地铁钢弹簧浮置板轨道振动特性和减振效果研究

周志军,刘玉涛,李 伟,关庆华,温泽峰

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都 610031； 2.铁科院(深圳) 研究设计院有限公司,深圳 518034； 3.深圳城市轨道交通减振降噪工程实验室,深圳 518034)

引言

地铁极大程度地缓解了城市交通堵塞，但车辆运行诱发的环境振动和噪声等环保问题对人们生活的影响问题接踵而至，尤其在住宅密集区、医院、学校和古建筑等振动敏感区域。国内地铁线路减振轨道结构形式也愈加多样化，如：高弹性扣件(VANGUAR、GJ-III和科隆蛋)、弹性轨枕(弹性短轨枕和梯形轨枕)、浮置板(钢弹簧浮置板和橡胶浮置板)等[3-16]，在轨道关键部件采取减振措施可提高轨道系统的吸振能力，降低振源强度，其轨道减振效果较普通轨道更显著。

针对以上复杂的减振轨道结构类型，国内外学者基于现场试验和仿真模型，对其轨道减振性能展开了探究。GLADWELL等[2]研究表明城市轨道交通引起的结构和地面振动主要表现为40～100 Hz低频问题。韩义涛[3]和耿传智[4]通过现场试验和有限元方法，研究表明VANGUAR轨道在30～200 Hz内减振效果可达到10～20 dB，尤其在60 Hz频率处其减振效果最佳。王志强等[5]结合试验分析了DTVI2型普通扣件和GJ-Ⅲ型减振扣件轨道的动态特性，研究表明，GJ-Ⅲ减振扣件比普通扣件轨道减振效果降低了10.1 dB。KIYOSHI[6]、OKUDA H等[7]、XIA[8]、杨新文等[9]、战家旺等[10]通过现场试验和建立车辆-梯形轨枕轨道耦合系统或梯形轨枕轨道有限元频域模型，研究发现梯形轨枕利用低刚度弹簧将轨枕与混凝土道床分开的作用可减小基础的动反力，与普通无砟轨道相比，在2～20 Hz频段内减振效果可达到13 dB以上。DERE[11]、ESZTER[12]、DUSCHLBAUER等[13]、孙成龙等[14]基于结合现场试验和有限元法，分析了钢弹簧浮置板轨道的振动特性，研究表明，该类轨道对10 Hz以下的低频振动没有衰减作用，在10～100 Hz频段内减振效果(13～40 dB)较显著。魏新江等[15]利用基于动力学理论建立的二维分析模型，研究了钢弹簧损伤对地铁列车-浮置板轨道振动性能的影响。温士明等[16]利用现场测试，研究了地铁车轮多边形磨损对钢弹簧浮置板轨道振动特性的影响。因此，目前针对VANGUAR扣件轨道、梯形轨枕轨道和钢弹簧浮置板轨道中的某种单一类型轨道，从轨道振动测试和车辆-轨道耦合模型方面定量对轨道减振特性研究甚多，但轨道结构的动力特性非确定性影响因素较多，对不同类型轨道在不同线路结构不同频域范围内其振动特性和减振效果存在显著差异。

为研究钢弹簧浮置板轨道的减振特性，测试了我国某城市地铁车辆在隧道内通过该轨道时的钢轨和隧道壁的振动加速度，同时对比该轨道与一般非减振轨道、减振扣件轨道和橡胶隔振垫轨道的钢轨振动和轨道减振特性差异，为我国地铁减振轨道减振效果评价提供参考。

1 轨道振动特性现场试验

选择我国南方某条刚开始试运营的新建地铁线路，列车通过时对钢弹簧浮置板轨道的钢轨、隧道壁的振动加速度和钢轨相对道床板的位移进行了现场测试。为了对比分析，同时测试一般非减振轨道、减振扣件轨道和橡胶隔振垫轨道，测点布置和测试现场如图1所示，测试的4种类型轨道结构参数见表1。

