地鐵小半徑曲線地段鋼彈簧浮置板軌道振動(dòng)特性測(cè)試及分析

靳永福 傅榮 查國(guó)濤 汪樂 馬龍祥 劉韋

（1.無錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇無錫214100；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；3.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210014；4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031）

鋼彈簧浮置板軌道是一種以隔振器為支座的質(zhì)量-彈簧隔振系統(tǒng)，作為特殊減振措施被廣泛應(yīng)用在地鐵隔振中［1-2］。為掌握鋼彈簧浮置板軌道在線服役性能和減振效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究。李克飛等［3］對(duì)地鐵鋼彈簧浮置板軌道的減振特性進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其對(duì)高頻段振動(dòng)衰減效果明顯優(yōu)于低頻段。李妙迪等［4］采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法研究了車型對(duì)地鐵浮置板軌道區(qū)段振動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)A型車通過時(shí)的鋼軌、道床及隧道壁的振動(dòng)響應(yīng)均明顯高于B型車，且該規(guī)律在鄰近建筑的振動(dòng)中表現(xiàn)更為明顯。葛輝等［5］測(cè)試了地鐵運(yùn)行速度為80，120 km/h時(shí)直線段浮置板軌道的減振特性，發(fā)現(xiàn)在所研究的速度范圍內(nèi)鋼彈簧浮置板軌道對(duì)鋼軌、浮置板及隧道減振效果均較為穩(wěn)定。林渝軻等［6］測(cè)試了地鐵列車以120 km/h運(yùn)行時(shí)的鋼彈簧浮置板軌道減振性能，發(fā)現(xiàn)0～20 Hz和20～80 Hz的振動(dòng)加速度級(jí)在浮置板和隧道壁間的衰減分別可達(dá)12，10 dB。王劉翀等［7］對(duì)半徑600 m的曲線地段和直線地段進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)曲線地段采用鋼彈簧浮置板軌道時(shí)隧道壁橫向振動(dòng)響應(yīng)有所放大。馬蒙等［8］分別對(duì)列車荷載和定點(diǎn)錘擊荷載作用下浮置板軌道與普通道床的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在不同激勵(lì)條件下，響應(yīng)峰值、主要能量分布、傳遞特征都存在明顯不同，且在定點(diǎn)錘擊下獲得的評(píng)價(jià)效果優(yōu)于地鐵列車通過時(shí)測(cè)得的減振效果。

目前對(duì)于地鐵小半徑曲線地段鋼彈簧浮置板軌道的振動(dòng)特性及減振特性的研究尚不充分，相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)匱乏。由于小半徑曲線地段輪軌相互作用關(guān)系復(fù)雜，列車通過時(shí)通常會(huì)引起地面較大的水平和垂向振動(dòng)。本文選取鋪設(shè)鋼彈簧浮置板軌道的地鐵小半徑曲線地段（半徑約350 m），現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不同載重的地鐵列車以不同速度通過時(shí)的振動(dòng)特性，并與相似條件下鋪設(shè)壓縮型減振扣件整體道床軌道地段的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究小半徑曲線鋼彈簧浮置板軌道的減振特性。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 測(cè)試斷面

在無錫市一運(yùn)營(yíng)地鐵線路中選取4個(gè)條件相近的小半徑曲線斷面開展振動(dòng)測(cè)試（圖1）。其鋼軌均為60 kg/m的無縫鋼軌，隧道均為外徑6 m的盾構(gòu)隧道。

圖1 測(cè)試斷面所在曲線地段示意（單位：m）

斷面1、斷面2、斷面4所處地段均采取了特殊減振措施，軌道類型均為鋼彈簧浮置板軌道，采用DTⅢ2型扣件。浮置板板長(zhǎng)為29 970 mm，3個(gè)測(cè)試斷面均位于浮置板中部。浮置板下按板端密、中部疏的方式布置了22對(duì)隔振器，單個(gè)隔振器的垂向剛度為6 MN/m。板端的2個(gè)隔振器按1個(gè)扣件間距進(jìn)行布置；板中的隔振器按2個(gè)扣件間距和3個(gè)扣件間距穿插的方式進(jìn)行布置。鋼彈簧浮置板軌道測(cè)試斷面配置見圖2。

