車廂的實(shí)際軸重差異不大，而貨車由于各節(jié)車廂的裝載質(zhì)量差異大且編組情況復(fù)雜等，從而引起其實(shí)際軸重差異大。

圖6　振源振動(dòng)加速度的時(shí)域有效值

2.1.2頻域分析

圖7和圖8分別為客、貨列車通過時(shí)典型的鋼軌垂向振動(dòng)加速度頻譜，該典型樣本的振動(dòng)響應(yīng)與圖6所示的平均值最為接近，具有代表性。由圖7和圖8可見：對(duì)比由列車軸重引起的10 Hz以下振動(dòng)的準(zhǔn)靜態(tài)分量，貨車的低頻振動(dòng)明顯高于客車的，這與歐洲的測(cè)試結(jié)果[5]是一致的；客車和貨車均在18 Hz頻率處出現(xiàn)1個(gè)小的振動(dòng)峰值，這一頻率與列車以39 km時(shí)速通過0.6 m軌枕間距時(shí)的特征頻率相對(duì)應(yīng)，但在18 Hz頻率處貨車的振動(dòng)響應(yīng)要明顯大于客車的，說明同一特征波長對(duì)應(yīng)特征頻率處的振動(dòng)幅值大小取決于列車軸重；在100～2 000 Hz頻段的振動(dòng)響應(yīng)很大，這與整個(gè)軌道的不平順有關(guān)，其中外軌的高頻振動(dòng)響應(yīng)大于內(nèi)軌的，這與外軌出現(xiàn)的剝離掉塊現(xiàn)象密切相關(guān)，鋼軌的剝離掉塊會(huì)顯著加劇振動(dòng)的高頻成分。

圖7　客車通過時(shí)鋼軌的典型垂向振動(dòng)加速度頻譜

圖8　貨車通過時(shí)鋼軌的典型垂向振動(dòng)加速度頻譜

2.2　自由場(chǎng)地

2.2.1時(shí)域分析

經(jīng)常會(huì)有父母帶著自己的寶寶因?yàn)镺型腿或X型腿前來就診或咨詢。必須要指出的是輕微的O型腿或X型腿是小兒三歲前正常發(fā)育的過程。在不是特別嚴(yán)重的情況下，到5～6歲時(shí)都會(huì)變得正常。

圖9和圖10分別為測(cè)試到的客車和貨車通過時(shí)地表部分測(cè)點(diǎn)的典型垂向振動(dòng)加速度時(shí)程圖。由圖9和圖10可見：土層對(duì)垂向振動(dòng)有明顯的衰減作用，隨距振源距離的增加，列車車輪引起的振動(dòng)沖擊效應(yīng)逐漸減小，地表25 m處的振動(dòng)加速度響應(yīng)相比地表5 m處的振動(dòng)加速度響應(yīng)衰減了1個(gè)數(shù)量級(jí)；與軌道的測(cè)試結(jié)果相同，自由場(chǎng)地的振動(dòng)加速度時(shí)程表現(xiàn)為客車通過時(shí)更均勻，但響應(yīng)時(shí)間較貨車的短；客車引起的距外軌道床坡腳5 m處地表振動(dòng)加速度時(shí)程最大值由機(jī)車決定，但地表其他測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)值比較均勻。

圖9客車通過時(shí)距振源不同距離處地表的典型垂向振動(dòng)加速度時(shí)程圖

圖11為上行線和下行線過車時(shí)地表振動(dòng)加速度有效值衰減的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖11可見：由于列車出站通過上行線時(shí)的車速較低(10～20 km·h-1)，故振動(dòng)響應(yīng)明顯低于通過下行線時(shí)；在所分析的0～34 m范圍內(nèi)，貨車引起的自由場(chǎng)地振動(dòng)明顯大于客車引起的；列車通過上、下行線時(shí)均在G5測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)1個(gè)振動(dòng)衰減的回彈區(qū)域，此測(cè)點(diǎn)距離下行線道砟外坡腳15.3 m，距離上行線道砟外坡腳18.7 m，這說明此處出現(xiàn)的振動(dòng)衰減回彈與列車低頻振動(dòng)分量的體波、瑞利波在此處疊加無關(guān)，而與該測(cè)點(diǎn)位置處土層局部性質(zhì)的差異有關(guān)；上行線過貨車時(shí)振動(dòng)比下行線衰減的更為緩慢，這是由于列車通過上行線時(shí)的車速低，由準(zhǔn)靜態(tài)分量引起的低頻成分能量會(huì)相對(duì)較大，而低頻振動(dòng)較高頻振動(dòng)衰減慢。

