华北平原季冻区重载列车振动传播规律研究

2018-12-21武志辉

振动与冲击 2018年23期

董捷，武志辉

(1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北张家口 075000)

重载铁路因其具有运能大、成本低、效率高等优势而受到广泛重视。与此同时，重载铁路列车运行引起的环境问题日益严重，尤其是噪声污染及环境振动污染等问题。与普通铁路相比，重载铁路列车运行产生的振动具有显著的低频、高幅值、长持时等特点，对路基体及周边环境将造成更大的影响。

国内外众多学者通过理论分析模型、数值仿真模拟、相似模型试验结合现场实测数据针对铁路列车引起的振动问题进行研究，许多预测评估计算模型用来探究列车行驶引起道砟层、路基、地表的动力响应特性。Salvador等[1]研发一套计算程序，该程序可以用来获取并验证均匀移动列车荷载作用下道砟层和地面垂向加速度振动情况，并通过实测验证了该程序计算结果的可靠性。和振兴等[2]提出一种车辆-轨道-地基耦合二维平面数值分析模型，预测列车通过时地基振动加速度及频域成分衰减特性。高广运等[3]结合薄层法力学分析原理研究地面竖向振动加速度特征。在数值动力仿真研究方面，Zhang等[4]首次运用PFC(Paticle Flow Code)有限差分软件建立二维有砟轨道模型，分析高速列车荷载作用下轨枕、道砟层及路基体动力特性。Bian等[5]为了更好地阐释高速铁路列车振动传播规律，建立列车-轨道-路基耦合2.5D动力数值分析模型，进一步得出高速列车运行产生振动速度、振级的变化规律。为更逼真地分析列车通过时产生的地表振动传播特性，Sayeed等[6-7]在研究过程中，通过建立三维有限元数值计算模型，探究高速铁路列车运行产生的振动响应特性。李琼林等[8]通过动力有限元数值模拟方法，研究季节变化对列车行驶引起的路基动应力分布规律的影响。马利衡等[9]建立数值模型研究列车作用下地面的振动响应。在相似模型试验研究方面，Bian等[10-11]建立高速铁路轨道相似模型试验，研究高速铁路振动响应规律。王启云等[12]通过轨道-路基实尺试验模型对列车荷载作用下的路基动力响应进行分析。此外，现场测试可以获取现场第一手资料，能客观综合地反映列车动载作用下真实振动情况。陈建国等[13]通过对地面竖向、横向振动的现场测试，研究了运行列车引起的地面振动级其传播规律。Chen等[14-15]通过现场实测振动情况，分别研究了列车荷载作用下路基振动加速度幅值、动土压力、振动频谱曲线及地面振动响应规律。Kouroussis等[16-17]为了预测在普通铁路列车通过时地面振动响应情况，进一步优化传统三维数值分析模型，并结合实测数据重点研究钢轨缺陷及列车速度对地面振动的影响。

研究发现，列车振动传播规律现有研究成果多针对城市轨道交通、高速铁路，相比而言，关于重载铁路列车行驶过程中振动响应的研究内容较少。陈迎庆等[18]通过现场测试，得到重载列车不同速度运行时铁路线不同距离处环境振动振级水平及频域特性。Petriaev[19]开展现场实测工作，重点研究重载列车通过时基床的动力响应规律，认为随着列车荷载和速度的增加，基床的动力响应程度大幅度提高。总结发现，针对季节性冻土区重载列车振动荷载激励作用下路基体及周边环境动力响应的影响规律的研究尚不多见。

为此，论文现场测试特选择车型多、开行密度高、地层相对均匀的大秦铁路阳原段开展现场测试工作，在地表冻土层形成前后，分别对试验段路堤及周边环境进行振动加速度测试。论文探讨了该季冻区不同时期重载车致振动衰减规律，研究重载列车不同车型、车速、土层含水率及冻土层等因素对振动响应的影响规律。此外，对测得的加速度数据进行快速傅里叶(Fast Fourier Transform Algorithm,FFT)变换求得振动加速度频谱图，进一步对比分析了不同时期加速度频谱图变化特性。

1 现场监测概况

1.1 测试目的

随着重载铁路列车轴重及牵引质量的不断提高，铁路路基及周边场地振动明显增大，重载铁路振动持时长、循环次数多、影响范围广，由此产生的振动问题日益突出。针对重载铁路运行引起振动较大的问题，通过对不同时期大秦铁路线路基及地表振动加速度测试，研究了重载列车振动荷载激励作用下路基体及周边环境动力响应规律。大秦线西起山西省大同市(中国最大的煤炭能源基地之一)，东至海滨煤港秦皇岛市，线路跨越山西省、河北省及北京市，全长约为643.4 km，是中国第一条开行万吨重载列车的运煤专用铁路线。自1992年开通运营以来，铁道部对大秦铁路实施持续扩能技术改造，重载列车轴重越来越大、行车的密度越来越髙、列车编组长度越来越长，全线运量逐年大幅提高。目前，其扩能改造随之引起车致环境振动问题日益突出，且受华北地区京津冀协同发展战略影响，针对华北地区大秦重载铁路开展环境振动测试研究工作显得尤为迫切。

