丁德云，王文斌，馬 蒙，閆宇智，李 騰，吳宗臻

（1.北京九州一軌環(huán)境科技股份有限公司，北京 100071；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081；3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市軌道交通線(xiàn)路的設(shè)計(jì)時(shí)速也從常規(guī)速度（＜100 km/h）向更高速（100～160 km/h）發(fā)展［1］.特別是隨著市域（郊）鐵路建設(shè)的加速發(fā)展，其線(xiàn)路不可避免地穿越醫(yī)院、學(xué)校、居民區(qū)等諸多環(huán)境敏感點(diǎn)，給沿線(xiàn)的環(huán)境振動(dòng)與噪聲控制提出了更新和更高的要求.

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通減振降噪措施種類(lèi)繁多，其中鋼彈簧浮置板作為特殊等級(jí)減振產(chǎn)品，受到學(xué)者廣泛關(guān)注并應(yīng)用于地鐵環(huán)境振動(dòng)控制［2-6］.但常規(guī)地鐵車(chē)速一般在100 km/h以下，為適應(yīng)市域（郊）鐵路更高車(chē)速要求下鋼彈簧浮置板軌道的動(dòng)力性能和減振效果備受關(guān)注.針對(duì)應(yīng)用于市郊鐵路減振軌道，李平等［7-8］提出了一種時(shí)速160 km/h重型鋼彈簧浮置板的初步設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)快速行車(chē)條件下現(xiàn)澆浮置板道床與列車(chē)的耦合動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析，評(píng)估了25 m長(zhǎng)度現(xiàn)澆鋼彈簧浮置板道床高速行車(chē)的安全性、舒適性和穩(wěn)定性.Huang等［9］計(jì)算分析了直線(xiàn)段和曲線(xiàn)段鋪設(shè)鋼彈簧浮置板軌道分別在200 km/h和160 km/h車(chē)速下的行車(chē)安全性.許一海［10］采用數(shù)值仿真的方法從浮置板軌道振動(dòng)傳遞特性、浮置板與普通板式軌道振動(dòng)響應(yīng)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析，證明了鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)對(duì)高速鐵路具有良好的減振效果.葛承寶［11］計(jì)算了車(chē)速120 km/h市域快線(xiàn)橋上使用橡膠隔振墊的減振效果.劉玉濤等［12］和羅偉［13］現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了市域快線(xiàn)采用橡膠墊道床后的減振效果和高架線(xiàn)的振動(dòng)源強(qiáng).

以上研究以理論計(jì)算分析為主，鮮有針對(duì)100 km/h以上車(chē)速下鋼彈簧浮置板減振效果的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果.此外，大多數(shù)計(jì)算和測(cè)試研究中車(chē)速是確定的，鋼彈簧浮置板軌道的動(dòng)力性能和減振效果隨車(chē)速變化的規(guī)律尚缺乏研究.為此，本文在國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)形試驗(yàn)線(xiàn)設(shè)計(jì)建造了一段高速鋼彈簧浮置板軌道試驗(yàn)段，通過(guò)逐級(jí)提高測(cè)試車(chē)輛的行車(chē)速度，對(duì)其動(dòng)力性能和減振降噪效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)形試驗(yàn)線(xiàn)總長(zhǎng)度約9 km，本文研究的試驗(yàn)段位于環(huán)形試驗(yàn)線(xiàn)東南角，由有砟道床改造而成，總長(zhǎng)度300 m，包含200 m鋼彈簧浮置板軌道，60 m普通整體道床和兩端各20 m的過(guò)渡段.試驗(yàn)段的線(xiàn)路曲線(xiàn)半徑為1 432 m，曲線(xiàn)超高125 mm.試驗(yàn)段總平面布置圖如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)段總平面及測(cè)試斷面布置圖（單位：mm）Fig.1 Layout of general plan and cross section in test section(unit:mm)

