时速80 km/h地铁地下线梯形轨枕轨道现场测试分析

2020-06-06张胜龙王文斌李玉路赵梦拴

科学技术与工程 2020年12期

刘力，张胜龙，王文斌*，李玉路，赵梦拴

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司城轨轨道交通中心，北京 100081； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

城市轨道交通具有缓解城市拥堵，充分发挥城市土地资源的一种重要交通工具[1]。近年来，中国多个城市得到迅猛发展。但是随之而来的振动噪声问题也一直困扰着城市居民[2]。为此中外学者研制出一系列减振措施[3-4]，轨道处减振措施主要有减振扣件、梯形轨枕减振道床、减振垫减振道床和钢弹簧浮置板减振道床[5]等。梯形轨枕作为一种中等减振轨道，能够一定程度缓解地铁运营引起的振动噪声问题，在中国得到广泛应用。现场测试是研究地铁运营引起的振动问题最直接、有效的手段，有学者对梯形轨枕进行了一系列的测试研究。葛辉等[6]通过对时速120 km/h的梯形轨枕和弹性长枕进行测试，对两者的减振效果进行了对比。邓玉姝等[7]对高架桥梯形轨枕振动和噪声进行了测试和仿真计算。曾向荣等[8]对160 km/h的梯形轨枕的安全性和平稳性进行了在线测试。前人从不同方面对梯形轨枕进行了研究，但是关于地下线梯形轨枕减振效果和位移进行测试的研究尚鲜见报道。

以北京地铁某号线梯形轨枕为例，对地铁地下线普通整体道床和梯形轨枕道床(图1)进行加速度和动位移测试，分析对比地铁列车经过时两种轨道的动力响应和梯形轨枕的减振效果，为梯形轨枕理论研究和应用提供依据。

图1 梯形轨枕道床Fig. 1 Ladder sleeper ballast bed

1 现场测试

测试选取北京地铁某号线，单洞单线，列车为地铁B型车，6节编组，车速为80 km/h，测试分为普通整体道床和梯形轨枕道床两个断面，两种道床形式均采用DTVIII扣件，普通道床断面加速度测点包括钢轨、道床和隧道壁。梯形轨枕道床断面加速度测点包括钢轨、道床和隧道壁，位移测点包括钢轨垂向、钢轨横向和道床垂向。钢轨、道床和隧道壁加速度测点分别采用200g、50g、5g量程朗斯加速度传感器，钢轨和道床位移采用东方所应变式位移传感器，有效量程±10 mm，具体测点布置位置如图2所示，现场测点照片如图3所示。

图 2 各断面位移测点示意Fig. 2 Each section displacement measuring point

图3 位移测点Fig. 3 Displacement measuring point

测试采用自动触发方式，收集地铁列车经过测试断面时引起的各测点的加速度和位移，测试时间为1 d，将该天内所有经过的地铁列车数据进行了采集。

2 测试结果与分析

对普通道床断面和梯形轨枕道床断面的测试数据进行对比分析，评价梯形轨枕工作性能。

2.1 加速度

加速度主要从时域、频域和最大Z振级等角度进行分析，全方位描述梯形轨枕的减振效果。

2.1.1 时域

加速度时域数据为地铁列车经过引起的测点处的加速度随时间变化的值，普通道床断面各测点加速度时域值如图4所示，梯形轨枕断面各测点加速度时域值如图5所示。

图4 普通整体道床各测点垂向加速度时程图Fig. 4 Time history diagram of vertical acceleration of each point in ordinary ballast bed

图5 梯形轨枕道床各测点垂向加速度时程图Fig. 5 Time history diagram of vertical acceleration of each points in ladder sleeper ballast bed

