高架地铁的轨道结构振动测试及对高架桥的影响分析∗

李泽熙 娄宇 吕佐超 左汉文

( 1.中国电子工程设计院有限公司 北京100142;2.北京市微振动环境控制工程技术研究中心 100086;3.北京建筑大学 100044)

引言

地铁因其载客量大、运载效率高的特点,已成为满足城市交通需求的可靠措施,但地铁在城市内穿行,其运营过程中产生的振动会对周边环境带来一定影响,例如北京地铁4 号线穿行北京大学,干扰实验室精密仪器正常工作[1]。为此,许多学者对轨道交通的振动问题做了诸多研究,苏宇[2]等在北京交通大学地下实验室内通过实验的方法探究了梯形轨枕减振性能,康佐[3]等对西安地铁中隧道内钢弹簧浮置板道床减振效果进行了检测,林渝轲[4]等测试了地铁提速至120km/h 后多种轨道减振效果。但现有研究大多针对地下隧道中轨道的振动特性,且多用较宽频段的数据进行加权分析,忽略了对敏感频率的验证。考虑到对振动敏感的工业建筑多地处城郊,周围地铁线路常布置于高架桥上,产生的低频振动衰减较慢,易对建筑和建筑内的振动敏感设备产生不利影响,本文以郑州市地铁城郊线为例,对高架线路上轨道结构的振动进行了测试,分析了50Hz 以下的振动特性和对高架桥的影响,为类似高架地铁的轨道结构和高架桥设计提供参考。

2 振动测试

2.1 测试概况

为测试高架地铁上轨道结构和高架桥的振动情况,选取郑州某城郊线,该城郊线采用B 型车,6 节编组,车长118m,设计时速80km/h,两种轨道结构布置在构造相同的桥上,附近无明显干扰振源。测试断面分别为无砟梯形轨枕道床和普通道床。为避免列车加减速导致的振动变化,保证测试工况变量单一性,两者均选取直线段,相距650m,位于相同站点区间段且距离站点有一定距离。

2.2 测点布置

测试断面均布置两个测点,分别位于钢轨和桥面上。传感器包括PCB -352C03 型单向加速度传感器、科动KD1500LS 型三向加速度传感器,具体参数见表1。

表1 传感器参数Tab.1 Parameters of sensors

以梯形轨枕道床测试断面为例,传感器布置如图1 所示。钢轨上测点1 布置两个单向传感器,桥面上测点2 布置1 个多向传感器,每个测点采集竖向和水平向(垂直于线路方向)的振动加速度。

图1 测点布置Fig.1 Layout of measuring points

2.3 测试结果

测试结果使用采集仪(INV3062)离线拾取数据并进行筛选,选取其中波形完整、无信号突变、幅值正常的10 组数据。各组数据中地铁通过时波形长度近似,第一个较大峰值与最后一个较大峰值间约6s,即第一节车厢首个轮组通过至末节车箱的最后轮组通过时长,结合车长估算运营车速约在70km/h。

其中一组典型数据见图2、图3。

图2 普通道床典型时域数据Fig.2 Typical time domain curves of common railways

地铁经过普通道床时,钢轨上竖向振动加速度最大值为90.01m/s2,水平向最大值为47.72m/s2,高架桥面上竖向振动加速度最大为3.76m/s2,水平向最大为9.68m/s2。由此可以看出,对于普通道床,钢轨上的竖向振动大,水平向振动相对较小,但高架桥面的振动响应与此相反。

图3 梯形轨枕道床典型时域数据Fig.3 Typical time domain curves of ladder sleeper railways

梯形轨枕道床上,钢轨上竖向加速度最大值为62.28m/s2,水平向加速度最大值为153.18m/s2,高架桥面上竖向加速度最大值为1.40m/s2,水平向最大为0.85m/s2。由此可以看出,对于梯形轨枕道床,钢轨上的竖向振动小于水平向振动,但高架桥面的振动响应与此相反。

与普通道床相比,梯形轨枕道床上钢轨的竖向振动较小,水平向振动较大,高架桥面上竖向和水平向振动均低于普通道床,且水平向振动比普通道床低一个数量级。

3 振动特性分析

3.1 振动加速度级

对10 组时域振动信号进行FFT 转换,得到振动信号在1Hz ～50Hz 频段上的响应,将10 组频域数据进行平均,采用振动加速度级评价地铁的振动特性。

根据国家标准[5]振动加速度级定义为：

式中：ax为测点振动加速度;a0为基准加速度,a0=10-6m/s2。图4 给出了普通道床与梯形轨枕道床的振动加速度级。

图4 道床振动加速度级Fig.4 Vibration acceleration level of railways

由图4a 可以看出,在普通道床上,钢轨两方向加速度级变化趋势相同,竖向振动大于水平向振动,高架桥面上的两方向加速度级幅值接近,趋势相同,在1Hz ～25Hz 频段,钢轨上加速度级高于桥面上加速度级,25 Hz ～50Hz 频段,两测点加速度级逐渐接近。

