地铁线路中等减振扣件振动测试与减振效果研究

尹华拓，袁 宇，曾志平，黄旭东，谢中林，吴志鹏

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广州510010；2.南昌大学 信息工程学院，南昌330013；3.中南大学 土木工程学院，长沙410075）

地下铁道是城市快速轨道交通的先驱，具有运量大、快捷、安全、准时、节省能源、环保等优点[1－4]。但是地铁通过时会伴随巨大的振动和噪声，特别是振动能通过固体传播更远[5]。据国家有关统计数据，除工厂和建筑施工之外，交通系统引起的环境振动已是公众投诉最多的问题，振动虽不足以影响结构的安全性，但是会给使用者带来不适感，使工作环境恶化，工作效率降低[6]。

为了解决地铁振动造成的严重问题，世界范围内土木工程师们研发了多种地铁减振轨道，主要包括钢弹簧浮置板、隔振垫浮置板、梯形轨枕等[7]。但是以上新型轨道形式往往造价高昂，并且不便于维修，对于经济实力不强的城市或速度较低的线路而言，使用以上减振装置性价比较低[8]。而中等减振扣件具有造价低、易于维护、方便调节轨距等优点，十分适合用于一般速度或者减振要求不高的地铁线路，故具有很好的经济与技术价值。

中等减振扣件是适用于中等减振要求地段的扣件类型的统称，其类型有多种，相比普通扣件具有更小的刚度，更大的质量，有些中等减振扣件具有双层橡胶结构，在同等激励条件下可以对振动波起到很好的隔振作用，从而达到较好的减振效果。但是由于其结构的整体性不如普通扣件，且刚度较小，在列车荷载作用下其位移幅值一般更大。鉴于中等减振扣件已经逐渐在地铁轨道中得到广泛应用，因此开展相关现场测试，并对其振动特性以及钢轨动态位移进行分析，对于全面评估中等减振扣件的减振性能以及安全设计、优化具有重要意义。图1 所示为中等减振扣件原理示意图。

图1 中等减振扣件原理示意图

1 测试条件

1.1 线路条件

为研究中等减振扣件在现场行车环境下的钢轨位移及振动效果，本文在某地铁中等减振扣件铺设断面及普通扣件断面进行了现场试验。在铺设中等减振扣件区间选取2 个测试断面，在普通扣件整体道床区间选取2 个测试断面，测试断面均选在直线段，测试断面概况见表1。

表1 测试断面概况

1.2 测点布置

钢轨相对道床变形通过位移传感器进行测量。每个测量断面使用6个位移传感器，2个用于测量钢轨相对于道床的垂向变形，4个用于测量钢轨相对于道床的横向变形。通过左右两侧轨头横向位移之差获得轨距动态变化量，通过钢轨上下横向位移之差获得钢轨动态扭矩变形。测点示意图如图2、图3所示。

图2 钢轨相对道床垂向变形测试测点布置图

图3 钢轨相对道床横向变形测试测点布置图

轨道振动通过加速度传感器进行测量。每个测量断面使用6个加速度传感器，3个用于测量钢轨垂向加速度和横向加速度，3个用于测量钢轨下方道床垂向和横向加速度。传感器布置示意图如图4、图5所示。

图4 中等减振地段钢轨加速度测试测点布置图

图5 中等减振地段道床加速度测试测点布置图

隧道壁振动通过加速度传感器进行测量。每个测量断面使用3个加速度传感器，2个用于测量隧道壁垂向加速度，1个用于测量隧道壁横向加速度，现场布置图如图6所示。

图6 中等减振地段隧道壁加速度测试测点布置图

2 实验数据分析

2.1 Z振级VLZ及插入损失

Z 振级（VLZ）指列车经过测量断面时测得的Z振级，是目前最为常用的一个评价指标[9]。对于列车运行引起的环境振动，不同速度下列车速度修正公式为[10]：

式中：v0为源强的参考速度，单位为km/h；v为列车运行速度，单位为km/h。

取20 趟列车通过测试断面时所测量到的数据进行分析统计，得到两种扣件形式下各测试断面隧道壁测点的VLZ值及其振动差值DVLZ，见表2。

从表2可以看出，车速修正为同一速度后，中等减振扣件断面的Z振级要小于普通扣件断面的Z振级，两者差值达到8.92 dB，减振效果达到8 dB以上，说明中等减振扣件对隧道壁的减振效果是明显的。