圖2 鋼彈簧浮置板軌道測(cè)試斷面配置（單位：mm）

由于該條地鐵線路的小半徑曲線地段均采用了中等以上減振措施，無法找到無減振措施的小半徑曲線地段作對(duì)比，故選擇采取了中等減振措施的斷面3進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。斷面3所處地段的軌道類型為壓縮型減振扣件整體道床軌道，采用整體硫化壓縮型減振扣件。該扣件是針對(duì)該地鐵線路中曲線半徑小于600 m或環(huán)評(píng)振動(dòng)超標(biāo)小于5 dB的地段專門研制的，除了硫化墊板與調(diào)距扣板外，其余部件可與DTⅢ2型扣件通用。4個(gè)測(cè)試斷面的部分參數(shù)見表1。

表1 測(cè)試斷面部分參數(shù)

1.2 測(cè)試車輛及設(shè)備

測(cè)試車輛為6節(jié)編組的地鐵B型車，車輛空載軸重為140 t。

主要測(cè)試設(shè)備包括24路通道DASP多功能測(cè)試分析系統(tǒng)、加速度傳感器、位移傳感器等，如圖3所示。

圖3 主要測(cè)試設(shè)備

1.3 測(cè)試條件

測(cè)試時(shí)振源處于正常工作狀態(tài)，且無影響測(cè)試結(jié)果的其他環(huán)境因素，如劇烈的溫度梯度變化、強(qiáng)電磁場(chǎng)、強(qiáng)風(fēng)、地震、大型工程機(jī)械施工或其他非振動(dòng)污染源引起的干擾。

測(cè)試列車狀況良好，車輪行駛前經(jīng)過鏇輪處理。車輛工況包括空車運(yùn)行（車上僅有駕駛員和信號(hào)檢測(cè)人員）和正常運(yùn)營(yíng)。

1.4 測(cè)試及分析內(nèi)容

1）對(duì)列車通過時(shí)鋼軌、道床、隧道壁的垂向振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)試。本文僅對(duì)隧道壁的垂向振動(dòng)加速度進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)研究小半徑曲線地段鋼彈簧浮置板軌道的減振特性。

2）對(duì)鋼彈簧浮置板軌道的垂向振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)試及分析。

隧道壁的加速度測(cè)點(diǎn)布置在曲線地段線路內(nèi)側(cè)距軌面1.25 m高的隧道壁上，鋼彈簧浮置板軌道的位移測(cè)點(diǎn)布置在道床板中心。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 隧道壁垂向振動(dòng)加速度分析

對(duì)4個(gè)測(cè)試斷面的隧道壁測(cè)點(diǎn)測(cè)得的垂向加速度進(jìn)行最大Z振級(jí)和分頻振級(jí)分析，并分別計(jì)算出斷面1、斷面2、斷面4相對(duì)于斷面3的隧道壁最大Z振級(jí)插入損失和分頻振級(jí)插入損失，研究小半徑曲線地段鋼彈簧浮置板軌道的減振特性。

2.1.1 最大Z振級(jí)及其插入損失

不同測(cè)試工況下隧道壁最大Z振級(jí)VZmax及其插入損失ΔVZmax見表2?？芍?/p>

1）在空載工況下，鋪設(shè)了鋼彈簧浮置板軌道的斷面1和斷面2引發(fā)的隧道壁最大Z振級(jí)均在車速為50 km/h時(shí)達(dá)到最大?？梢?，小半徑曲線地段振動(dòng)源強(qiáng)在一定范圍內(nèi)隨速度增加而變大，但是超過該范圍，伴隨速度增加振動(dòng)源強(qiáng)反而有所減小。這主要是由于曲線情況下列車只有在與外軌超高、曲線半徑相匹配的最佳匹配速度下運(yùn)行才能盡可能地減小振動(dòng)水平，若以不匹配的速度運(yùn)行，無論偏大還是偏小，都可能引起振動(dòng)的加劇。因此，小半徑曲線地段的振動(dòng)控制不應(yīng)一味地降低行車速度。

表2 隧道壁最大Z振級(jí)及其插入損失

2）在運(yùn)營(yíng)工況下，斷面1、斷面2、斷面4相對(duì)于斷面3的減振效果分別為9.5，13.8，15.4 dB，斷面1的鋼彈簧浮置板軌道減振效果最差，斷面4減振效果最好。這3個(gè)斷面減振效果的差異與軌道不平順等線路運(yùn)營(yíng)條件不同直接相關(guān)。

