近海环境高架段组合道床系统隔振性能跟踪分析

2023-09-04张帆徐宁王开祥何林浩高晓刚

装备环境工程 2023年8期

张帆，徐宁，王开祥，何林浩，高晓刚

（1.洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南洛阳 471003；2.中国船舶集团有限公司第七二五研究所，河南洛阳 471003；3.青岛地铁运营有限公司，山东青岛 266000；4.上海工程技术大学，上海 201620）

轨道交通运营时产生的振动噪声给沿线居民的生活带来不同程度的影响[1-4]。通常对轨道采用减隔振措施以减小振动噪声对居民的影响[5-8]。随着技术的发展，轨道减隔振结构也丰富多样[9-13]。目前按照等级划分，可分为一般、中等、高等和特殊4个减隔振等级[14-18]。由隔振理论可知[19]，将隔振系统的固有频率往低频方向移动，同时增大系统阻尼是提高隔振能力的有效手段，而实现上述功能主要依靠黏弹性阻尼材料。由黏弹性失效机理[20]可知，热、氧、盐及动态应力等对高分子链具有较强的破坏作用。

北部沿海某城市轨道线路组合道床系统区间为室外露天高架段，且紧邻海洋，可见该区间长期受高湿度、高盐雾、长日照、高温差、昼夜干湿交替等环境特征影响。在长期恶劣环境的影响下，橡胶材料必然老化，轨道系统也将会失去最优的减隔振效果。目前针对该区域环境下的轨道系统安全性及减隔振性能变化研究较少，缺少相关实验数据支撑，不利于后期性能分析。

为研究分析该区间轨道系统的安全性和减隔振性能变化，本文分别于2017年冬和2021年冬对组合道床系统进行轨道动态变形和轨道系统振动测试分析，并选择工况基本一致的普通道床区间进行振动对比分析，以研究分析组合道床系统在恶劣环境下的轨道安全性能和隔振性能变化情况。

1 线路工况及轨道系统

1.1 线路工况

该区间线路为高架直线线路，线路海岸线平均距离为6 km，桥梁为U型梁结构形式。该区间组合道床系统远离站台，轨道系统长120 m，测点为其中间位置，普通测点距离组合道床测点约280 m。线路运行车辆为4节编组车厢的B型列车，轴的最大质量为14 t，轴向架中心距为12.6 m，轴距为2.2 m。

1.2 轨道系统

组合道床系统主要由浮轨扣件、框架式道床板、道床垫、砂浆层、道床基础和限位凸台组成，如图1所示。其中浮轨扣件垂向静刚度为5～9 kN/mm，道床垫刚度为0.013～0.02 N/mm3，道床板主要几何尺寸为4 930 mm×2 400 mm×200 mm（长×宽×高）。

图1 组合道床系统Fig.1 Combined track bed system

组合道床系统减隔振结构主要有3方面：1）浮轨扣件隔离由钢轨传递至道床板的振动；2）道床垫隔离由道床板传递基础的振动；3）水沟盖板与橡胶弹性件配合，构成动力吸振器，可将道床板部分振动转移至水沟盖板上。可见，组合道床减隔振功能是以隔振为主、减振为辅的双向减隔振系统。其隔振机理为，通过调节橡胶材料的刚度，降低系统固有频率，减少高于固有频率外的频段区间振动传递率。其减振机理为受交变应力时，由于橡胶材料的阻尼，部分动能转化为热能而被耗散掉[21-22]。综合下来，组合道床系统减隔振性能可达15～30 dB。对比测点普通道床为短轨枕整体道床，普通扣件垫板的垂向静刚度为30～60 kN/mm，现场情况如图2所示。

图2 普通道床现场Fig.2 Ordinary track bed site

2 测试项目与测试设备

2.1 测试项目

普通道床系统和组合道床系统测试项目均包括轨道系统动态变形和振动两大类，其中除组合道床单块板两端横向和纵向变形外，其他所有传感器均在道床中心两扣件跨度的1/2处横截面上[23-24]。其整体测点如图3所示，其中钢轨变形测点如图4所示。振动测点为左轨垂向振动、左轨横向振动、道床垂向振动和高架基础垂向振动，测点如图5所示。

图3 组合道床系统测点Fig.3 Schematic diagram of measuring points for combined track bed system

图4 钢轨动态变形测试Fig.4 Schematic diagram of dynamic deformation test of steel rail

图5 振动测试Fig.5 Schematic diagram of vibration test

2.2 测试设备

线路测试设备主要有：INV3060V数据采集系统、PCB公司352C03型加速度计（500g）、393A03型加速度计（5g）、393B12型加速度计（0.5g）、AML公司SGD-50 mm位移传感器。

