地铁小半径曲线地段钢弹簧浮置板轨道振动特性测试及分析

2021-01-09靳永福傅荣查国涛汪乐马龙祥刘韦

铁道建筑 2020年12期

靳永福傅荣查国涛汪乐马龙祥刘韦

（1.无锡地铁集团有限公司，江苏无锡214100；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；3.中设设计集团股份有限公司，南京210014；4.西南交通大学土木工程学院，成都610031）

钢弹簧浮置板轨道是一种以隔振器为支座的质量-弹簧隔振系统，作为特殊减振措施被广泛应用在地铁隔振中［1-2］。为掌握钢弹簧浮置板轨道在线服役性能和减振效果，国内外学者开展了大量现场测试研究。李克飞等［3］对地铁钢弹簧浮置板轨道的减振特性进行了测试，发现其对高频段振动衰减效果明显优于低频段。李妙迪等［4］采用现场测试的方法研究了车型对地铁浮置板轨道区段振动特性的影响，发现A型车通过时的钢轨、道床及隧道壁的振动响应均明显高于B型车，且该规律在邻近建筑的振动中表现更为明显。葛辉等［5］测试了地铁运行速度为80，120 km/h时直线段浮置板轨道的减振特性，发现在所研究的速度范围内钢弹簧浮置板轨道对钢轨、浮置板及隧道减振效果均较为稳定。林渝轲等［6］测试了地铁列车以120 km/h运行时的钢弹簧浮置板轨道减振性能，发现0～20 Hz和20～80 Hz的振动加速度级在浮置板和隧道壁间的衰减分别可达12，10 dB。王刘翀等［7］对半径600 m的曲线地段和直线地段进行了对比测试，发现曲线地段采用钢弹簧浮置板轨道时隧道壁横向振动响应有所放大。马蒙等［8］分别对列车荷载和定点锤击荷载作用下浮置板轨道与普通道床的振动响应进行了测试，发现在不同激励条件下，响应峰值、主要能量分布、传递特征都存在明显不同，且在定点锤击下获得的评价效果优于地铁列车通过时测得的减振效果。

目前对于地铁小半径曲线地段钢弹簧浮置板轨道的振动特性及减振特性的研究尚不充分，相关现场测试数据匮乏。由于小半径曲线地段轮轨相互作用关系复杂，列车通过时通常会引起地面较大的水平和垂向振动。本文选取铺设钢弹簧浮置板轨道的地铁小半径曲线地段（半径约350 m），现场测试不同载重的地铁列车以不同速度通过时的振动特性，并与相似条件下铺设压缩型减振扣件整体道床轨道地段的测试结果进行对比，研究小半径曲线钢弹簧浮置板轨道的减振特性。

1 现场测试

1.1 测试断面

在无锡市一运营地铁线路中选取4个条件相近的小半径曲线断面开展振动测试（图1）。其钢轨均为60 kg/m的无缝钢轨，隧道均为外径6 m的盾构隧道。

图1 测试断面所在曲线地段示意（单位：m）

断面1、断面2、断面4所处地段均采取了特殊减振措施，轨道类型均为钢弹簧浮置板轨道，采用DTⅢ2型扣件。浮置板板长为29 970 mm，3个测试断面均位于浮置板中部。浮置板下按板端密、中部疏的方式布置了22对隔振器，单个隔振器的垂向刚度为6 MN/m。板端的2个隔振器按1个扣件间距进行布置；板中的隔振器按2个扣件间距和3个扣件间距穿插的方式进行布置。钢弹簧浮置板轨道测试断面配置见图2。

图2 钢弹簧浮置板轨道测试断面配置（单位：mm）

由于该条地铁线路的小半径曲线地段均采用了中等以上减振措施，无法找到无减振措施的小半径曲线地段作对比，故选择采取了中等减振措施的断面3进行对比测试。断面3所处地段的轨道类型为压缩型减振扣件整体道床轨道，采用整体硫化压缩型减振扣件。该扣件是针对该地铁线路中曲线半径小于600 m或环评振动超标小于5 dB的地段专门研制的，除了硫化垫板与调距扣板外，其余部件可与DTⅢ2型扣件通用。4个测试断面的部分参数见表1。

