地铁列车与定点锤击荷载下浮置板轨道减振效果对比试验研究

2019-10-21李明航吴宗臻王文斌刘维宁

中国铁道科学 2019年5期

马蒙，李明航，吴宗臻，王文斌，刘维宁

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2.中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京 100081)

近年来，地铁列车运行引起的环境振动问题持续受到关注。为控制地铁环境振动，新线建设时采用减振轨道被认为是最有效且便于实施的手段。然而，尽管地铁采用减振轨道的比例日益提高(如北京数条地铁线路减振轨道铺设长度占比超过50%[1-2])，但是线路开通运行后却常常出现居民对其振动的投诉[3]。这一方面与我国地铁振动预测评价体系的不完善有关；另一方面则与地铁轨道减振效果在上线前的实验室评估(线下评估)与上线后实际运营测试评价(线上评估)结果存在较大差异有关。

线上评估是指在运营线或试验线，采用实际移动列车荷载作为振源，测试评价真实运营条件下轨道减振效果。如：李克飞等[4]测试了北京地铁5号线轨道减振器扣件、梯式轨枕轨道的减振效果。赵才友等[5]测试了桥上无砟轨道铺设橡胶减振垫的减振效果。刘鹏辉等[6]通过对北京地铁的振源测试，对比得到了4种不同轨道减振产品的损失。由于线上测试通常难以原位更换轨道，所以上述研究通常选取相邻轨道进行对比测试。而对比测试段受车速、曲线半径、隧道型式、轨道下部刚度等各种复杂因素影响，因此实际线上测试得到的减振效果评价量并不是严格意义上的插入损失，而通常被称为准插入损失或对比损失[6-7]。

线下评估是指在实验室内采用定点激励作为振源评估轨道减振效果的方法。常用振源包括定点锤击激励[8]、扫频激励[9]和随机激励。各类代表性定点激振设备详见文献[10]的总结。线下评估由于试验条件可控，能测试得到真正意义上的插入损失。同时由于测试成本低、无需采用移动列车激振，是各类轨道减振产品用于试验线测试或正线测试之前首选的评价方法。

然而，近年来研究表明[11-13]：轨道的减振效果并非仅与轨道的自身特性有关，而与激励条件、运营条件等因素也有关。因此如果忽略实验室线下评估和现场线上评估的差异，将会直接影响减振轨道选型和参数设计。这种差异主要体现在：(1)轨道有预载和无预载的差异；(2)定点激励和移动激励时的差异。如何确定影响这种差异的因素、并最终在频率上定量描述这种差异，是准确评估轨道减振产品在实际运营时减振效果的关键所在，这对新线在规划阶段实施有效的环境振动影响预测，以及多种减振措施优化比选都起着至关重要的作用。对此，本文首次通过试验方法研究测试钢弹簧浮置板轨道在移动列车荷载与定点锤击荷载作用下动力特性和减振效果的差异。

1 试验概况

选取钢弹簧浮置板轨道作为减振轨道代表，以地铁普通无砟轨道作为对照。在上述2段轨道上分别施加移动列车荷载和定点锤击荷载作为激励，如图1所示，以分析轨道动力响应及轨道减振效果。

图1 线上测试工况示意图

试验地点选在国家城市轨道交通综合试验线隧道段。该试验线位于北京东郊环形铁路大铁试验线内侧，正线为1条闭合的试验线，线路全长11.577 km，隧道长925 m，内铺设钢弹簧浮置板轨道(减振轨道)和普通无砟轨道(非减振轨道)。

钢弹簧浮置板轨道设计自振频率为9.5 Hz，每块道床30 m，道床间设30 mm伸缩缝，并通过道床剪力伸缩铰相连。钢弹簧隔振器沿线路纵向布置间隔为1.2 m，横向布置间距为1.9 m。

试验所在隧道区段为单线矩形断面，每种轨道类型各选取2个测试断面，分别在钢轨、道床、隧道基底和隧道壁上布置加速度传感器，仅测试垂向振动响应，如图2所示。

图2 测点布置示意图

列车荷载激励采用地铁B型车6节编组空载车辆加载，列车通过试验轨道的时速为52～53 km·h-1。激励采用自动落锤激励装置如图3所示，每次激振时通过电磁铁将共计62.5 kg的质量块提升15 cm，切断电源后质量块自由落体通过尼龙锤头锤击单根钢轨。

