浮置板轨道减振性能及平稳性分析*

井恒法++孙晓静

摘要：浮置板轨道因其具有自振频率低、减振效果好等优点，在近几年中，被成功应用到我国的城市轨道交通系统中。简要分析了浮置板轨道的隔振原理，对其分类和应用等进行了评述，并根据现场实测数据重点分析了浮置板轨道的减振性能和平稳性，为轨道交通的减振设计提供参考。

关键词：浮置板轨道；减振；平稳性；城市轨道交通

中图分类号：U213.2文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）08－0107－03

随着城市轨道交通的快速发展，其引起的振动和噪声问题得到国内外的关注，如何采用有效的减振降噪措施来降低振动对环境的影响成为了热点问题之一。浮置板轨道隔振措施在国外有几十年的历史，得到了广泛的应用，在近几年，被成功应用到了我国的城市轨道交通系统。在目前的减振措施中，浮置板轨道的减振效果最好，可达20～40 dB。根据不同的分类方法，简述了浮置板轨道的种类和应用情况，运用动力学原理分析了浮置板轨道的隔振原理，详细介绍了浮置板轨道在国内外应用的实例和减振降噪实测结果，并得出结论，认为浮置板轨道结构是一种高效的减振降噪措施，具有广阔的发展前景。

随着城市化建设步伐的加快和城市人口的持续增加，城市交通拥堵问题已经成为了大多数城市面临的难题。而轨道交通具有便捷、安全、大运量等优点，成为了解决这一问题的重要手段。但是，在轨道交通车辆运行过程中，会产生振动，而这种振动经由隧道壁（或桥墩、路基）、土层传递至附近的建筑物内，引发建筑物的二次振动，对周边居民的工作和生活、精密仪器设备的使用、建筑物和古代建筑物都产生了不容忽视的影响，所以，必须在轨道交通设计施工阶段采取合理的减隔振手段进行处理。

在常用的减隔振措施中，浮置板轨道具有自振频率低、减振效果好等优点，尤其是钢弹簧浮置板轨道，其自振频率最低可降至4～7 Hz，隔振量可达25～40 dB，是目前减振效果最好的措施。1965年，浮置板轨道在德国首次使用，随后在国际上被广泛应用。在国内，广州地铁1号线首次使用了橡胶浮置板轨道，北京地铁13号线首次使用钢弹簧浮置板轨道，而其在盾构隧道中的首次应用是上海地铁4号线。目前，国内轨道交通减振要求特别严格的地段都大量使用了浮置板轨道。

1浮置板轨道隔振原理

浮置板隔振轨道结构利用浮置板质量惯性来平衡列车运行引起的动荷载，从而达到减振的目的，仅有少量没有被平衡的动荷载和静荷载传到了路基或隧道结构上。

根据单自由体系的隔振原理，只有当激振频率大于 倍的自振频率时，隔振系统才会起作用，如图1所示。因此，隔振设计的原则是降低振动系统的固有频率，固有频率为：

. （1）

式（1）中：f0——固有频率；

K——隔振器的刚度；

M——浮置板的质量。

从式（1）中可以看出，降低浮置板系统固有频率一般有两种方法：增加浮置板的质量M；减小隔振器的刚度K. 对橡胶支座浮置板道床，通常采用增加浮置板厚度和重级配混凝土的办法降低自振频率；对钢弹簧浮置板来说，由于弹簧刚度的可设计性强，所以，钢弹簧浮置板还可以通过减小弹簧刚度来降低自振频率，因此，钢弹簧浮置板的固有频率可以设计得比橡胶支撑浮置板低，那样减振效果就会更好。

2浮置板轨道的分类

目前，国内外使用的浮置板轨道按照支撑条件不同主要分为橡胶支座浮置板轨道和钢弹簧浮置板轨道两种，另外，还有纵向浮置板和橡胶垫整体浮置板轨道等型式。

2.1橡胶支座浮置板轨道

橡胶支座浮置板轨道按照橡胶支撑方式可分为整体支撑、线形支撑、点支承式3种，如图2所示。整体支承可以将地铁或轻轨等振动频率降至15 Hz以下，其减振效果可高达20 dB，在瑞士、法国、西班牙、意大利等国家的地铁中被采用。线性支承轨道结构的固有频率较低，其减振效果约为25 dB，在德国的地铁中被采用。点支承式轨道结构的固有频率低，减振效果约为30 dB，在德国、美国、加拿大等国使用，我国的香港、广州和深圳地铁中也采用了这项技术。

图1隔振原理示意图（传递率与频率比的关系）

a. 整体表面支承 b. 线性支承 c. 点支承式

图2橡胶支座浮置板的三种支撑方式

2.2钢弹簧浮置板轨道

由于钢弹簧浮置板轨道隔振效果最好，因此，适用于线路从建筑物下面或附近通过或建筑物隔振要求较高的区域，比如研究机构、医院、博物馆和音乐厅等场所。目前，几十个有轨道床和60多座邻近建筑（包括多座音乐厅）都采用了这种方法，隔振效果十分理想，比如德国柏林地铁、科隆地铁、法兰克福

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＊ ［基金项目］高等学校博士学科点专项科研基金（编号：20110009120023）

