谐振式浮轨扣件与单趾弹簧扣件减振效果对比研究

刘 博 姜 杉 董 慧

(1.北京市地铁运营有限公司运营三分公司，102208,北京；2.北京市地铁运营有限公司，100044,北京∥第一作者，高级工程师)

为解决轨道交通带来的环境振动、车内噪声等问题，科研人员已经研发了橡胶隔振垫、钢弹浮置板、梯形轨枕、减振扣件等轨道。不同的减振轨道结构及轨下基础状态会影响列车-轨道系统的振动响应，进而影响列车的安全运营。文献[1]研究了GJ-Ⅲ减振扣件轨道对轨道交通高架段环境噪声的影响。文献[2]研究了地铁轨道减振技术的分类及发展趋势。文献[3]分析了地铁多种减振轨道结构的振动特征。文献[4]分析了轴向温度力影响下，周期离散支承钢轨的竖向振动特性。文献[5]通过实测研究了长大坡道上弹性支承块式无砟轨道的稳定性。

目前，针对减振轨道结构的研究大多集中于减振性能和轮轨动力学性能，少有对扣件及轨道同时建模的力学分析与实证研究。本文采用有限元分析方法，对比单趾弹簧扣件与谐振式浮轨扣件的受力、振动模态及其减振特性。基于现场实测数据，采用折线图的方式分析广州地铁5号线鱼珠站—大沙地站区间上、下行线路谐振式浮轨扣件取代原有单趾弹簧扣件前后，在同一测点处的轨道振动情况。同时，通过周边建筑结构内的监测数据，分析敏感建筑物振动及二次辐射噪声变化水平，验证了谐振式浮轨扣件的减振效果。本文研究可为日后轨道的维护改造提供技术支持。

1 两种扣件轨道的有限元分析

为了满足环境振动的相关标准要求,地铁的某些区段需要采取减振措施，目前广州地铁广泛应用的是谐振式浮轨扣件和单趾弹簧扣件。为了更好地分析不同扣件的减振原理，先对上述两种扣件进行有限元建模分析。

1.1 单趾弹簧扣件轨道模态分析

单趾弹簧扣件是目前轨道交通行业中的常用部件，主要由弹条、胶垫、螺栓、螺母及套管等部件组成，常用于采用60 kg/m钢轨的线路，但随着对轨道减振降噪要求的不断提升，其已不能完全满足使用要求。一般而言，轨枕与轨道间不存在减振结构，故为了简化计算，将单趾弹簧扣件、钢轨、轨枕看作一个计算整体。单趾弹簧扣件轨道有限元模型如图1所示。模型设置轨道长度为15 m，扣件单元为25个，单元间距为0.725 m。

图1 单趾弹簧扣件轨道有限元模型Fig.1 Finite element model of single toe spring fastener track

由于单趾弹簧扣件轨道结构具有对称性，为了简化计算，选取整体结构的一半进行三维建模。以道床中心为对称轴，设计道床、钢轨的正反对称约束，选取9个节点建立线性减缩积分单元。单趾弹簧扣件轨道有限元模型中含有32 876个实体单元，216个阻尼单元，216个弹簧单元，406 020个节点，其模型纵剖面图如图2所示。

图2 单趾弹簧扣件轨道有限元模型纵剖面图

为进一步分析不同状态下轨道与扣件的整体结构振动情况，根据单趾弹簧扣件轨道参数，以1 500.00 Hz为截止频率进行模态分析，并选取典型模态进行研究。在低频区间(30.00～150.00 Hz频段)，单趾弹簧扣件轨道结构整体表现为弯曲振动，当典型模态所处频率为77.39 Hz时，其振动模态是波长为20个轨距的振动波，当典型模态所处频率为145.65 Hz时，其振动模态是波长为4个轨距的振动波；在中频区间(150.00～500.00 Hz频段)，当典型模态所处频率为192.74 Hz时，其振动模态是波长为2个轨距的振动波；在中高频区间(500.00～5 000.00 Hz频段)，当典型模态所处频率为1 020.40 Hz时，其振动模态是波长为2个轨距的振动波。