大秦铁路监测试验重车线钢轨采用75 kg/m，轻车线采用60 kg/m，Ⅱ型轨枕为主，采用石灰岩与玄武岩混砟道床，测试段以路堤为主。测试场地位于河北省张家口市阳原县化稍营镇，该地区夏季最高气温39 ℃，地表土层含水率约为14%～18%，经雨季土壤水分恢复之后，秋季地层含水量可达15%～20%。冬季最低气温-27 ℃，其中12月中旬至次年3月为季冻期，平均冻结深度1.5～1.9 m。试验段位于华北平原地区，地势开阔平坦，地表多为新黄土，厚度约为2 m左右，其下砂卵石层，且分布较均匀。

1.2 测试方案

为满足测试精度和所需要的温度范围，地表振动加速度测试系统采用cDAQ-9174四槽盒Compact DAQ机箱，一种多通道并行数据采集的高性能数据采集系统，可实现混合传感器测试采样，同时适用于混合信号数据的采集；加速度传感器为高灵敏度CT1100LC型传感器，该传感器电压灵敏度约1 000 mv/g、采集量程为-5～5g、采集频率范围0.2～1 600 Hz、数据采集均匀稳定，其性能满足公路、铁路车辆荷载引起的地表振动测试工作要求。

重车运行一侧沿垂直钢轨方向共布设8个测点，其中测点1布置在路肩处，测点2布置于路堤坡脚处，测点3～8距路肩水平距离分别为10 m、20 m、30 m、40 m、55 m、70 m，现场概况及具体测点布置情况,如图1和图2所示。测试表明，在重载列车荷载激励作用下，路堤体及周边环境铅垂向振动加速度较大，因此，本次试验重点研究铅垂向振动加速度响应规律。

(a) 加速度传感器

(b) 加速度采集系统

图2 测点布置示意图

2 监测结果分析

2.1 非冻结期振动响应

非冻结期监测时间分别为2016年夏季7月中旬和秋季11月26日，地表无冻土层形成，采样频率为1 600 Hz，共采集26组数据，208条记录。列车主要为C80系列、C70、X70等。C80系列重载列车满载轴质量25 t，空车轴质量5 t，运行速度55～92.7 km/h；C70重载列车满载轴质量23 t，空车轴质量5.9 t，运行速度56～84 km/h；X70满载列车轴质量22 t，运行速度62.6 km/h。试验共采集到5组列车交汇运行数据。

重点针对上述三类重载列车分析振动加速度变化规律，选取时速为71.34 km/h的C80B列车、时速为68.65 km/h的C70列车、时速为62.60 km/h的X70列车。图3为C80B列车满载运行时C1、C4、C8测点处振动加速度时程谱。从图3可知，路肩处振动加速度曲线能清晰的反映列车的编组情况和各轮轴间的相对位置关系，具有较明显的振动峰值，并呈现明显周期性变化。随着测点至路肩距离的增大，振动曲线转向架轮轴的相对位置关系变得较为模糊，无法清楚的辨认车轮经过的具体时刻，这是因为振动波在传播过程中，容易产生反射、折射、弥散等现象，导致远场振动加速度曲线转向架轮对的非周期性。

(a) C1振动加速度时程谱

(b) C4振动加速度时程谱

Fig.3 Time-histories of the vibration accelerations induced by a C80B train

图4为振动加速度峰值及平均值随至路肩距离增大衰减规律曲线，分析可知，随着列车轴重的增加，路堤及周边环境振动加速度幅值明显增大，C80B列车引起的振动响应最大，C1处加速度峰值达到0.67 m/s2，C70、X70分别为0.49 m/s2、0.32 m/s2。在路肩至坡脚0～5 m区域内振动峰值衰减最快，C80B满载列车作用下，坡脚处振动加速度峰值衰减率最大为71%，C70次之为64%，X70则为54%；在距离路肩5 m及更远的区域，振动衰减趋势放缓。

