李澤熙 婁宇 呂佐超 左漢文

( 1.中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司 北京100142;2.北京市微振動(dòng)環(huán)境控制工程技術(shù)研究中心 100086;3.北京建筑大學(xué) 100044)

引言

地鐵因其載客量大、運(yùn)載效率高的特點(diǎn),已成為滿足城市交通需求的可靠措施,但地鐵在城市內(nèi)穿行,其運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)一定影響,例如北京地鐵4 號(hào)線穿行北京大學(xué),干擾實(shí)驗(yàn)室精密儀器正常工作[1]。為此,許多學(xué)者對(duì)軌道交通的振動(dòng)問(wèn)題做了諸多研究,蘇宇[2]等在北京交通大學(xué)地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法探究了梯形軌枕減振性能,康佐[3]等對(duì)西安地鐵中隧道內(nèi)鋼彈簧浮置板道床減振效果進(jìn)行了檢測(cè),林渝軻[4]等測(cè)試了地鐵提速至120km/h 后多種軌道減振效果。但現(xiàn)有研究大多針對(duì)地下隧道中軌道的振動(dòng)特性,且多用較寬頻段的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)分析,忽略了對(duì)敏感頻率的驗(yàn)證?？紤]到對(duì)振動(dòng)敏感的工業(yè)建筑多地處城郊,周圍地鐵線路常布置于高架橋上,產(chǎn)生的低頻振動(dòng)衰減較慢,易對(duì)建筑和建筑內(nèi)的振動(dòng)敏感設(shè)備產(chǎn)生不利影響,本文以鄭州市地鐵城郊線為例,對(duì)高架線路上軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試,分析了50Hz 以下的振動(dòng)特性和對(duì)高架橋的影響,為類似高架地鐵的軌道結(jié)構(gòu)和高架橋設(shè)計(jì)提供參考。

2 振動(dòng)測(cè)試

2.1 測(cè)試概況

為測(cè)試高架地鐵上軌道結(jié)構(gòu)和高架橋的振動(dòng)情況,選取鄭州某城郊線,該城郊線采用B 型車,6 節(jié)編組,車長(zhǎng)118m,設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h,兩種軌道結(jié)構(gòu)布置在構(gòu)造相同的橋上,附近無(wú)明顯干擾振源。測(cè)試斷面分別為無(wú)砟梯形軌枕道床和普通道床。為避免列車加減速導(dǎo)致的振動(dòng)變化,保證測(cè)試工況變量單一性,兩者均選取直線段,相距650m,位于相同站點(diǎn)區(qū)間段且距離站點(diǎn)有一定距離。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試斷面均布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn),分別位于鋼軌和橋面上。傳感器包括PCB -352C03 型單向加速度傳感器、科動(dòng)KD1500LS 型三向加速度傳感器,具體參數(shù)見表1。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 Parameters of sensors

以梯形軌枕道床測(cè)試斷面為例,傳感器布置如圖1 所示。鋼軌上測(cè)點(diǎn)1 布置兩個(gè)單向傳感器,橋面上測(cè)點(diǎn)2 布置1 個(gè)多向傳感器,每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集豎向和水平向(垂直于線路方向)的振動(dòng)加速度。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of measuring points

2.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果使用采集儀(INV3062)離線拾取數(shù)據(jù)并進(jìn)行篩選,選取其中波形完整、無(wú)信號(hào)突變、幅值正常的10 組數(shù)據(jù)。各組數(shù)據(jù)中地鐵通過(guò)時(shí)波形長(zhǎng)度近似,第一個(gè)較大峰值與最后一個(gè)較大峰值間約6s,即第一節(jié)車廂首個(gè)輪組通過(guò)至末節(jié)車箱的最后輪組通過(guò)時(shí)長(zhǎng),結(jié)合車長(zhǎng)估算運(yùn)營(yíng)車速約在70km/h。