表2 中等减振扣件断面和普通扣件断面隧道壁VLZ及其振动差值DVLZ

2.2 0～80 Hz频率1/3倍频程分析

分别对中等减振扣件和普通扣件断面测点进行1/3倍频程分析，得到0～80 Hz频率范围内的加速度级的分频振级[11]。

（1）钢轨振动分析结果

将中等减振扣件断面和普通扣件断面的钢轨1/3倍频程竖向和横向加速度级分别进行对比，如图7和图8所示。

图7 钢轨竖向1/3倍频程加速度级对比图

图8 钢轨横向1/3倍频程加速度级对比图

从图7 可知，中等减振扣件断面的钢轨竖向加速度级在断面YDK8+870 处小于两个普通扣件断面；在断面YDK8+670处小于普通扣件断面YDK3+960，但大于普通扣件断面YDK8+50。其原因是在普通扣件断面YDK8+50 处列车行驶速度较中等减振扣件断面低，所以普通扣件断面YDK8+50处的振动较小。从总体来看，对于钢轨竖向加速度级，中等减振扣件的减振效果较好。

从图8可知，在0～80 Hz频率范围内，两个中等减振扣件断面的钢轨横向加速度级均小于两个普通扣件断面的钢轨横向加速度级。所以对于钢轨横向加速度级，中等减振扣件的减振效果要优于普通扣件。

（2）道床振动分析结果

将中等减振扣件断面和普通扣件断面的道床1/3倍频程竖向和横向加速度级分别进行对比，如图9和图10所示。

图9 道床竖向1/3倍频程加速度级对比图

图10 道床横向1/3倍频程加速度级对比图

从图9可知，在0～80 Hz频率范围内，中等减振件断面的道床竖向加速度级在断面YDK8+670处显著小于两个普通断面的道床竖向加速度级。虽然受到刚度以及约束的影响，中等减振扣件钢轨振级与普通扣件相差不大，但是由于其隔振垫层消耗了轮轨之间的大量振动能量，因而达到了优异的减振效果。从总体来看，对于道床竖向加速度级，中等减振扣件的减振效果要优于普通扣件断面。

从图10 可知，在0～80 Hz 频率范围内，对于中等减振扣件断面道床横向加速度级，其振级明显小于普通扣件，可见中等减振扣件可以有效地对道床的振动进行隔振，由于中等减振扣件主要消耗的是钢轨振动的能量，因此道床板处的振动会显著降低。总体来说，对于道床横向加速度级，中等减振扣件的减振效果要优于普通扣件。

（3）隧道壁振动分析结果

将中等减振扣件断面和普通扣件断面的隧道壁1/3倍频程竖向和横向加速度级分别进行对比，如图11和图12所示。

图11 隧道壁竖向1/3倍频程加速度级对比图

图12 隧道壁横向1/3倍频程加速度级对比图

从图11 可知，在0～80 Hz 频率范围内，中等减振扣件断面的隧道壁竖向加速度级在断面YDK8+670处均小于两个普通断面的隧道壁竖向加速度级；在断面YDK8+870 处，仅在40 Hz 频率段略高于普通扣件断面YDK8+50隧道壁竖向加速度级，在其他频率处均小于两个普通扣件断面的隧道壁竖向加速度级。从总体来看，对于隧道壁竖向加速度级，中等减振扣件的减振效果要优于普通扣件断面。

从图12 可知，在0～80 Hz 频率范围内，中等减振扣件断面隧道壁横向加速度级在断面YDK8+670处基本小于两个普通扣件断面的隧道壁横向加速度级；在断面YDK8+870处，仅在31.5 Hz～40 Hz频率范围内基本大于两个普通扣件断面，而在其他频率处小于两个普通扣件断面。总体来说，对于隧道壁横向加速度级，中等减振扣件的减振效果要优于普通扣件。

2.3 钢轨动态变形测试结果

（1）中等减振扣件断面

地铁列车通过测试断面时，在中等减振扣件测试断面测得的钢轨位移典型实测数据波形如图13所示，可见列车通过测点的时间约为6.5 s 左右，钢轨轨头横向位移在所测的位移中最大，钢轨竖向位移次之，钢轨轨底横向位移最小。通过位移图可以十分清晰地看到列车一共有12个轮对，即6节车厢，以此即可对列车的行驶速度进行计算。图中位移为正值的部分表明列车在经过测点的过程中钢轨发生了剧烈往复振动，进而导致位移值呈现周期性。

