苏州地铁钢弹簧浮置板道床减振改造方案研究

2021-09-08吴思行李俊玺

铁道勘察 2021年4期

吴思行郭骁李俊玺

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

钢弹簧浮置板道床作为地铁减振设计中的特殊减振措施,是目前减振效果较好、使用范围广泛的轨道减振设备,一般可满足15dB左右的减振效果[1-2]。已经被运用于各个城市的地铁工程中,主要设置于居民区、医院、研究机构等振动敏感的地段以及振动超标量较大(>10dB)的地段。

随着人们环保意识的逐渐提高,以及地铁运营年限的逐渐增加,部分区段的地铁轨道系统减振降噪措施已经无法满足居民的要求。因此,对轨道减振降噪措施升级改造的需求与日俱增,研究运营线路(尤其是钢弹簧浮置板道床地段)的减振措施升级方案是地铁轨道工程重要的发展方向。

1 研究背景

苏州地铁4号线苏州火车站-北寺塔站区间下穿某别墅小区,根据《苏州市轨道交通4号线及支线工程环境影响报告书》,应在小区及其前后范围采用高档钢弹簧浮置板轨道结构作为最高等级的减振设计措施,其结构断面见图1,铺设状态见图2。

图1 钢弹簧浮置板隔振系统断面(单位:mm)

图2 钢弹簧浮置板铺设状态

现场测试结果显示,室内外振动和室内二次结构噪声结果都满足规范限值要求,并且采取了限速运营、调整优化轨道状态等整改措施,仍旧不能满足要求。

为进一步提高钢弹簧浮置板地段道床的减振性能,减少轨道结构传递至地面建筑结构的振动,从现有研究现状、现场测试及有限元仿真等方面展开相关分析。

2 研究现状及思路

2.1 钢弹簧浮置板道床研究现状

(1)对于既有线的减振措施改造,主要措施有:将既有弹性支承块式无砟轨道改造为先锋扣件及配套短轨枕方案;将既有线DTⅥ2-4型扣件更换为福斯罗336Duo型减振扣件,以实现减振改造[3];通过将轨枕埋入式道床改造为浮置板道床实现减振降噪[4]。

(2)针对现有的钢弹簧浮置板道床设计及施工方案,改造内容主要为浮置板道床“拼装一体化”设计和“拼装一体化”施工设备及机具改造等[5-6]。

(3)对于既有线道床减振改造,主要研究内容有:将长枕式道床改造为钢弹簧浮置板道床,以及施工工艺优化等[7]。

综上所述,目前,缺乏针对既有线钢弹簧浮置板道床减振优化的改造措施及相关研究。故有必要研究钢弹簧浮置板道床的振动特性及其减振优化改造方案。

2.2 研究思路

通过现场振动测试和室内有限元仿真分析进行研究,主要内容如下。

(1)在振动严重地段,选取典型钢弹簧浮置板道床断面,测试轨道结构、隧道壁和地面的振动加速度,分析振动在浮置板道床中的传递规律以及振动传递的频率分布范围。

(2)建立车辆-轨道-土体有限元分析模型,并根据测试得出的数据对模型进行调试修正。

(3)通过测试分析的结果,结合现有的道床振动改造方案,提出减小钢弹簧刚度、减小扣件刚度、增加钢弹簧浮置板配重3种减振优化方案,并通过有限元仿真模型分析选出最优的改造方案。

3 浮置板振动测试分析

3.1 振动测试内容

针对钢弹簧浮置板地段存在的振动问题,选取该段典型地段浮置板道床,对钢弹簧浮置板道床的钢轨、道床板、隧道壁进行振动测试,测试地段位于曲线段,测点布置见图3、图4。

图3 钢轨测点布置

图4 道床、隧道壁测点布置

测试采用仪器见表1。

表1 测试仪器统计

本次测试中,钢轨、浮置板道床、隧道壁垂向振动加速度值,钢轨加速度计安装于钢轨底部,浮置板道床加速度计安装于浮置板中心位置及钢轨外侧0.5m处,隧道壁加速度计安装于轨面以上1.25m处。现场测试实景见图5～图7。

图5 钢轨加速度测试

图6 道床加速度测试

图7 隧道壁加速度测试

城市轨道交通一般采用最大Z振级和分频最大Z振级作为指标量[8],为保证评价结果的严格性,以下采用分频最大Z振级作为评价指标[9]。结合GB 10071—88《城市区域环境振动测量方法》的要求[10],选取1s作为每个计算波形的计权时长,采用峰值保持法计算振级的最大值作为评价指标,算法如图8及式(1)、式(2)所示[11]。

图8 峰值保持法计算示意

式中,VLi,m为第m个波形在中心频率fi处的Z振级;Wi为中心频率fi对应的Z计权因子;VLi,max为中心频率fi处的最大计权Z振级最大值。

3.2 测试结果分析

根据3.1章节的内容,分析得出峰值保持法下的钢轨、道床、隧道壁Z振级1/3倍频程曲线,如图9～图11所示。

图9 钢轨振动加速度级

图10 道床振动加速度级

图11 隧道壁振动加速度级

由Z振级曲线可知,钢轨、道床、隧道壁振动的频率分布基本一致,且均在63Hz时存在振动峰值,表明63Hz附近为浮置板道床振动能量较为集中的频率范围,会显著影响浮置板道床的整体减振效果。

为分析浮置板道床内部,振动传递的特性规律及传递频率分布范围以及改造之后的减振效果,选取插入损失作为减振效果的评价量[12];选取传递损失值作为振动传递特性评价指标,用于评价振动在轨道中的传递特性[13]。传递损失为

式中,VLq为传递物振动加速度级;VLp为被传递物振动加速度级。

由图12可知,①对于钢轨传递到浮置板的振动,频率在16～32Hz范围内时,存在振动放大现象,振动放大值约为2.30dB;在其他频段内可显著减小振动传递。②对于浮置板传递到隧道壁的振动,频率在20～1000Hz范围内衰减较大,表现为浮置板的高频减振作用。

根据GB10070—1988《城市区域环境振动标准》和GB/T 13441.1—2007《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价》,对隧道壁及地面测试结果进行计权分析(1～80Hz),结果见图13～图14。

由图13～图14可知,计权后,地面振动测试值为50.62dB,满足规范的要求;地面和隧道壁振动均在63Hz频率附近出现最大值,且浮置板对于高频位置的减振效果较显著。此外,对于隧道壁传递至地面的振动,存在一个振动放大的频率范围,本次测试结果为5～8Hz,最大放大值为5dB。由此可见,为提高浮置板的减振效果,需减小主频63Hz处的振动级,同时应改善5～8Hz处的振动传递特性,减小浮置板传递至地面的低频振动。

为进一步分析钢弹簧浮置板减振改造措施,采用有限元建模分析法,建立车辆-轨道-浮置板-土体动力分析模型,对相关改造措施进行对比分析,选出最优的改造措施。