鋼彈簧浮置板全部采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，單塊板長(zhǎng)為25 m，板厚400 mm，板寬3 000 mm，浮起高度30 mm，板與板之間采用內(nèi)置式剪力鉸、外置式剪力鉸兩種方式聯(lián)接.試驗(yàn)段共計(jì)8塊浮置板，分為3種類(lèi)型：板-1和板-8為過(guò)渡板，板-2～板-4為隔振器間隔2個(gè)扣件間距和3個(gè)扣件間距交替布置（簡(jiǎn)稱(chēng)“2/3布置”），板-5～板-7為隔振器均間隔2個(gè)扣件間距布置（簡(jiǎn)稱(chēng)“2/2布置”），具體平面設(shè)計(jì)如圖2所示.隔振器由外套筒和內(nèi)套筒組成，見(jiàn)圖3.內(nèi)套筒采用大剛度彈簧試制而成，疲勞壽命超過(guò)800萬(wàn)次，可以快捷調(diào)整、更換.試驗(yàn)所用鋼彈簧隔振器經(jīng)檢測(cè)靜剛度均值為9.50 kN/mm，阻尼彈簧組件阻尼比均值為0.074，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)阻尼比0.05～0.10的要求.

圖2 鋼彈簧浮置板平面圖（單位：mm）Fig.2 Plan of steel-spring floating slab track(unit:mm)

圖3 試驗(yàn)用隔振器Fig.3 Isolator used in experiment

試驗(yàn)段采用的扣件包括兩種類(lèi)型：ZX-2Y和ZX-2型.浮置板的板-1～板-4上布置ZX-2Y型扣件+雙塊式軌枕，板-5～板-8上布置ZX-2型扣件+普通短軌枕.在普通整體道床也同樣設(shè)置這兩種扣件和軌枕，便于對(duì)比減振效果.圖4給出了高速鋼彈簧浮置板軌道試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)照片.

圖4 試驗(yàn)段實(shí)景Fig.4 Photo of test section

試驗(yàn)列車(chē)采用8節(jié)編組市域D型車(chē)，最高運(yùn)行速度為160 km/h，最大軸重17 t.車(chē)輛編組方式為6動(dòng)2拖，其中頭、尾車(chē)廂長(zhǎng)度為24.6 m，中間車(chē)長(zhǎng)度為22.8 m，車(chē)輛定距15.7 m，固定軸距2.5 m，車(chē)輪直徑0.86 m.試驗(yàn)過(guò)程采用逐級(jí)提速，試驗(yàn)列車(chē)通過(guò)試驗(yàn)段的速度分別為60、80、90、100、110、120、130、140、150和160 km/h.每種車(chē)速下列車(chē)開(kāi)行5次，各項(xiàng)指標(biāo)取5組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值.

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)浮置板參數(shù)類(lèi)型，選取了3個(gè)測(cè)試斷面，如圖1所示：斷面1位于整體道床段里程中心，斷面2位于“2/3布置”的浮置板-3中心，斷面3位于“2/2布置”的浮置板-6中心.每個(gè)斷面分別在鋼軌、道床和基底布置了加速度傳感器；并在鋼軌布置了位移傳感器，在斷面2、3的浮置板道床上布置了位移傳感器；同時(shí)，在斷面1、2布置了噪聲傳感器，見(jiàn)圖5.鋼軌所用傳感器量程為200 g，工作頻率0.7～11 000 Hz，靈敏度25 mV/g，測(cè)試采樣頻率為4 096 Hz；道床所用傳感器 量 程 為50 g，工 作 頻 率0.5～9 000 Hz，靈 敏 度100 mV/g，測(cè)試采樣頻率為2 048 Hz；基底所用傳感器 量 程 為5 g，工 作 頻 率0.04～1 500 Hz，靈 敏 度1 000 mV/g，測(cè)試采樣頻率為1 024 Hz；位移傳感器量程為±5 mm，工作頻率＜40 Hz，靈敏度0.8 mV/mm，測(cè)試采樣頻率為512 Hz；噪聲傳感器量程為17～140 dB，工作頻率10～20 000 Hz，靈敏度40 mV/Pa，測(cè)試采樣頻率為51 200 Hz.