图13 中等减振扣件断面各测点钢轨位移时程图

取10趟列车经过时钢轨测点处动态变形最大值如表3所示。

根据图13 以及表3 可以看出，中等减振扣件断面处两钢轨竖向均呈下沉状态，下沉量最大值在0.436 mm 速度级；在断面YDK8+870 处，仅在40 Hz频率处略高于普通扣件断面YDK8+50 隧道壁竖向加速度级，在其他频率处均小于两个普通扣件断面的隧道壁竖向加速度级0.587 mm，两侧钢轨下沉量最大值和平均值分别为0.535 mm和0.503 mm，基本保持一致，下沉均匀；两侧钢轨轨头横向位移相差较大，轨头横向位移最大值分别在0.261 mm 速度级；在断面YDK8+870 处，仅在40 Hz 频率处略高于普通扣件断面YDK8+50隧道壁竖向加速度级，在其他频率处均小于两个普通扣件断面的隧道壁竖向加速度级0.430 mm 以及0.654 mm 速度级；在断面YDK8+870处，仅在40 Hz频率处略高于普通扣件断面YDK8+50隧道壁竖向加速度级，在其他频率处均小于两个普通扣件断面的隧道壁竖向加速度级0.769 mm，轨头横向位移最大值和平均值分别为0.329 mm和0.721 mm；两侧钢轨轨底横向位移最大值均较小，平均值分别为0.081 mm和0.070 mm。

表3 中等减振扣件断面钢轨位移/mm

（2）普通扣件断面

地铁列车通过测试断面时，在普通扣件测试断面测得的钢轨位移典型实测数据波形如图14所示。可见列车通过测点的时间约为7 s左右，表明两个测试地段列车的车速相近，其中钢轨轨头横向位移在所测的位移中最大，钢轨竖向位移次之，钢轨轨底横向位移最小。通过位移图可见，对于普通扣件地段，钢轨与轨道板之间的相对位移更小，说明普通扣件的刚度更大，这也是普通扣件减振效果不佳的重要原因。

图14 普通扣件断面各测点钢轨位移时程图

取10 趟列车经过时钢轨测点处动态变形最大值如表4所示。

根据图14 以及表4 可以看出，普通扣件断面处两钢轨竖向均呈下沉状态，下沉量最大值在0.324 mm～0.483 mm 之间，两侧钢轨下沉量最大值和平均值分别为0.349 mm和0.434 mm；两侧钢轨轨头横向位移相差较大，轨头横向位移最大值分别在0.403 mm～0.506 mm 以及0.180 mm～0.271 mm 之间，轨头横向位移最大值和平均值分别为0.461 mm 和0.228 mm，两侧横向位移相差略大；两侧钢轨轨底横向位移最大值均较小，但钢轨轨底一侧内移、一侧外移，其平均值分别为-0.093 mm和0.132 mm。

表4 普通扣件断面YDK8+50钢轨位移/mm

（3）对比分析

根据10 趟列车经过两种扣件断面时钢轨测点处动态变形最大值的平均值进行统计，以平均值加减2.5倍的标准差为量值进行计算，对比分析结果如表5所示。

从表5 可以看出，中等减振扣件的钢轨竖向位移、轨头横向位移、轨距变化量（“-”表示轨距减小，“+”表示轨距增大）比普通扣件的有所增加，但是其轨距变化量最大值小于3 mm，并且与普通扣件相差不大，说明减振扣件在提升减振效果的同时，也能满足列车安全、稳定的运营要求。

表5 两种扣件钢轨动态变形对比

3 结语

（1）车速修正为同一速度后，通过对比两种扣件设置情况下隧道壁的振动效果，可以发现中等减振扣件断面的Z 振级要小于普通扣件断面的Z 振级，两者差值达到8.92 dB，减振效果达到8 dB以上，说明中等减振扣件能有效降地铁低列车通过所引起的隧道壁的振动。

（2）相近速度情况下，中等减振扣件断面的钢轨竖向加速度级小于普通扣件断面的钢轨竖向加速度级，表明其能促进钢轨振动能量消耗。

（3）中等减振扣件断面的钢轨、道床以及隧道壁的加速度级显著小于普通扣件断面，可见对于钢轨、道床以及隧道壁的加速度级，中等减振扣件的减振效果要优于普通扣件。

（4）根据钢轨动态变形测试结果可知，虽然中等减振扣件的钢轨竖向位移、轨头横向位移、轨距变化量比普通扣件的有所增加，但是其增加值均在允许范围内，可以满足列车安全运营的要求。

（5）本研究对于中等减振扣件的设计以及地铁线路扣件安全性能评估具有参考与借鉴意义。