表1 测试断面部分参数

1.2 测试车辆及设备

测试车辆为6节编组的地铁B型车，车辆空载轴重为140 t。

主要测试设备包括24路通道DASP多功能测试分析系统、加速度传感器、位移传感器等，如图3所示。

图3 主要测试设备

1.3 测试条件

测试时振源处于正常工作状态，且无影响测试结果的其他环境因素，如剧烈的温度梯度变化、强电磁场、强风、地震、大型工程机械施工或其他非振动污染源引起的干扰。

测试列车状况良好，车轮行驶前经过镟轮处理。车辆工况包括空车运行（车上仅有驾驶员和信号检测人员）和正常运营。

1.4 测试及分析内容

1）对列车通过时钢轨、道床、隧道壁的垂向振动加速度进行测试。本文仅对隧道壁的垂向振动加速度进行分析，并以此为基础研究小半径曲线地段钢弹簧浮置板轨道的减振特性。

2）对钢弹簧浮置板轨道的垂向振动位移进行测试及分析。

隧道壁的加速度测点布置在曲线地段线路内侧距轨面1.25 m高的隧道壁上，钢弹簧浮置板轨道的位移测点布置在道床板中心。

2 测试结果分析

2.1 隧道壁垂向振动加速度分析

对4个测试断面的隧道壁测点测得的垂向加速度进行最大Z振级和分频振级分析，并分别计算出断面1、断面2、断面4相对于断面3的隧道壁最大Z振级插入损失和分频振级插入损失，研究小半径曲线地段钢弹簧浮置板轨道的减振特性。

2.1.1 最大Z振级及其插入损失

不同测试工况下隧道壁最大Z振级VZmax及其插入损失ΔVZmax见表2。可知：

1）在空载工况下，铺设了钢弹簧浮置板轨道的断面1和断面2引发的隧道壁最大Z振级均在车速为50 km/h时达到最大。可见，小半径曲线地段振动源强在一定范围内随速度增加而变大，但是超过该范围，伴随速度增加振动源强反而有所减小。这主要是由于曲线情况下列车只有在与外轨超高、曲线半径相匹配的最佳匹配速度下运行才能尽可能地减小振动水平，若以不匹配的速度运行，无论偏大还是偏小，都可能引起振动的加剧。因此，小半径曲线地段的振动控制不应一味地降低行车速度。

表2 隧道壁最大Z振级及其插入损失

2）在运营工况下，断面1、断面2、断面4相对于断面3的减振效果分别为9.5，13.8，15.4 dB，断面1的钢弹簧浮置板轨道减振效果最差，断面4减振效果最好。这3个断面减振效果的差异与轨道不平顺等线路运营条件不同直接相关。

3）对于小半径曲线地段，钢弹簧浮置板轨道的减振效果在运行速度不大于40 km/h的低速列车通过工况下普遍优于运行速度大于40 km/h的列车通过工况。

综上，钢弹簧浮置板轨道减振特性并非是其固有属性，而是与工作环境、线路条件、激励形式等密切相关，这也说明了通过现场测试来评价其减振性能的不可替代性。

2.1.2 分频振级及其插入损失

根据JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》的频率计权方法，计算正常运营工况（运行速度55 km/h）下隧道壁垂向振动加速度在4～200 Hz的分频振级及其插入损失，见图4。

由图4可知：

图4 隧道壁垂向振动加速度分频振级及插入损失

1）断面3的隧道壁分频最大振级为71.3 dB，出现在中心频率40 Hz处；断面1、断面2、断面4的隧道壁分频最大振级分别为62.8，55.6，58.7 dB，均出现在中心频率80 Hz处。上述隧道壁分频最大振级所在的中心频率与相应轨道情况下的轮轨共振频率相对应，且与相应轨道所采用扣件的刚度密切相关。

2）断面1、断面2、断面4相对于断面3的隧道壁分频振级插入损失的最大值分别为19.7，27.4，27.2 dB，且均出现在中心频率40 Hz处。

总体而言，相对于压缩型减振扣件整体道床轨道，钢弹簧浮置板轨道具有更好的减振性能。

2.2 钢弹簧浮置板轨道垂向位移分析

以断面1为例，正常运营工况下由单趟运行列车引发的钢弹簧浮置板轨道垂向位移的典型时域波形和一天内（06：00～22：30）其垂向位移最大值的变化曲线见图5。

图5 列车通过引发的钢弹簧浮置板轨道垂向位移（断面1）

从图5可知：

1）列车通过引发的钢弹簧浮置板轨道垂向位移时域波形上出现的峰值，与列车各轮轴到达测试断面的时刻存在良好的对应关系。

2）在正常运营时，钢弹簧浮置板轨道垂向位移在地铁载客高峰时段（07：30～09：00和17：15～19：00）普遍大于非高峰时段。相较于非高峰时段，高峰时段地铁满载的增重使垂向位移增大10%左右。高峰时段钢弹簧浮置板轨道垂向位移的最大值未超过3.3 mm，同样满足浮置板轨道在列车额定荷载作用下钢轨最大垂向位移不应大于4 mm的规定［9］，可以保证行车安全性及平稳性。