其中一組典型數(shù)據(jù)見圖2、圖3。

圖2 普通道床典型時(shí)域數(shù)據(jù)Fig.2 Typical time domain curves of common railways

地鐵經(jīng)過(guò)普通道床時(shí),鋼軌上豎向振動(dòng)加速度最大值為90.01m/s2,水平向最大值為47.72m/s2,高架橋面上豎向振動(dòng)加速度最大為3.76m/s2,水平向最大為9.68m/s2。由此可以看出,對(duì)于普通道床,鋼軌上的豎向振動(dòng)大,水平向振動(dòng)相對(duì)較小,但高架橋面的振動(dòng)響應(yīng)與此相反。

圖3 梯形軌枕道床典型時(shí)域數(shù)據(jù)Fig.3 Typical time domain curves of ladder sleeper railways

梯形軌枕道床上,鋼軌上豎向加速度最大值為62.28m/s2,水平向加速度最大值為153.18m/s2,高架橋面上豎向加速度最大值為1.40m/s2,水平向最大為0.85m/s2。由此可以看出,對(duì)于梯形軌枕道床,鋼軌上的豎向振動(dòng)小于水平向振動(dòng),但高架橋面的振動(dòng)響應(yīng)與此相反。

與普通道床相比,梯形軌枕道床上鋼軌的豎向振動(dòng)較小,水平向振動(dòng)較大,高架橋面上豎向和水平向振動(dòng)均低于普通道床,且水平向振動(dòng)比普通道床低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 振動(dòng)特性分析

3.1 振動(dòng)加速度級(jí)

對(duì)10 組時(shí)域振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行FFT 轉(zhuǎn)換,得到振動(dòng)信號(hào)在1Hz ～50Hz 頻段上的響應(yīng),將10 組頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,采用振動(dòng)加速度級(jí)評(píng)價(jià)地鐵的振動(dòng)特性。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]振動(dòng)加速度級(jí)定義為：

式中：ax為測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度;a0為基準(zhǔn)加速度,a0=10-6m/s2。圖4 給出了普通道床與梯形軌枕道床的振動(dòng)加速度級(jí)。

圖4 道床振動(dòng)加速度級(jí)Fig.4 Vibration acceleration level of railways

由圖4a 可以看出,在普通道床上,鋼軌兩方向加速度級(jí)變化趨勢(shì)相同,豎向振動(dòng)大于水平向振動(dòng),高架橋面上的兩方向加速度級(jí)幅值接近,趨勢(shì)相同,在1Hz ～25Hz 頻段,鋼軌上加速度級(jí)高于橋面上加速度級(jí),25 Hz ～50Hz 頻段,兩測(cè)點(diǎn)加速度級(jí)逐漸接近。

由圖4b 可以看出,在梯形軌枕道床上,鋼軌與高架橋面上的振動(dòng)加速度級(jí)變化趨勢(shì)相同,鋼軌豎向振動(dòng)加速度級(jí)大于水平向,橋面上豎向振動(dòng)大于水平向?？偟膩?lái)看,在1Hz ～50Hz 頻段,梯形軌枕道床上鋼軌振動(dòng)遠(yuǎn)大于高架橋面振動(dòng)。

3.2 振動(dòng)傳遞

高架地鐵振動(dòng)在鋼軌至橋面的傳遞途徑中,受道床整體的幾何參數(shù)、材料特性、約束形式和結(jié)構(gòu)頻率等因素影響,振動(dòng)加速度級(jí)變化規(guī)律各不相同,可使用鋼軌與橋面振動(dòng)加速度級(jí)的差值描述振動(dòng)傳遞情況,當(dāng)差值大于零時(shí)說(shuō)明振動(dòng)衰減,當(dāng)差值小于零時(shí)說(shuō)明振動(dòng)放大。圖5 給出了兩種道床測(cè)點(diǎn)處鋼軌至橋面的振動(dòng)傳遞情況。

由圖5a 可以看出,普通道床上豎向振動(dòng)在鋼軌到高架橋面的傳遞路徑中,在1Hz ～20Hz 頻段衰減明顯,約衰減17dB ～23dB,在20Hz ～30Hz 頻段衰減逐漸變小,30Hz ～50Hz 頻段的衰減小于10dB; 水平向振動(dòng)衰減隨頻率變化趨勢(shì)與豎向相同,衰減量小于豎向,最大為18.7dB,最小為1.2dB。