1.2 谐振式浮轨扣件轨道的模态分析

谐振式浮轨扣件主要由弹性楔块、紧锁楔快、紧锁弹条及支撑板等结构组成，为与单趾弹簧扣件轨道进行对比分析，同样选择将谐振式浮轨扣件、钢轨、轨枕看作一个计算整体。由于谐振式浮轨扣件轨道结构具有对称性，为了简化计算，选取整体结构的一半进行三维建模。以道床中心为对称轴，设计道床、钢轨的正反对称约束，选取9个节点建立线性减缩积分单元。谐振式浮轨扣件轨道有限元模型中含有196 728个实体单元，76个阻尼单元，76个弹簧单元，290 600个节点，其模型纵剖面图如图3所示。

为进一步分析不同状态下轨道与扣件的整体结构振动情况，根据谐振式浮轨扣件轨道参数，以600.00 Hz为截止频率进行模态分析，并选取典型模态进行研究。在低频区间(30.00～150.00 Hz频段)，谐振式浮轨扣件轨道结构整体表现为弯曲振动；在中频区间(150.00～500.00 Hz频段)，谐振式浮轨扣件轨道结构整体表现为轨道或道床自身弯曲振动；在中高频区间(500.00～5 000.00 Hz频段)，当固有频率为554.31 Hz时，其振动模态是波长为2个轨距的小波振动，其振幅相较于单趾弹簧扣件轨道而言显著减小。

综上所述，谐振式浮轨扣件轨道在中频、中高频的抗振效果均优于单趾弹簧扣件轨道。相较于单趾弹簧扣件轨道，谐振式浮轨扣件轨道结构振型的波峰、波谷更加平缓，是一种较优的扣件轨道减振结构。

2 两种扣件轨道的应用效果分析

为准确评估实际两种扣件轨道的振动情况，选取广州地铁交通5号线鱼珠站—大沙地站区间上、下行线路的整体道床进行现场实测，该路段改造前采用单趾弹簧扣件轨道，改造后采用谐振式浮轨扣件轨道。

2.1 测点布设

依据GB 10071—1988《城市区域环境振动测量方法》和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》选择测点。当列车经过时，获取钢轨、道床、隧道壁垂直方向的振动加速度及其上方建筑物的环境振动数据进行分析。测点布设位置选取为广州地铁5号线鱼珠站—大沙地站区间上、下行线路，道床类型为单趾弹簧扣件普通整体道床及谐振式浮轨扣件普通整体道床，上行地段埋深均为15.3 m，下行地段埋深均为14.6 m。建筑二次噪声测点选取为珠江村大沙西一街9栋1单元101，建筑形式为6层楼房，测试地面环境为室内瓷砖地面。在2015年5月，分别对两个测试断面进行了现场测试，测点布设位置分别为内侧钢轨垂向位置、外侧钢轨垂向位置、直线电机感应板外侧道床(道心)及隧道壁。

2.2 测点数据分析

为了提升数据准确性、减小畸变数据带来的误差，选取10列车通过时的实测数据进行平均计算。上行线路段和下行线路段，单趾弹簧扣件轨道与谐振式浮轨扣件轨道的振动加速度级在不计权下的1/3倍频程中心频率对比情况分别如图4和图5所示。

图4 上行线路段单趾弹簧扣件轨道与谐振式浮轨扣件轨道的振动加速度级

图5 下行线路段单趾弹簧扣件轨道与谐振式浮轨扣件轨道的振动加速度级

隧道壁的振动数据能直接反映轨道隔振器的隔振效果，依据GB 10071—1988《城市区域环境振动测量方法》及铅垂向最大Z振级对隧道壁振动实测数据进行分析。最大Z振级指列车经过测试断面时，测得的Z振级最大值，是目前最为常用的一个评价指标。当列车通过测试断面时，上行和下行隧道壁垂向测点单趾弹簧扣件普通整体道床及谐振式浮轨扣件普通整体道床的最大Z振级如表1所示。