图3 落锤及测点照片

2 振动响应

2.1 时程

2种荷载激励下轨道振动响应典型时程如图4—图7所示。为便于比较分析，纵坐标设定为相同尺度。由图4—图7可以看出：2种荷载激励条件下，浮置板轨道的钢轨及道床振动加速度响应均显著大于普通无砟轨道；而经过钢弹簧隔振器的过滤，浮置板轨道在基底和隧道壁上的振动响应明显小于普通无砟轨道。此外，当采用落锤激励时，各测点时程峰值要略大于列车荷载激励下响应峰值。

2.2 三分之一倍频程

以钢轨和基底加速度响应为代表，进一步分析2种荷载激励下各测点加速度的三分之一倍频程谱。图8给出了不同工况下10个测试样本的最大、最小值之间的包络范围(用阴影面积表示)以及平均值。

首先，列车荷载作用下各测试样本间差异很小，而锤击荷载作用下在10 Hz以下低频段测试样本间差异较大，且频率越低，样本离散程度越高。这是由于10 Hz以下频段受列车准静态分量影响较大，而锤击荷载无论从激振能量还是激励稳定性都无法达到移动列车荷载的水平。

其次，在不同荷载工况下，各测点响应均表现出完全不同的振动特性，尽管响应在数量级上基本一致，但特征峰值和各频段能量分布完全不同，具体表现在：

图4 钢轨典型加速度响应时程

图5 道床典型加速度响应时程

图6 基底典型加速度响应时程

图7 隧道壁典型加速度响应时程

(1)对于浮置板道床，钢轨上3～400 Hz范围内落锤激励下的振动响应均大于移动列车激励。但振动传到基底时，在40 Hz以上频段落锤激励引起的振动响应明显小于列车激励下的振动响应。

(2)对于普通道床，钢轨上16～500 Hz范围内落锤激励下的振动响应均大于移动列车激励。当振动传递到基底时，10～400 Hz间大部分频段上落锤激励下振动响应依然大于列车激励下的振动响应，这表现出与浮置板道床完全不同的能量传递规律。

图8 三分之一倍频程加速度

3 振动衰减特征与减振效果

3.1 振动衰减特征

特定系统振动的衰减特征一般采用传递损失(TL，dB)描述。从振动输入点1到输出点2的传递损失定义为

(1)

式中：VL和a分别表示振动加速度级和加速度；下标表示振动输入点和输出点。

当传递损失为正值时，表示振动通过特定系统被衰减，反之振动被放大。

图9为2种荷载激励下不同轨道型式钢轨到道床的平均传递损失。在4～50 Hz频段范围内，钢轨到道床的振动衰减普通道床大于浮置板道床。浮置板在自振频率(8～10 Hz)附近振动衰减量很小。浮置板道床在4～25 Hz、普通道床在4～30 Hz范围内，锤击荷载与移动列车荷载引起的振动传递特性表现出一致的趋势，但在其他频率由于激励能量的差异以及系统的非线性特性，传递损失差异较明显。

图9 钢轨到道床传递损失

图10为2种荷载激励下不同轨道型式道床到基底的平均传递损失。在高于4 Hz频段范围内，道床到基底的振动衰减量浮置板道床显著大于普通道床；且在4～30 Hz频段范围内，对于浮置板轨道频率越高振动衰减量越高，对于普通无砟轨道频率越高振动衰减量越低；在较高频段，2种轨道型式传递损失差异较为明显。

图10 道床到基底传递损失

3.2 减振效果

对系统插入减振弹性元件后，减振效果的评价应采用插入损失(IL，dB)，其定义为

(2)

式中：下标w0表示未插入弹性元件；下标w表示插入弹性元件。

当插入损失为正值时，表示弹性元件有减振效果，反之无减振效果。

当不具备原位更换轨道测试时可采用相邻轨道对比测试的方法[14]，用相邻轨道间振级差(即对比损失[6-7])代替插入损失。

图11为在隧道基底和隧道壁上测试得到的2种荷载激励下的损失。由图11可以看出：浮置板轨道在自振频率(8～10 Hz)附近减振效果为负值；在几乎所有频段上，锤击荷载测试得到的减振效果均优于移动列车荷载测试得到的减振效果，40～100 Hz频段内这种评估差异超过10 dB；当频率趋近于1 Hz时，锤击荷载得到的损失值趋于0，这与单自由度质量弹簧系统减振特性相似，但移动列车荷载作用下，自振频率以下频段的损失为负。