板下减振垫对橡胶浮置板轨道减振性能的影响

金浩，刘维宁，周顺华

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；

2. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)



板下减振垫对橡胶浮置板轨道减振性能的影响

金浩1，刘维宁2，周顺华1

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；

2. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

摘要:为提升橡胶浮置板轨道的减振性能，在满铺型橡胶浮置板轨道的基础上，探讨条铺型橡胶浮置板轨道和点铺型橡胶浮置板轨道。在地下实验室，测试3种橡胶浮置板轨道的竖向振动加速度。利用Matlab编程软件，对测试得到的数据进行频域处理，得到浮置板到隧道壁的加速度级传递损失和隧道壁的加速度级插入损失。研究结果表明：条铺和点铺使得橡胶浮置板轨道的传递损失增大；条铺和点铺使得橡胶浮置板轨道的减振工作频率降低。

关键词：橡胶浮置板轨道；减振；传递损失；插入损失；支撑型式

目前，中国大陆城市轨道交通的建设已经进入快速发展期。据资料显示，拥有轨道交通的城市已经由2000年的3座(北京、上海和广州)上升至2014年的22座。仅2014年，中国城市轨道交通就新增里程386 km。在城市轨道交通取得可喜成绩的同时，地铁振动问题不时见诸报端。已有研究表明，地铁振动不仅影响沿线居民的日常生活[1]，影响沿线部分高精密仪器的正常工作[2-3]，还对沿线古建筑产生一定的破坏作用(以北京和西安等历史名城最为明显)[4-5]。地铁振动已然成为一个亟待解决的民生问题。据不完全统计，北京轨道交通新线中采用轨道减振措施的线路已经占到了40%～60%。其中有高级减振措施钢弹簧浮置板轨道，中等减振措施梯式轨道和满铺型橡胶浮置板轨道(这里的橡胶为广义概念，包括聚氨酯等材料)等。基于多方面因素的考虑，满铺型橡胶浮置板轨道近些年在城市轨道交通中得以大量使用。由于现有橡胶浮置板轨道板下减振垫只有满铺一种型式。因此，有关于橡胶浮置板轨道的研究，也集中于满铺型橡胶浮置板轨道，采用的方法主要为数值模拟和理论解析。曹宇泽等[6]对隔离式橡胶浮置板的固有频率、动荷载下力学响应以及减振性能进行了力学分析，并对浮置板厚度进行了探讨。邹锦华等[7-8]应用轨道段组合单元，建立了能反映橡胶浮置板轨道竖向振动特性的动力模型。徐庆元等[9]建立了地铁列车-橡胶浮置板轨道-隧道耦合动力学模型，对地铁隧道3种浮置板长度、5种橡胶刚度的橡胶浮置板进行了动力计算。另外，也有一些学者进行了实验室试验或现场测试，如：李再帏等[10]通过现场测试，分析了浮置板轨道结构对地铁车辆的振动影响。以上这些研究，多集中于研究浮置板的几何尺寸(长、宽、高)和板下减振垫的支撑刚度等，尚没有对板下减振垫的铺设型式进行分析。本文在前期数值计算的基础上，经相关科研单位共同探讨，对板下减振垫不同铺设型式(满铺、条铺和点铺)的橡胶浮置板进行了振动测试。以期为橡胶浮置板减振性能的改进，提供新方法和新思路。

1板下减振垫种类

本次试验用浮置板尺寸为7 m(长)×3.5 m(宽)×0.4 m(厚)。浮置板上共有20组扣件，2根7 m长60kg/m钢轨。在浮置板两侧分别留置3个液压千斤顶，用于抬升浮置板和更换板下减振垫。

目前，国内轨道交通使用的板下减振垫铺设型式为满铺型，如图1所示。根据试验用浮置板的几何尺寸，设计满铺减振垫尺寸为7 m×3.5 m×0.025 m。

图1　满铺浮置板Fig.1 Floating slab track with full-surface supporting

为减少板下减振垫的材料使用量以及提高橡胶浮置板轨道的减振性能，本文设计了条铺浮置板轨道和点铺浮置板轨道2种型式。条铺浮置板轨道板下减振垫尺寸为7 m×0.25 m×0.025 m，共2块，铺设位置如图2所示。点铺浮置板轨道板下减振垫尺寸为0.4 m×0.375 m×0.025 m，共12块，铺设位置如图3所示。板下减振垫的长边和钢轨中轴线重合(试验不考虑钢轨轨底坡)。

单位：mm(a)平面;(b)剖面图2　条铺浮置板Fig.2 Floating slab track with linear supporting

单位：m(a)平面;(b)剖面图3　点铺浮置板Fig.3 Floating slab track with point-like supporting

相比于满铺浮置板轨道，条铺浮置板轨道和点铺浮置板轨道能够大大降低减振垫材料的使用量。按照实验室浮置板尺寸，满铺条件下，减振垫材料所需0.612 5 m3；条铺条件下，减振垫材料所需0.087 5 m3；点铺条件下，减振垫材料所需0.045 m3。对于单块浮置板，条铺浮置板轨道相比于满铺浮置板轨道，材料使用量为原来的14.3%；点铺浮置板轨道相比于满铺浮置板轨道，材料使用量为原来的7.3%。

2振动测试

本次试验主要用到的仪器有：INV3018C型24位高精度数据采集仪一台，20 g压电加速度传感器两个，3 g压电加速度传感器两个，自动落锤激励装置一台(如图4所示)。为获得合适频带内的激励响应，采用钢制锤体和铝制锤头。自动落锤激励装置采用5块质量配重块(共73 kg)，下落高度10 cm，获得冲击力峰值为40 kN。力信号采样频率设置为12.8 kHz，振动加速度信号采样频率设置为1 600 Hz，变时基倍数8。