表1 隧道壁垂向测点处两种扣件道床的最大Z振级

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》，列车通过上行和下行线路时，整体道床振动取1/3倍频程中心频率的均值进行分析。上行线路段和下行线路段，单趾弹簧扣件普通整体道床1/3倍频程中心频率处对应的振级如图6所示。由图6 a)可知，单趾弹簧扣件普通整体道床1/3倍频程中心频率处对应的最大振级为76.8 dB，出现在100.00 Hz频段。上行线路段和下行线路段，谐振式浮轨扣件普通整体道床1/3倍频程中心频率处对应的振级如图7所示。由图7 a)可知，谐振式浮轨扣件普通整体道床1/3倍频程中心频率处对应的最大振级为68.2 dB，出现在100.00 Hz频段。

图6 单趾弹簧扣件普通整体道床1/3倍频程中心频率处对应的振级

图7 谐振式浮轨扣件普通整体道床1/3倍频程中心频率处对应的振级Fig.7 Vibration level corresponding to the 1/3 octave center frequency of common monolithic track bed with resonant floating rail fastener

除上述两种不同评价方法外，使用1.00～80.00 Hz总振级评价，即列车通过时，在1.00～80.00 Hz频率范围内隧道结构振动能量的总振级(Z计权)，也是常用的评价方法之一。隧道壁垂向测点处，两种扣件道床的总振级如表2所示。

表2 隧道壁垂向测点处两种扣件道床的总振级

依据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》，对地面环境振动测点实测数据进行计算分析。在珠江村大沙西一街9栋1单元101测点处，单趾弹簧扣件普通整体道床的分频最大振级为72.6 dB，二次结构噪声为47.6 dB(A)；谐振式浮轨扣件普通整体道床分频最大振级为67.0 dB，二次结构噪声44.3 dB(A)。

综上所述，在上行线路段，谐振式浮轨扣件普通整体道床隧道壁测点的垂向振动加速度比单趾弹簧扣件普通整体道床隧道壁测点的垂向振动加速度小8.2 dB；在下行线路段，二者的差值减小了7.6 dB。依据1.00～80.00 Hz总振级评价，在上行线路段，谐振式浮轨扣件普通整体道床隧道壁测点的垂向振动加速度比单趾弹簧扣件普通整体道床隧道壁测点的垂向振动加速度小10.3 dB；在下行线路段，二者的差值减小了6.1 dB。同时，在单趾弹簧扣件替换为谐振式浮轨扣件后，地铁周围环境振动降低了5.6 dB，二次结构噪声降低了3.3 dB(A)。以上试验结果证明，谐振式浮轨扣件对减小轮轨振动、降低地铁周围环境振动及二次结构噪声效果显著。

3 结语

采用有限元分析方法，对比单趾弹簧扣件与谐振式浮轨扣件的受力、振动模态及其减振特性。以广州地铁5号线鱼珠站—大沙地站区间上、下行线路为例，基于现场实测数据，采用折线图的方式，对两种扣件的减振效果进行对比分析。本文主要获得以下几个结论：

1) 从受力结构看，谐振式浮轨扣件轨道在中频、中高频的抗振效果均优于单趾弹簧扣件轨道。相较于单趾弹簧扣件轨道，其振动波形的波峰、波谷更加平缓，是一种优于单趾弹簧扣件轨道的减振结构。

2) 通过广州地铁现场测试，进一步验证了谐振式浮轨扣件普通整体道床在抗振性能上优于单趾弹簧扣件普通整体道床。上行线路段，谐振式浮轨扣件普通整体道床隧道壁测点的垂向振动加速度比单趾弹簧扣件普通整体道床隧道壁测点的垂向振动加速度小8.2 dB；下行线路段，二者差值减小了7.6 dB。在1.00～80.00 Hz总振级评价中，上行线路段，谐振式浮轨扣件普通整体道床隧道壁测点的垂向振动加速度比单趾弹簧扣件普通整体道床隧道壁测点的垂向振动加速度小10.3 dB；下行线路段，二者差值减小了6.1 dB。证明了谐振式浮轨扣件对轮轨振动的减弱效果显著，具备应用替代潜质。

3) 将单趾弹簧扣件替换为谐振式浮轨扣件后，周围环境振动降低了5.6 dB，二次结构噪声降低了3.3 dB(A)，这证明谐振式浮轨扣件可以有效降低地铁周围环境振动，以及施工过程中由噪声带来的建筑结构损害与扰民等负面社会影响。