由圖5b 可以看出,在梯形軌枕道床的鋼軌至高架橋面的傳遞過(guò)程中,水平向振動(dòng)衰減在10Hz 處最大,約37.7dB,在27Hz 最小,約18.8dB,整體大于豎向振動(dòng)的傳遞衰減,豎向振動(dòng)在1Hz ～14Hz 頻段衰減約17dB ～22dB,之后衰減效果逐漸變小,29Hz 處衰減僅有4.7dB。

4 軌道結(jié)構(gòu)的減振特性

由于兩個(gè)測(cè)試斷面相鄰,列車通過(guò)時(shí)的時(shí)速穩(wěn)定,可以認(rèn)為列車通過(guò)時(shí)外界激勵(lì)基本相同。圖6 統(tǒng)計(jì)了使用梯形軌枕道床和普通道床時(shí)橋面上豎向與水平向振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖6 高架橋面振動(dòng)加速度級(jí)Fig.6 Vibration acceleration level of viaducts

使用插入損失的方法可以更加清楚直觀地描述使用梯形軌枕后道床系統(tǒng)振動(dòng)特性的變化,即兩個(gè)高架橋面上測(cè)點(diǎn)的加速度級(jí)差值,公式如下：

式中：VAL1和VAL2分別是普通道床高架橋面和梯形軌枕道床高架橋面加速度級(jí)。當(dāng)ΔL＞0 時(shí)說(shuō)明梯形軌枕道床振動(dòng)減小,ΔL＜0 時(shí)說(shuō)明振動(dòng)放大。圖7 是豎向與水平向振動(dòng)的插入損失。

由圖7a 可知,豎向振動(dòng)插入損失在14Hz 以下為正值,最高減振10.4B; 在15Hz ～33Hz、35Hz ～38Hz、35Hz ～37Hz、44Hz ～46Hz 頻段插入損失為負(fù)值,說(shuō)明梯形軌枕在此頻段內(nèi)振動(dòng)放大,最高放大7.9dB; 46Hz 之后減振效果開始增強(qiáng)。

圖7 振動(dòng)插入損失Fig.7 Insertion loss of vibration

由圖7b 可以看出,水平向振動(dòng)放大的頻率較少,僅出現(xiàn)在18Hz、26Hz ～33Hz 及37Hz,最多放大5.5dB,其他頻段均有一定減振效果,最大減振量15.6dB,減振效果較好。

總的來(lái)看,與普通道床相比,梯形軌枕道床的減振性能與頻率相關(guān),1Hz ～50Hz 頻段減振效果不是非常顯著,在一些頻段出現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象,主要集中在15Hz ～40Hz。研究表明,振動(dòng)放大現(xiàn)象與高架橋固有頻率相關(guān)[6]。因此,在高架線附近若存在對(duì)此頻段振動(dòng)敏感的建筑和設(shè)備,應(yīng)評(píng)估梯形軌枕道床的低頻減振性能。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)高架地鐵的梯形軌枕道床和普通道床兩種軌道結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè),分析比較了兩者的振動(dòng)特性及振動(dòng)對(duì)高架橋的影響,以下結(jié)論可為類似高架地鐵的軌道結(jié)構(gòu)和高架橋設(shè)計(jì)提供參考。

1.高架地鐵采用不同軌道結(jié)構(gòu),振動(dòng)響應(yīng)差異較大。梯形軌枕道床橋面上的豎向和水平向振動(dòng)均小于普通道床,其中水平向振動(dòng)低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.在1Hz ～50Hz 頻段內(nèi),梯形軌枕道床上的振動(dòng)由鋼軌傳至高架橋面的過(guò)程中,均有較明顯衰減,水平向衰減更大。普通道床豎向衰減較大,且在25Hz 以后振動(dòng)衰減漸小,軌道系統(tǒng)各點(diǎn)振動(dòng)趨于一致。

3.在地鐵高架橋上,相較于普通道床,梯形軌枕道床由于自身以及橋梁固有頻率等原因,在15Hz ～40Hz 頻段會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象,當(dāng)周圍有振動(dòng)敏感設(shè)施時(shí)應(yīng)注意評(píng)估低頻減振效果。