3 测试结果分析

3.1 轨道系统动态变形分析

轨道系统动态变形选取典型早晚高峰时段的数据进行处理，普通道床区间和组合道床区间测试结果分别见表1和表2。

表1 普通道床区间钢轨动态变形Tab.1 Dynamic deformation of rail in ordinary track bed section

表2 组合道床区间轨道动态变形Tab.2 Dynamic deformation of rail in combined track bed section

由表1、表2可见，同等车速下，2021年轨道各结构的动态变形与2017年相同，表明轨道各结构稳定性较好。相对于普通道床，组合道床钢轨垂向变形和道床垂向变形大幅增加，钢轨相对于基础的垂向平均变形为3.63～3.72 mm，小于《浮置板轨道技术规范》[25]规定的最大变形量4 mm，表明组合道床系统具有较大的隔振性能，并符合相关技术规范的安全要求。此外，组合道床横向变形和纵向变形均在较小的范围内变化，表明轨道系统的轨距扩张、横向偏移和纵向滑移等方面具有较高的稳定性。

由于组合道床系统中的浮轨扣件隔离由钢轨传递至道床板的振动，振动在钢轨和道床上的变形均较小，轨道各结构的稳定性能优异，可以最大限度保证列车的行车安全。

3.2 轨道系统振动分析

3.2.1钢轨

钢轨垂向和横向振动1/3倍频程频谱图分别如图6和图7所示，图中“普通道床-17年”为17年普通道床区间钢轨振动测试结果。2种道床区间钢轨加速度总振级见表3。

表3 钢轨加速度总振级Tab.3 Total steel rail acceleration vibration level

图6 钢轨垂向振动频谱Fig.6 Vertical vibration spectrum of steel rail

图7 钢轨横向振动频谱Fig.7 Spectrum of lateral vibration of steel rail

由图6、图7可见，不同轨道系统之间，钢轨垂向振动整体上变化趋势一致，普通道床区间钢轨横向振动相对较大。不同时间段，除钢轨垂向振动在12.5～315 Hz有一定的差距，其他频段差别不大。2种轨道系统垂横向振动均在400 Hz出现峰值，同时在800 Hz处出现谷值。由表3可见，普通道床区间钢轨垂向振动总振级略低于组合道床区间，而横向振动则高于组合道床区间，与图6和图7基本吻合。这是因为组合道床中的钢轨与列车轮毂间振动较大，大量能量聚集在钢轨上，从而使得组合道床的钢轨垂向振动大于普通道床，而传递到组合道床中的剩余振动能量则大大减少。

3.2.2 道床及高架基础振动分析

道床和高架基础垂向振动1/3倍频程频谱图分别如图8、9所示。道床及高架基础加速度总振级见表4。

表4 道床及高架基础加速度总振动级Tab.4 Total acceleration vibration levels of track bed and elevated foundation dBZ

图8 道床振动频谱Fig.8 Spectrum of track bed vibration

图8中，不同轨道系统之间，普通道床区间道床垂向振动在3.15～250 Hz低于组合道床。不同时间段，2种轨道系统各自的道床振动频谱曲线基本一致。图9中，普通道床区间高架基础垂向振动在整个频段内高于组合道床，且2种轨道系统的高架基础振动频谱曲线随时间变化不大。

由表4中可知，普通道床区间道床和高架基础垂向振动总振级均大于组合道床区间，与图8和图9基本吻合。这是由于组合道床中的水沟盖板与橡胶弹性件配合，构成动力吸振器，从而将道床板部分振动转移至水沟盖板上。通过调节橡胶材料的刚度，降低系统固有频率，减少高于固有频率外的频段区间振动传递率，由于橡胶材料的阻尼，部分动能转化为热能而被耗散掉。

图9 高架基础振动频谱Fig.9 Spectrum of elevated foundation vibration

3.2.3 组合道床隔振性能变化

表4中普通道床区间高架基础总振级与组合道床之间的差值即为隔振性能，组合道床在2017年和2021年的隔振量分别为19.3、18.9 dBZ，变化率为–1.88%，表明组合道床在近海环境下其具有稳定的隔振性能。

在不同时间段，2种轨道系统各自的道床振动频谱曲线基本一致，高架基础振动频谱曲线随时间变化不大，组合道床横向变形和纵向变形均在较小的范围内变化，轨道系统的轨距扩张、横向偏移和纵向滑移等方面具有较高的稳定性。可见，该型组合道床在长期受高湿度、高盐雾、长日照、高温差、昼夜的干湿交替等环境特征的影响下，仍能保证其安全性、稳定性以及良好的隔振性能。