圖5 斷面2測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Sensor location of test section 2

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 固有頻率測(cè)試

由于測(cè)試斷面2、3所在浮置板的鋼彈簧布置方式不同，首先對(duì)兩種鋼彈簧浮置板固有頻率進(jìn)行測(cè)試.采用力錘錘擊法采集其自由衰減加速度數(shù)據(jù)，并采用沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法［14］對(duì)其自振特性進(jìn)行分析.如圖6所示，鋼彈簧“2/3布置”和“2/2布置”時(shí)浮置板的固有頻率分別為11 Hz和12.5 Hz.

圖6 固有頻率測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results under natural frequencies

由于列車(chē)行車(chē)車(chē)速與浮置板軌道固有頻率之間滿(mǎn)足關(guān)系

式中：V為列車(chē)速度，km/h；f0為浮置板軌道固有頻率，Hz；Ls為軌枕間距，m.據(jù)此，可以計(jì)算得到引發(fā)兩種鋼彈簧浮置板共振的行車(chē)車(chē)速分別為23.8 km/h和27 km/h.

2.2 鋼軌和道床位移

圖7為鋼軌外軌和道床垂向位移響應(yīng)的典型時(shí)域波形圖.圖8為3個(gè)測(cè)試斷面鋼軌和道床位移隨車(chē)速變化規(guī)律.可以看出：隨著車(chē)速的增加，道床位移逐漸減小，外軌位移逐漸增大，內(nèi)軌位移逐漸減小.這是因?yàn)樵囼?yàn)段為曲線(xiàn)段，設(shè)計(jì)超高的匹配車(chē)速為110 km/h，當(dāng)列車(chē)由60 km/h提速到160 km/h時(shí)，車(chē)輛行駛狀態(tài)會(huì)由過(guò)超高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍烦撸M(jìn)而引起動(dòng)位移產(chǎn)生變化.無(wú)論是外軌還是內(nèi)軌，同一車(chē)速條件下，板-3處的位移最小，其次為整體道床，最大為板-6.道床板上位移，板-3大于板-6，這是因?yàn)榘?3處為“2/3布置”鋼彈簧，板-6處為“2/2布置”鋼彈簧，板-3剛度小于板-6.

圖7 位移響應(yīng)典型時(shí)程圖Fig.7 Typical time histories of displacement responses

圖8 各測(cè)點(diǎn)豎向位移最大值隨列車(chē)速度變化Fig.8 Peak vertical displacement at each measurement point varying with train speed

由于目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)160 km/h速度下鋼彈簧浮置板軌道動(dòng)態(tài)響應(yīng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參考文獻(xiàn)［15］中規(guī)定的計(jì)算和評(píng)價(jià)方法，列車(chē)車(chē)速在60～160 km/h時(shí)速范圍內(nèi)時(shí)，鋼軌和道床位移均滿(mǎn)足限值要求.

圖9車(chē)速160 km/h時(shí)各測(cè)點(diǎn)豎向加速度響應(yīng)典型時(shí)程Fig.9 Typical time histories of vertical acceleration at different measuring points under train speed of 160 km/h

2.3 振動(dòng)加速度

圖9 為列車(chē)以160 km/h車(chē)速通過(guò)試驗(yàn)段時(shí)，鋼軌、道床、基底的豎向加速度響應(yīng)典型時(shí)程曲線(xiàn).可以看出：鋼軌加速度最大，道床加速度次之，基底加速度最小.從鋼軌到基底，加速度衰減了3個(gè)數(shù)量級(jí)，振動(dòng)能量通過(guò)浮置板吸收，向外界傳遞的能量大幅度降低.