3）對(duì)于小半徑曲線地段，鋼彈簧浮置板軌道的減振效果在運(yùn)行速度不大于40 km/h的低速列車通過工況下普遍優(yōu)于運(yùn)行速度大于40 km/h的列車通過工況。

綜上，鋼彈簧浮置板軌道減振特性并非是其固有屬性，而是與工作環(huán)境、線路條件、激勵(lì)形式等密切相關(guān)，這也說明了通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來評(píng)價(jià)其減振性能的不可替代性。

2.1.2 分頻振級(jí)及其插入損失

根據(jù)JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》的頻率計(jì)權(quán)方法，計(jì)算正常運(yùn)營(yíng)工況（運(yùn)行速度55 km/h）下隧道壁垂向振動(dòng)加速度在4～200 Hz的分頻振級(jí)及其插入損失，見圖4。

由圖4可知：

圖4 隧道壁垂向振動(dòng)加速度分頻振級(jí)及插入損失

1）斷面3的隧道壁分頻最大振級(jí)為71.3 dB，出現(xiàn)在中心頻率40 Hz處；斷面1、斷面2、斷面4的隧道壁分頻最大振級(jí)分別為62.8，55.6，58.7 dB，均出現(xiàn)在中心頻率80 Hz處。上述隧道壁分頻最大振級(jí)所在的中心頻率與相應(yīng)軌道情況下的輪軌共振頻率相對(duì)應(yīng)，且與相應(yīng)軌道所采用扣件的剛度密切相關(guān)。

2）斷面1、斷面2、斷面4相對(duì)于斷面3的隧道壁分頻振級(jí)插入損失的最大值分別為19.7，27.4，27.2 dB，且均出現(xiàn)在中心頻率40 Hz處。

總體而言，相對(duì)于壓縮型減振扣件整體道床軌道，鋼彈簧浮置板軌道具有更好的減振性能。

2.2 鋼彈簧浮置板軌道垂向位移分析

以斷面1為例，正常運(yùn)營(yíng)工況下由單趟運(yùn)行列車引發(fā)的鋼彈簧浮置板軌道垂向位移的典型時(shí)域波形和一天內(nèi)（06：00～22：30）其垂向位移最大值的變化曲線見圖5。

圖5 列車通過引發(fā)的鋼彈簧浮置板軌道垂向位移（斷面1）

從圖5可知：

1）列車通過引發(fā)的鋼彈簧浮置板軌道垂向位移時(shí)域波形上出現(xiàn)的峰值，與列車各輪軸到達(dá)測(cè)試斷面的時(shí)刻存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2）在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，鋼彈簧浮置板軌道垂向位移在地鐵載客高峰時(shí)段（07：30～09：00和17：15～19：00）普遍大于非高峰時(shí)段。相較于非高峰時(shí)段，高峰時(shí)段地鐵滿載的增重使垂向位移增大10%左右。高峰時(shí)段鋼彈簧浮置板軌道垂向位移的最大值未超過3.3 mm，同樣滿足浮置板軌道在列車額定荷載作用下鋼軌最大垂向位移不應(yīng)大于4 mm的規(guī)定［9］，可以保證行車安全性及平穩(wěn)性。

3 結(jié)論

1）小半徑曲線地段振動(dòng)源強(qiáng)在一定范圍內(nèi)隨列車速度的增加而變大，但是超過該范圍，伴隨速度增加振動(dòng)源強(qiáng)反而有所減小。因此，小半徑曲線地段振動(dòng)控制不應(yīng)一味地降低行車速度。

2）對(duì)于小半徑曲線地段，鋼彈簧浮置板軌道的減振效果在運(yùn)行速度不大于40 km/h的低速列車通過工況下普遍優(yōu)于運(yùn)行速度大于40 km/h的列車通過工況。

3）相對(duì)于壓縮型減振扣件整體道床軌道，鋼彈簧浮置板軌道隧道壁最大Z振級(jí)的插入損失可達(dá)9.5～15.4 dB，而隧道壁分頻振級(jí)插入損失的最大值達(dá)19.7～27.4 dB，具有更好的減振性能。

4）列車荷載大小直接影響鋼彈簧浮置板軌道的垂向位移。相較于非高峰時(shí)段，高峰時(shí)段地鐵滿載的增重使鋼彈簧浮置板軌道垂向位移增大約10%。