图1 轨道振动特性现场测试

表1 4种类型轨道结构参数

试验过程中测点断面处无道岔、渗水区等有缺陷区域，钢轨为无裂纹和无不平顺磨耗的新轨，车轮为无踏面擦伤、无多边形磨耗和其他可见裂纹的新轮。钢轨振动加速度测点位于钢轨轨腰中间，隧道壁测点位置安装高度在距离轨面1.5 m处[17]，钢轨垂向位移测点位置安装在轨底内侧和外侧，求其轨底内外侧均值得到轨底中心处位移。该线路铺设60 kg/m钢轨，轨距为1 435 mm，轨底坡为1/40，轨枕间距为600 mm，采用4动2拖6辆编组地铁列车，车辆通过钢弹簧浮置板轨道、一般非减振轨道、减振扣件轨道和橡胶隔振垫轨道速度分别为52.2，52.3，61.8 km/h和47.2 km/h。

2 不同轨道结构振动特性分析

2.1 钢轨和隧道壁振动加速度

列车运行引起的振动主要由轨道和隧道向周围土体传播，其振动能量在不同频段分布不同，掌握各部分振动能量的频率分布，有助于制定减振策略，优化减振轨道结构。振动测试过程中不可避免地存在噪声信号等随机干扰信号，导致测试数据往往呈现很多毛刺或零点漂移等偏离真实数值的趋势项，为了减少或消除数据中干扰成分，需采取剔除异常值和最小二乘法消除趋势项等方法对数据进行预处理。图2给出了车辆通过4种轨道断面时钢轨和隧道壁的振动加速度时域和频域。图3统计了同类型车辆50次通过4种轨道时钢轨和隧道壁的平均振动加速度最大值和有效值。

图2 钢轨、隧道壁的振动加速度时域和频域

图3 钢轨和隧道壁的振动加速度最大值和有效值

由图2、图3可见。

(1)时域特性方面，车辆通过钢弹簧浮置板轨道时，钢轨和隧道壁的振动加速度有效值分别为33.6 m/s2和0.004 m/s2。在钢弹簧浮置板轨道与一般非减振轨道的扣件类型相同、轨道板下方减振元件不同时，钢弹簧浮置板轨道的钢轨和隧道壁振动加速度有效值相比一般非减振轨道分别降低21%和89%。这是因为钢弹簧与浮置板形成了质量-弹簧的隔振系统，利用浮置板的质量惯性来平衡列车的动载荷，仅有未被平衡的少量动载荷传递到隧道壁。

钢弹簧浮置板轨道和橡胶隔振垫轨道在扣件类型相同、轨道板下方减振元件相似时，虽然钢弹簧浮置板轨道的钢轨振动加速度有效值相比橡胶隔振垫轨道增大了24%，但隧道壁振动加速度却降低了33%。这两种减振轨道的差异主要与减振参数设计差异有关。

减振扣件轨道与一般非减振轨道在扣件类型不同、轨道板下方减振元件相同时，减振扣件轨道的钢轨和隧道壁振动加速度有效值相比一般非减振轨道同时降低了61%和60%。

钢弹簧浮置板轨道和橡胶隔振垫轨道与减振扣件轨道在扣件类型不同、轨道板下方减振元件也不同时，虽然钢弹簧浮置板轨道和橡胶隔振垫轨道的钢轨振动加速度有效值分别增大了105%和66%，但隧道壁振动加速度有效值却分别降低71%和57%。以上结果充分体现了4种轨道是否采取扣件减振和轨道板下方减振元件减振措施时，车辆振动传递至钢轨、隧道壁振动分量存在显著差异。

(2)频域特性方面，钢弹簧浮置板轨道、一般非减振轨道和橡胶隔振垫轨道的钢轨显著振动频带表现为400～550 Hz，650～780 Hz，振动幅值略有不同；减振扣件轨道的钢轨显著振动频带表现为340～440 Hz，650～740 Hz，其钢轨振动幅值在4种轨道中表现最小。隧道壁频域曲线中57，57，44 Hz和53 Hz是4种轨道在受到不平顺激励时，簧下质量在轨道结构上振动频率，即俗称的P2力共振频率[18]，其作用时间相对较长，能够充分地向轨下基础传递。文献[18]研究表明，对于主要采用无砟整体道床的地铁线路来说，P2共振频率主要取决于簧下质量和钢轨扣件刚度。从表1可知，钢弹簧浮置板轨道、一般非减振轨道和橡胶隔振垫轨道采用相同的普通扣件，其刚度比减振扣件轨道的扣件刚度大，所以减振扣件轨道P2力共振频率较其余3种普通扣件轨道低。另外，钢弹簧浮置板轨道对隧道壁50～60 Hz振动减振效果比其他3种轨道显著。