取列车经过时10 s数据进行分析，分别计算两断面各加速度测点的有效值，如表 1所示。

从图4、图5、表1中可以看出，所有测点振动均

表1 时域有效值对比Table 1 Comparison of effective values in time domain

成梭形，反应列车驶近和驶远的过程。普通道床断面钢轨、道床和隧道壁振动幅值分别为80、5、1 m/s2，有效值为14.1、0.48、0.069 m/s2，在列车轮轨经过时有稍微振动增大毛刺，钢轨到道床振动有效值衰减96.6%，道床到隧道壁振动有效值衰减85.6%。梯形轨枕道床断面钢轨、道床和隧道壁振动幅值分别为100、3、0.07 m/s2，有效值为18.1、0.62、0.016 m/s2，轮轨经过时的振动增大毛刺不明显，钢轨到道床振动有效值衰减96.6%，道床到隧道壁振动有效值衰减97.4%。梯形轨枕道床钢轨和道床处振动加速度大于普通整体道床，隧道壁处振动加速度小于普通整体道床，说明梯形轨枕有一定减振效果，隔振垫将道床钢轨与隧道基地隔离，阻止振动能量直接向下传播，所以梯形轨枕道床钢轨和道床的振动要大于普通整体道床，测试结果与减振轨道设计原理相符,值的说明的是钢轨附近的振动与轮轨关系的好坏有关，随着轮轨关系的恶化钢轨处振动将会增加。

2.1.2 频域

1/3倍频程谱能够描述不同频率下振动物理量的大小，能够反映某一频段内的振动能量的有效值[9]，在地铁环境振动领域应用比较广泛[10-11]。将两测试断面各测点加速度数据进行1/3倍频程加速度谱分析，如图6所示。

图6 各加速度测点1/3倍频程加速度级图Fig. 6 Acceleration level diagram of 1/3 octave frequency

两种道床断面振动能量衰减趋势相似，从钢轨、道床到隧道壁振动均呈现衰减趋势，钢轨振动能量最大且频域越高能量越大，与其自身刚度大有关。道床振动能量相对于钢轨有所减低，隧道壁振动能量相对于钢轨和道床最低。将两测试断面隧道壁测点1/3倍频程谱做差如图7所示。

图7 隧道壁加速度测点1/3倍频程插入损失Fig. 7 1/3 octave insertion loss at the acceleration measurement point of the tunnel wall

梯形轨枕道床在隧道壁处各频率断内振动能量均小于普通整体道床。其中100 Hz以内减振效果略高于100 Hz以上减振效果。

2.1.3 Z振级

根据《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)和《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071—1988)，铁路交通引起的环境振动采用铅垂向Z振级最大值VLZmax进行评价。隧道壁振动虽然为衬砌结构振动，用最大Z振级作为减振效果评价指标仍有较大意义[12]。

Z振级实质为加速度级在Z方向的计权。加速度级按GB 10071—1988规定的方法，采用各中心频率的有效值(RMS)，按式(1)计算。频率为1～80 Hz。

VL=20lg(a/aref)

(1)

式(1)中:VL为振级，dB；a为振动加速度的有效值，m/s2；aref为基准振动加速度，取aref=1×10-6m/s2。

根据式(1)计算出普通整体道床隧道壁最大Z振级为77.1 dB，梯形轨枕减振道床最大Z振级为65.2 dB，减振效果为11.9 dB。

2.2 位移

轨道动位移是城市轨道交通列车运行中的一项重要指标，轨道刚度过低会引起动位移过大，列车平稳性降低，钢轨播磨[13-14]等一系列问题。目前，中国各方也在编写相应规范对不同轨道结构轨道动位移限值进行规定。梯形轨枕轨道各测点在列车经过时的动位移时程如图8所示。

图8 动位移时程图Fig. 8 Dynamic displacement time history

因为地铁列车荷载直接通过轮对作用在钢轨上，所以钢轨垂向位移能够清晰地反映列车轮对的作用过程，在轮轨的作用向下钢轨垂向产生向下规律性位移，最大值为0.34 mm；因为测试断面为直线段，所以钢轨横向位移呈左右对称摇摆，并未向一侧偏移，最大值为0.13 mm；由于钢轨的缓冲作用，列车荷载传递到道床上仅能体现相邻较远轮对之间的作用过程，道床垂向位移最大值为1.21 mm；道床横向位移为左右摇摆，最大值为0.081 mm。