由图4b 可以看出,在梯形轨枕道床上,钢轨与高架桥面上的振动加速度级变化趋势相同,钢轨竖向振动加速度级大于水平向,桥面上竖向振动大于水平向。总的来看,在1Hz ～50Hz 频段,梯形轨枕道床上钢轨振动远大于高架桥面振动。

3.2 振动传递

高架地铁振动在钢轨至桥面的传递途径中,受道床整体的几何参数、材料特性、约束形式和结构频率等因素影响,振动加速度级变化规律各不相同,可使用钢轨与桥面振动加速度级的差值描述振动传递情况,当差值大于零时说明振动衰减,当差值小于零时说明振动放大。图5 给出了两种道床测点处钢轨至桥面的振动传递情况。

由图5a 可以看出,普通道床上竖向振动在钢轨到高架桥面的传递路径中,在1Hz ～20Hz 频段衰减明显,约衰减17dB ～23dB,在20Hz ～30Hz 频段衰减逐渐变小,30Hz ～50Hz 频段的衰减小于10dB; 水平向振动衰减随频率变化趋势与竖向相同,衰减量小于竖向,最大为18.7dB,最小为1.2dB。

由图5b 可以看出,在梯形轨枕道床的钢轨至高架桥面的传递过程中,水平向振动衰减在10Hz 处最大,约37.7dB,在27Hz 最小,约18.8dB,整体大于竖向振动的传递衰减,竖向振动在1Hz ～14Hz 频段衰减约17dB ～22dB,之后衰减效果逐渐变小,29Hz 处衰减仅有4.7dB。

4 轨道结构的减振特性

由于两个测试断面相邻,列车通过时的时速稳定,可以认为列车通过时外界激励基本相同。图6 统计了使用梯形轨枕道床和普通道床时桥面上竖向与水平向振动测试数据。

图6 高架桥面振动加速度级Fig.6 Vibration acceleration level of viaducts

使用插入损失的方法可以更加清楚直观地描述使用梯形轨枕后道床系统振动特性的变化,即两个高架桥面上测点的加速度级差值,公式如下：

式中：VAL1和VAL2分别是普通道床高架桥面和梯形轨枕道床高架桥面加速度级。当ΔL＞0 时说明梯形轨枕道床振动减小,ΔL＜0 时说明振动放大。图7 是竖向与水平向振动的插入损失。

由图7a 可知,竖向振动插入损失在14Hz 以下为正值,最高减振10.4B; 在15Hz ～33Hz、35Hz ～38Hz、35Hz ～37Hz、44Hz ～46Hz 频段插入损失为负值,说明梯形轨枕在此频段内振动放大,最高放大7.9dB; 46Hz 之后减振效果开始增强。

图7 振动插入损失Fig.7 Insertion loss of vibration

由图7b 可以看出,水平向振动放大的频率较少,仅出现在18Hz、26Hz ～33Hz 及37Hz,最多放大5.5dB,其他频段均有一定减振效果,最大减振量15.6dB,减振效果较好。

总的来看,与普通道床相比,梯形轨枕道床的减振性能与频率相关,1Hz ～50Hz 频段减振效果不是非常显著,在一些频段出现振动放大现象,主要集中在15Hz ～40Hz。研究表明,振动放大现象与高架桥固有频率相关[6]。因此,在高架线附近若存在对此频段振动敏感的建筑和设备,应评估梯形轨枕道床的低频减振性能。

5 结论

本文通过对高架地铁的梯形轨枕道床和普通道床两种轨道结构的实测,分析比较了两者的振动特性及振动对高架桥的影响,以下结论可为类似高架地铁的轨道结构和高架桥设计提供参考。

1.高架地铁采用不同轨道结构,振动响应差异较大。梯形轨枕道床桥面上的竖向和水平向振动均小于普通道床,其中水平向振动低一个数量级。

2.在1Hz ～50Hz 频段内,梯形轨枕道床上的振动由钢轨传至高架桥面的过程中,均有较明显衰减,水平向衰减更大。普通道床竖向衰减较大,且在25Hz 以后振动衰减渐小,轨道系统各点振动趋于一致。

3.在地铁高架桥上,相较于普通道床,梯形轨枕道床由于自身以及桥梁固有频率等原因,在15Hz ～40Hz 频段会出现振动放大现象,当周围有振动敏感设施时应注意评估低频减振效果。