2.2 钢轨动态位移

因为钢轨沿纵向均匀离散支撑，车辆通过时钢轨、轨枕和道床板等轨道关键部件会发生不同程度的侧翻和扭转等动态位移变化，导致轨距发生变化，影响列车运行平稳性[19]。为此，调查了车辆通过4种不同结构轨道钢轨的垂向动态位移在时域内周期性变化结果，如图4所示。图5统计了同类型车辆50次通过4种轨道时钢轨垂向位移最大值均值情况，其中钢轨垂向位移指轨底内侧垂向位移和轨底外侧垂向位移求平均值得到的轨底中心位移值。由此可看出，钢弹簧浮置板轨道的钢轨垂向位移最大值为0.23 mm，相比该轨道，一般非减振轨道、减振扣件轨道和橡胶隔振垫轨道分别增大9%，109%和52%的钢轨垂向位移，减振扣件轨道钢轨产生较大垂向位移与扣件垂向刚度较小有关。

图4 4种轨道钢轨垂向动态位移曲线

图5 同类型车辆50次通过4种轨道钢轨垂向动态位移

3 轨道减振效果

3.1 评价方法

根据轨道减振效果评价标准，选取线路条件(包含地质条件、线路曲线半径和隧道断面)与采取减振地段相同或类似的地段，以此评价新线路轨道的减振效果[20]。一般对建筑物室内或环境振动影响评估推荐的频率范围为1～80 Hz，因轨下结构和地基土质对车辆振动具有较大衰减作用，高频振动分量很难传递到线路附近的建筑物，城市轨道交通引起沿线环境振动主要由低频以下的振动组成[21]。国内外轨道交通环境振动测量研究成果表明[22-24]，一般地段轨道沿线环境振动测量可忽略4 Hz以下的振动分量。综上研究，本文轨道减振效果评价的频率范围取为4～200 Hz，将1～80 Hz频率范围作对比研究。

(1)

式中：VLz为垂向Z计权振级，简称Z振级，dB；n为1/3倍频程中心频率的个数，这里1～80 Hz和4～200 Hz频率范围分别取n=20和18；VLi为1/3倍频程第i个中心频率上未计权分频振动加速度级，dB；αi为1/3倍频程第i个中心频率对应的Z计权因子[26]，dB；振动加速度参考值为10-6m/s2[26]。

3.2 减振效果

根据频率计权因子可看出，有计权的隧道壁分频振级小于无计权的分频振级，在25～200 Hz差异表现最大。图6给出了4种结构轨道在1～80 Hz和4～200 Hz内的1/3倍频程中心频率处隧道壁有无计权时的平均分频振级结果。由图6可见，隧道壁分频振级有计权和无计权时均在8 Hz处出现极值，钢弹簧浮置板轨道的分频振级在该频率处表现显著，可能与浮置板轨道1阶自振频率相关(6～16 Hz[27])。以一般非减振轨道为对比基准，其他3种轨道在50～200 Hz减振效果大于1～50 Hz减振效果。一般非减振轨道、减振扣件轨道、橡胶隔振垫轨道和钢弹簧浮置板轨道的隧道壁分频振级分别在63，50，50 Hz和63 Hz处达到最大，其幅值依次减小。考虑GB 10070—88《城市区域环境振动标准》中频率计权因子对隧道壁分频振级的影响，相比一般非减振轨道，后3种轨道的隧道壁分频振级分别在1～200 Hz内的63，200 Hz和160 Hz处最显著，最大差值分别为24.8，17.8 dB和26.0 dB。其中，钢弹簧浮置板轨道和橡胶隔振垫轨道减振效果最显著，对控制列车运行产生的二次辐射噪声影响更有效。