图4　自动落锤激励装置Fig.4 Automatic dropping hammer device

自动落锤激励位于浮置板正中心，如图 5(a)所示。为避免浮置板单侧试验的偶然误差，试验对浮置板两侧都进行了数据采集。在浮置板上布置20 g振动加速度传感器2个，具体位置如图5(a)所示，标记为1号和2号，可获得浮置板的竖向振动加速度。在左右隧道壁布置3 g传感器各一个，具体位置如图5(b)所示，标记为3号和4号，可获得隧道壁的竖向振动加速度。1号和3号在同一侧，2号和4号在另一侧。根据《浮置板轨道技术规范 CJJ/T 191—2012》[11]的要求：“地下线路：测点设在隧道壁，测量铅垂向振动的传感器安装应在轨面1.25 m±.25 m的范围内”。限于实验室条件，将隧道壁测点定为轨面以上0.8 m处。

(a)平面图(●为自动落锤激励位置，●为浮置板上的振动加速度传感器位置，■为液压千斤顶位置)(b)剖面图(●为隧道壁上的振动加速度传感器)图5　传感器位置Fig.5 Sensor sites

3传递损失评价

传递损失主要用于评估隔振系统在频域上的能量传递特性。虽不能用于确切评价隔振系统的隔振效果，但可作为近似的评价指标。振动加速度级传递损失的定义为：

L1-2=L1-L2

(1)

式中：L1-2为振动加速度级传递损失，dB；L1为1点的振动加速度级，L1=20×lg(a/a0)，dB；L2为2点的振动加速度级，dB；a为振动加速度，m/s2；a0为参考振动加速度，1×10-6m/s2。

图6为满铺型橡胶浮置板轨道，在自动落锤激励下，从轨道板测点1号到测点3号(或者是测点2到测点4)的振动加速度级传递损失。从图6可以得出，传递损失整体趋势为随着频率的升高，传递损失也相应增大。需要注意的是，在中心频率25 Hz处，传递损失有突然增大的现象。在分析频段内，传递损失值都大于30 dB。

图6　轨道板到隧道壁的传递损失(满铺)Fig.6 Transfer loss from the floating slab to the tunnel wall (full-surface supporting)

图7为条铺型橡胶浮置板轨道的传递损失，从图7可以得到：条铺型橡胶浮置板轨道的传递损失规律与满铺型橡胶浮置板轨道类似。在分析频段，条铺型橡胶浮置板轨道的传递损失都大于45 dB，要大于满铺型橡胶浮置板轨道。

图7　轨道板到隧道壁的传递损失(条铺)Fig.7 Transfer loss from the floating slab to the tunnel wall (linear supporting)

图8为点铺型橡胶浮置板轨道的传递损失，从图中可以得到：在分析频段，点铺型橡胶浮置板的传递损失普遍大于45 dB。和满铺型橡胶浮置板轨道和条铺型橡胶浮置板轨道不同，点铺型橡胶浮置板轨道并没有在中心频谱25 Hz处产生突越。相反，在31.5和100 Hz中心频率处，传递损失突然降低。

图8　轨道板到隧道壁的传递损失(点铺)Fig.8 Transfer loss from the floating slab to the tunnel wall (point-like supporting)

4插入损失评价

插入损失作为振动系统的主要评价指标之一，通过测试减振措施使用前后的振动量，评定减振措施的减振效果。振动加速度级插入损失计算公式如下：

Linsert=L-L'

(2)

式中：Linsert为振动加速度级插入损失，dB；L为未采用减振措施时，振动加速度级，dB；L'为采用减振措施后，相同位置处的振动加速度级，dB。

对于满铺型橡胶浮置板轨道，从图9可以得出：1)在大于20 Hz的频段，插入损失大于0，说明满铺型橡胶浮置板轨道的减振工作频率为≥20 Hz；2)最大减振量发生在80～100 Hz频段，插入损失为35.5 dB(2个测点的均值)。

图9　隧道壁的插入损失(满铺)Fig.9 Insert loss of the tunnel wall (full-surface supporting)

对于条铺型橡胶浮置板轨道，从图10可以得出：1)条铺型橡胶浮置板轨道的减振工作频率为≥10Hz；2)在63～80 Hz频段内减振效果最为显著，插入损失为42.1 dB(2个测点的均值)。

图10　隧道壁的插入损失(条铺)Fig.10 Insert loss of the tunnel wall (linear supporting)

对于点铺型橡胶浮置板轨道，从图11可以看出：1)点铺型橡胶浮置板轨道的减振工作频率为≥10 Hz；2)最大减振量发生在63～80 Hz处，插入损失为37.5 dB(2个测点的均值)。

图11　隧道壁的插入损失(点铺)Fig.11 Insert loss of the tunnel wall (point-like supporting)

5结论

1)相较于满铺型橡胶浮置板轨道，条铺和点铺使得橡胶浮置板轨道的传递损失增大；

2)条铺和点铺的减振工作频率降低。

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[11] CJJ/T 191—2012, 浮置板轨道技术规范[S].

CJJ/T 191—2012, Technical code for floating slab track[S].

(编辑蒋学东)

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

中图分类号：U231

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)02-0245-05

通讯作者：金浩(1986-)，男，浙江渚暨人，博士，从事轨道振动控制研究；E-mail: jinhao@tongji.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278043, 51478353)

收稿日期：2015-05-25