圖10貨車通過時(shí)距振源不同距離處地表的典型垂向振動(dòng)加速度時(shí)程圖

圖11　地表垂向振動(dòng)加速度有效值衰減曲線

2.2.2頻域分析

客車、貨車通過時(shí)自由場(chǎng)地地表垂向振動(dòng)加速度有效值的1/3倍頻程頻譜如圖12所示。由圖12可見：2種列車引起的自由場(chǎng)地振動(dòng)在1/3倍頻程上表現(xiàn)出的變化趨勢(shì)基本相同，均在63～80 Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)峰值，隨后極速下降，并且這種規(guī)律與距振源的距離無關(guān)，這說明63～80 Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)峰值是由軌道系統(tǒng)引起的，在自由場(chǎng)地的傳播過程中不改變此特性；在10 Hz以下頻段內(nèi)，貨車引起的自由場(chǎng)地振動(dòng)明顯大于客車的，而在其他頻段內(nèi)兩者的量值比較接近，說明土層的存在也無法消除這種由列車準(zhǔn)靜態(tài)分量引起的低頻振動(dòng)差異。

圖12　地表垂向振動(dòng)加速度有效值的1/3倍頻程頻譜

2.2.3振級(jí)衰減分析

上行線和下行線過車時(shí)自由場(chǎng)地地表的最大Z振級(jí)衰減曲線如圖13所示。由圖13可見：在0～34 m范圍內(nèi)，客車和貨車作用下的最大Z振級(jí)相差并不大(最大平均值約為2～3 dB)，這是因?yàn)樽畲骦振級(jí)的計(jì)算方法僅與列車中軸重最大的機(jī)車或車輛通過時(shí)的振動(dòng)能量有關(guān)，而與列車的通行時(shí)間無關(guān)；而由圖4和圖5可見，由于貨車的編組長，且其通行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于客車，而現(xiàn)行以Z振級(jí)為指標(biāo)的環(huán)境評(píng)價(jià)方法并不能反映貨車通行時(shí)間較長、對(duì)環(huán)境振動(dòng)影響的持續(xù)時(shí)間也較長這一特點(diǎn)。

圖13　自由場(chǎng)地地表的最大Z振級(jí)衰減曲線

基于此，采用考慮列車荷載作用持續(xù)時(shí)間的評(píng)價(jià)指標(biāo)——暴露振級(jí)(Vibration Exposure Level)，分析列車通過時(shí)振動(dòng)能量的變化。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的研究，暴露振級(jí)VEL為

(1)

式中：aw(t)為隨時(shí)間變化的計(jì)權(quán)加速度有效值；a0為參考加速度，取10-6m·s-2，與計(jì)算加速度級(jí)時(shí)的參考加速度保持一致。

圖14給出了上、下行線過車時(shí)自由場(chǎng)地地表的暴露振級(jí)衰減曲線。由圖14可見：對(duì)于同一線路，自由場(chǎng)地地表的暴露振級(jí)與通過列車的類型相關(guān)，貨車的暴露振級(jí)明顯大于客車的，平均超出約3 dB以上；對(duì)比圖13與圖14不難看出，由于考慮了荷載作用的時(shí)間因素，暴露振級(jí)能夠更加真實(shí)地反映列車通過時(shí)振動(dòng)能量的變化，因此在評(píng)價(jià)貨車對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響時(shí)應(yīng)綜合考慮Z振級(jí)和暴露振級(jí)這2個(gè)指標(biāo)。

圖14　自由場(chǎng)地地表的暴露振級(jí)衰減曲線

3　結(jié)　論

(1)坡腳的振動(dòng)響應(yīng)明顯低于軌枕振動(dòng)響應(yīng)，表明振動(dòng)能量在道砟中明顯衰減。

(2)客車通過時(shí)，各車輛引起的軌道系統(tǒng)垂向振動(dòng)加速度較為均勻，體現(xiàn)出比較穩(wěn)定的周期性振動(dòng)響應(yīng)；貨車通過時(shí)，由于編組內(nèi)各車輛裝載的貨物重量不一致而導(dǎo)致軌道系統(tǒng)垂向振動(dòng)加速度的差異較大。因此，在對(duì)貨車通過既有線路曲線段時(shí)對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮軌道系統(tǒng)垂向振動(dòng)加速度峰值的影響。