—曼茵茨国际机场楼顶快速客运系统、伦敦DLR Lewisham地铁延长线的居民楼下隧道等。采用螺旋钢弹簧的浮置板轨道，结构固有频率可降4～8 Hz，可用于低频振动要求严格的区域。

2.3纵向浮置板轨道

纵向浮置板轨道被应用在了莫斯科基辅地铁中，效果很好。与普通木枕线路相比，在16～63 Hz的频率范围内，这种轨道结构的减振效果为10～16 dB，减振垫板厚度的调整量可达±10 mm，但是在国内还未有使用实例。

2.4减振垫浮置板轨道

减振垫浮置板轨道在深圳地铁某号线进行了应用，结构型式如图3所示，即在隧道底板回填混凝土完成凹形的浮置板轨道基础上满铺减振垫。由于现场实测数据受隧道埋深、车速、土层等条件的影响，因此，实测减振效果差异较大。根据深圳地铁某号线的实测数据可知，减振垫浮置板轨道的减振效果为10.4～27.5 dB。

图3橡胶垫整体浮置板轨道

3浮置板轨道减振效果实测分析

由于浮置板轨道在国内已被广泛应用，所以，针对浮置板的减振效果，也作了相应的现场测试，下面用几个实例对其减振效果进行分析。

3.1上海地铁某号线钢弹簧浮置板轨道振动测试

上海地铁某号线在环境振动要求严格的路段安装了浮置板轨道，选取了鞍山六村装有浮置板路段和西藏北路整体道床路段为测试断面，采集了列车通过时的地面振动响应数据进行对比、分析，地面振动加速度频谱见图4、图5，Z振级统计结果见表1.

图4地铁通过鞍山六村（钢弹簧浮 图5地铁通过上海西藏北路路段（整

置板）时地面振动加速度频谱 体道床）时地面振动加速度频谱

表1两个地段Z振级数据对比（dB）

频率 /Hz

地段 31.5 63 125 250

钢弹簧浮置板区段 61.4 64.8 42.1

整体道床区段 86.1 88.1 65.8

从表1中可以看出，钢弹簧浮置板对地铁的振动衰减作用十分明显，隔离了大量的激振频率能量，但是，还有少量的激振频段的能量传入地面。

3.2深圳地铁某号线橡胶垫浮置板轨道振动测试

为了最大限度地减小对周围居民生活的影响，深圳地铁某号线采用了包括整体道床在内的7种轨道型式，其中包括中档钢弹簧浮置板、高等级钢弹簧浮置板和橡胶垫浮置板3种浮置板轨道。测试选取了世界之窗—侨城北站区间（高等级钢弹簧浮置板和整体道床轨道）、侨香—香蜜站区间（中档钢弹簧浮置板和整体道床轨道）、侨香站后区间（橡胶垫浮置板和整体道床轨道）进行测试。通过减振轨道（即3种浮置板轨道）和对比轨道（即整体道床轨道）侧墙Z振级的比较，分析浮置板轨道的减振效果，结果如图6、图7、图8所示。

从测试结果中可以看出：

中档钢弹簧浮置板轨道：在高于35 Hz的频段发挥减振作用；在低于35 Hz的频段，钢弹簧浮置板受到其巨大质量产生低阶自振周期的影响，减振效果不明显，且在其固有频率附近存在局部放大效应。

橡胶垫浮置板轨道：除了在10 Hz附近出现局部放大效应外，全频段范围内的Z振级均低于普通整体道床，具有减振效果，并且在35 Hz以上的频段减振效果明显。

高等级弹簧浮置板轨道：在25 Hz以上的频段，减振效果开始逐渐明显；在63 Hz附近，达到峰值；在10 Hz左右，曲线出现一个凸起峰值效应，这是由于接近结构一阶自振频率而产生的共振局部放大效应。

另外，综合其他减振测试断面结果，可以得到实测侧墙减振效果：中档钢弹簧浮置板为15.03 dB；高等级钢弹簧浮置板轨道为17.0～192 dB；橡胶垫浮置板轨道为10.4～27.5 dB。

图6中等级钢弹簧浮置板轨道图7橡胶垫浮置板轨道与整体

与道床轨道侧墙Z振级整体道床轨道侧墙Z振级

图8高等级钢弹簧浮置板与整体道床轨道侧墙Z振级

4浮置板轨道平稳性实测分析

为了获得更高的减振效果，浮置板轨道系统会降低道床垂向刚度，有可能会对车辆的动力学性能产生影响。为此，专门对成都地铁某号线列车经过浮置板道床和普通整体道床时车辆振动性能进行了测试。测试线路车速为55～60 km/h，浮置板轨道的曲线半径在350～500 m，整体道床曲线半径为400～450 m。根据GB 5599—85的规定，对振动频率为20 Hz以下的所有频谱进行计算，求其平稳性指标，结果如表2所示。

表2列车经过不同线路时，车辆的平稳性指标

道床情况 普通整体道床

（直线） 普通整体道床

（曲线） 浮置板轨道

（曲线P1-2） 浮置板轨道

（曲线P3）

垂向 1.95 1.90 2.04 1.79

横向 1.71 1.87 2.00 1.71

从表2中可以看出，列车在普通整体道床直线段、曲线段和两段浮置板上运行时，车辆的平稳性指标都属于优级。这说明，在所测试的运行速度下，列车运行性能是满足要求的，而且距离《地铁车辆通用技术条件》（GB 7928—2003）规定的限