图4 振动加速度衰减关系对比曲线

图5反映了满载C80B列车与空载C80列车交汇运行时路肩处加速度时程谱。结合图4可知，与列车无交汇运行相比，列车交汇运行引起的振动加速度幅值明显增大，C80列车交汇运行时路肩处铅垂向加速度峰值为0.75 m/s2，相对于同期单程C80B满载列车提高10.7%；坡脚处列车交汇运行加速度峰值为0.29 m/s2，相对于单程列车提高34.3%，加速度平均值为0.07 m/s2，相比提高36.3%；位于测距70 m处的C8测点，列车交汇运行时加速度峰值为0.06 m/s2，相对于单程列车提高20.3%，加速度平均值为0.01 m/s2，相比提高15.4%。

图5 C80B列车交汇运行加速度时程谱

Fig.5 Time-history of the acceleration induced by C80B trains running in parallel after meeting

2.2 冻结期振动响应

冻结期监测时间为2017-01-22，测量时段处于冻结期，地表冻土层厚度约为1.6 m。监测采样频率为1 600 Hz，共采集23组数据，184条记录。监测列车主要为C80系列、C70、X70等。C80系列列车运行速度约为50～95 km/h，C70列车运行速度62～69 km/h，X70列车运行速度54.14 km/h，本次监测试验采集3组来往列车交汇运行数据。

选取时速为71.55 km/h的C80B列车、时速为66.40 km/h的C80E列车、时速为68.5 km/h的C70列车、时速为54.14 km/h的X70列车统计分析加速度特征值变化规律。

随着列车轴重的增加，列车运行时振动加速度幅值明显增大，C80系列引起的振动加速度最大，C70次之，X70最小,如图6所示。随着测点至路肩距离的增大加速度特征值迅速降低，其中路肩到坡脚之间的衰减幅值较大，其余测点的衰减趋势逐渐减弱。

2.3 车速对振动影响

选取C80B列车不同速度运行时振动加速度进行分析，研究场地振动加速度特征值与列车速度的关系，车速范围为75.5～91.3 km/h。各测点加速度特征值与列车速度关系，如图7所示。由于列车速度提升，轮对作用于钢轨的频次增加，导致振动响应增强，因此随着车速的提高振动加速度特征值逐渐增大。相比于其它测点，路肩处加速度变化幅值受车速的影响较小，当车速由75.5 km/h提高到91.3 km/h时，加速度幅值增加18.1%，与路肩相距20 m、70 m处地表振动加速度幅值分别提高了44.0%及22.2%。

图6 振动加速度衰减关系对比曲线

图7 列车不同速度加速度衰减曲线

另外，在相距路肩20 m处，车速由75.5 km/h提高到79.8 km/h时，加速度增幅33.7%，车速由81.4 km/h提高到91.3 km/h所对应的加速度增幅为22.8%，同样相距路肩55 m处加速度相应的增幅分别为31.0%与12.8%，可见，当车速增加到一定程度时，速度的变化对振动加速度幅值的影响程度有所降低。

2.4 冻土层对振动加速度影响分析

季冻区不同时期路堤及周边地表土层的冻融层厚度分布有所差异，从而对场地振动造成一定影响。论文基于非冻结期及深度冻结期(冻土层约为1.6 m厚)测试数据，针对C80B、C70、X70重载列车荷载激励，研究冻土层对路堤及周边环境振动加速度分布的影响规律。

图8反映了冻土层形成前后场地振动加速度特征值随路肩距离变化衰减规律，从图8可以看出，不同时期加速度特征值衰减趋势基本一致，都表现为路肩至坡脚处衰减幅值较大，其余各点衰减趋势较为平缓；而冻结期C70与X70货车运行引起的地表振动加速度特征值在距路肩水平距离10 m后明显大于非冻结期，这说明冻土层加剧了地表远场振动反应的强度，由于冻土覆盖层增大了路堤表层及周边土体表层的刚度，体系耗能较非冻结期有所减少，致使振动反应强度增大，幅值增大约为10%～26%。

(a) C80B列车运行加速度衰减对比

(b) C70列车运行加速度衰减对比

2.5 冻土层对频域影响分析

选取夏季、秋季和冬季三个不同时期加速度信号进行快速傅里叶变换(FFT)变换，对比研究地层含水率及冻土层对振动加速度频谱分布特性的影响。测试试验段夏秋季节地表土层含水率有一定差异，从夏秋两季加速度频域曲线可以看出，含水率不同对振动强度及频域分布影响较小。图9反映了测点3、测点8频谱对比结果。远离路肩10 m处冻结期频率分布范围主要在10～85 Hz，较非冻结期主要频率15～65 Hz分布范围广；在距路肩70 m处的C8测点，相比于非冻结期的频谱范围10～55 Hz，冻结期则为20～70 Hz，总之，相比于无冻土层时加速度频谱分布特性而言，冻土期各测点的频谱分布范围较广，高频振动成分较为丰富，说明冻土层的存在更便于高频振动向外传播。