(3)受準(zhǔn)靜態(tài)分量的影響，貨車在10 Hz以下低頻段的振動(dòng)響應(yīng)大于客車，而土層的衰減作用也無法消除這種低頻振動(dòng)的差異。

(4)受編組輛數(shù)影響，貨車對(duì)環(huán)境振動(dòng)影響的作用時(shí)間遠(yuǎn)大于客車的；客、貨列車引起的自由場(chǎng)地Z振級(jí)相差不大，但二者的暴露振級(jí)差別明顯，說明暴露振級(jí)能夠更加真實(shí)地反映客、貨列車通過時(shí)二者在列車荷載作用時(shí)間及所產(chǎn)生振動(dòng)能量的差異性，因此在評(píng)價(jià)貨車對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響時(shí)建議綜合采用Z振級(jí)及暴露振級(jí)這2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

[1]SMITH M G, CROY I, ?GREN M, et al. On the Influence of Freight Trains on Humans: a Laboratory Investigation of the Impact of Nocturnal Low Frequency Vibration and Noise on Sleep and Heart Rate[J]. Plos One, 2013,8(2): 1-9.

[2]PERIS E, WOODCOCK J, SICA G, et al. Annoyance from Railway Vibration in Residential Environments: Factors of Importance when Considering Exposure-Response Relationships[C]//Acoustics 2012. Hong Kong:[s.n.]，2012.

[3]WOODCOCK J, SHARP C, SICA G, et al. Human Response to Vibration from Passenger and Freight Railway Traffic in Residential Environments[C]//19th International Congress on Sound and Vibration. Vilnius, Lithuania: [s.n.]，2012.

[4]PERIS E, WOODCOCK J, SICA G, et al. Attitudinal Factors as Determinants of Railway Vibration Annoyance[C]// Inter Noise 2012. New York:[s.n.]，2012.

[5]VANHONACKER P. Attenuation of Ground-Borne Vibration Affecting Residents near Railway Lines, D2.2[R]. Leuven, Belgium: Alfa Products and Technologies, 2013.

[6]雷曉燕, 鄧福清. 客貨混運(yùn)鐵路專線軌道振動(dòng)分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(3)：16-20.

(LEI Xiaoyan, DENG Fuqing. Vibration Analysis of Track for Railways with Passenger and Freight Traffic[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2007(3):16-20. in Chinese)

[7]陳建國, 夏禾, 陳樹禮, 等. 運(yùn)行列車引起的周圍地面振動(dòng)規(guī)律研究[J]. 工程力學(xué)，2010，27(1)：98-103.

(CHEN Jianguo, XIA He, CHEN Shuli, et al. Investigation on Running-Train-Induced Ground Vibrations near Railway [J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(1):98-103. in Chinese)

[8]陳建國, 夏禾, 曹艷梅, 等. 運(yùn)行列車對(duì)周圍建筑物振動(dòng)影響的試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2008，21(5)：476-481.

(CHEN Jianguo, XIA He, CAO Yanmei, et al. Experiment on Running Train Induced Vibrations of Nearby Buildings [J]. Journal of Vibration Engineering, 2008，21(5): 476-481. in Chinese)

[9]XIA H, CHEN J G, WEI P B, et al. Experimental Investigation of Railway Train-Induced Vibrations of Surrounding Ground and a Nearby Multi-Story Building[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2009,8(1):137-148.

[10]馬蒙, 劉維寧, 王文斌, 等. 考慮持續(xù)時(shí)間因素的鐵路環(huán)境振動(dòng)影響評(píng)價(jià)[J]. 振動(dòng)與沖擊，2016, 35(10)：217-221.

(MA Meng, LIU Weining, WANG Wenbin, et al. Evaluation of Train-Induced Environmental Vibrations Consi-dering the Factor of Exposure Time[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(10): 217-221. in Chinese)