图6 隧道壁垂向分频振级

根据GB 10070—88《城市区域环境振动标准》，图7给出了车辆通过4种结构轨道的隧道壁VLz随时间变化曲线。车辆通过测试断面前后，4种轨道的隧道壁VLz无论在1～80 Hz还是4～200 Hz频率范围差异都较小。随着轨道振动加速度幅值增大，隧道壁的VLz也逐渐增大，列车通过测试断面时其值达到最大。其中，一般非减振轨道时隧道壁的VLz最大，轨道采取减振措施的隧道壁VLz均有不同幅度减小，且钢弹簧浮置板轨道最小。

图7 隧道壁的VLz随时间变化趋势

为了具体表征钢弹簧浮置板轨道、一般非减振轨道、减振扣件轨道和橡胶隔振垫轨道在近似车辆运行速度条件下的隧道壁振级量，表2给出了4种轨道的隧道壁垂向振动加速度在1～80 Hz和4～200 Hz频率内，经过ISO 2631—1:1997规定的Z计权因子修正后的VLz、VLz，max，可看出一般非减振轨道、减振扣件轨道和橡胶隔振垫轨道的隧道壁振级在两种频率下VLz、VLz，max差异都较小，而钢弹簧浮置板轨道的VLz，max差异最大，最大值为1.2 dB。

表2 4种轨道的隧道壁VLz、VLz，max dB

图8和表3仅给出了车辆50次通过4种轨道时隧道壁在4～200 Hz内的平均减振效果ΔVLz、ΔVLz，max。由图表可见，钢弹簧浮置板轨道、一般非减振轨道、减振扣件轨道和橡胶隔振垫轨道在4～200 Hz频率内的平均VLz为60.0，76.0，70.7 dB和62.4 dB，平均VLz，max为61.7，79.0，72.9 dB和63.9 dB。与一般非减振轨道相比，以隧道壁的垂向ΔVLz和ΔVLz，max作为轨道减振效果评价量，钢弹簧浮置板轨道、减振扣件轨道和橡胶隔振垫轨道在4～200 Hz内的减振效果ΔVLz分别为16.0、5.3 dB和13.6 dB，ΔVLz，max分别为17.3，6.1 dB和15.1 dB，钢弹簧浮置板对轨道的减振效果最为突出。

图8 隧道壁VLz和VLz，max

表3 轨道减振效果统计 dB

4 结论

为研究钢弹簧浮置板轨道的减振特性，测试了我国某城市地铁车辆在隧道内通过该轨道时的钢轨和隧道壁的振动加速度，并对比分析了该轨道与一般非减振轨道、减振扣件轨道和橡胶隔振垫轨道的振动特性和轨道减振效果差异。主要结论如下。

(1)车辆通过钢弹簧浮置板轨道时，相比一般非减振轨道，钢轨和隧道壁振动加速度有效值降低了21%和89%。钢弹簧浮置板轨道、橡胶隔振垫轨道和一般非减振轨道的钢轨和隧道壁显著振动频带相似，均表现为400～550，650～780 Hz和57 Hz，减振扣件轨道为340～440，650～740 Hz和44 Hz。

(2)一般非减振轨道、减振扣件轨道、橡胶隔振垫轨道和钢弹簧浮置板轨道的隧道壁分频振级分别均在50～63 Hz处达到最大，幅值依次减小。

(3)相比一般非减振轨道，其他3种减振轨道在50～200 Hz减振效果大于1～50 Hz减振效果，其在4～200 Hz内的最大减振效果依次为6.1，15.1 dB和17.3 dB。

综上，是否考虑Z计权，钢弹簧浮置板轨道在1～80 Hz和4～200 Hz内的隧道壁垂向分频振级VLz、VLz，max、ΔVLz、ΔVLz，max效果均优于其他3种轨道。这为地铁开通新线在选择减振轨道铺设时提供一定的经验和工程参考。