圖10為3個(gè)測(cè)試斷面上加速度最大值隨車(chē)速變化規(guī)律.可以看出：隨著車(chē)速增加，總體上鋼軌、道床、基底的振動(dòng)加速度最大值均呈整體增大趨勢(shì).相同車(chē)速下，板-3的鋼軌振動(dòng)大于板-6，這是因?yàn)殇搹椈伞?/3布置”時(shí)浮置板剛度小于“2/2布置”.道床振動(dòng)板-3最大，板-6次之，整體道床最小.整體道床的基底振動(dòng)顯著大于板-3和板-6，說(shuō)明鋼彈簧浮置板在各個(gè)時(shí)速范圍內(nèi)均具有明顯的減振能力.

圖10 各測(cè)點(diǎn)豎向加速度最大值隨列車(chē)速度變化Fig.10 Peak vertical acceleration at each measurement point varying with train speed

2.4 減振效果分析

浮置板減振效果評(píng)價(jià)指標(biāo)采用最大Z振級(jí)插入損失和分頻振級(jí)均方根差ΔLa.根據(jù)文獻(xiàn)［15］的規(guī)定，ΔLa定義為

式中：VLq（i）和VLh（i）分別為未采用及采用浮置板軌道地段為參照系其軌旁測(cè)點(diǎn)鉛垂向加速度在1/3倍頻程第i個(gè)中心頻率的分頻振級(jí)，dB.

圖11 減振效果隨列車(chē)速度變化Fig.11 Vibration damping effect varying with train speed

圖11為采用兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)鋼彈簧浮置板板-3和板-6減振效果隨車(chē)速的變化規(guī)律.可以看出：采用兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)浮置板減振效果均隨車(chē)速呈現(xiàn)先增大后略微減小的趨勢(shì).車(chē)速大于100 km/h時(shí)浮置板減振效果均大于10 dB.同一車(chē)速下，板-3的減振效果整體優(yōu)于板-6，這與板-3處為鋼彈簧“2/3布置”鋼彈簧浮置板剛度整體較小有關(guān).

當(dāng)列車(chē)以160 km/h車(chē)速通過(guò)試驗(yàn)段的整體道床和鋼彈簧浮置板時(shí)，整體道床、板-3和板-6處基底垂向加速度級(jí)的1/3倍頻程對(duì)比結(jié)果如圖12所示.可以看出，整體道床基底垂向加速度在1/3倍頻程中心頻率為12.5～16 Hz時(shí)與板-6基底加速度幾乎重合，而大于此頻段后，鋼彈簧浮置板在160 km/h時(shí)速條件下具有明顯的減振效果.

圖12 1/3倍頻程下各斷面基底垂向加速度Fig.12 Vertical base accelerations in one-third octave bands

2.5 降噪效果分析

為了分析列車(chē)在60～160 km/h車(chē)速條件下，鋼彈簧浮置板軌道與整體道床之間降噪效果的差異，在距軌道中心7.5 m，距線(xiàn)路高度1.2 m和3.5 m分別布置了2個(gè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖5）.

圖13聲壓級(jí)隨列車(chē)速度變化Fig.13 Sound pressure level varying with train speed

圖13為各測(cè)點(diǎn)等效聲壓級(jí)隨車(chē)速變化結(jié)果.可以看出：各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)隨車(chē)速提高而增大，當(dāng)列車(chē)速度為160 km/h時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果在90.6 dB（A）～91.7 dB（A）之間.同一車(chē)速下，普通整體道床的噪聲值略大于鋼彈簧浮置板噪聲值，鋼彈簧浮置板的降噪效果在0.1 dB（A）～3.7 dB（A）之間.對(duì)于鋼彈簧浮置板軌道，距線(xiàn)路高度1.2 m測(cè)點(diǎn)的噪聲值大于距線(xiàn)路高度3.5 m測(cè)點(diǎn)的噪聲值，對(duì)于普通整體道床，距線(xiàn)路高度3.5 m測(cè)點(diǎn)的噪聲值大于距線(xiàn)路高度1.2 m測(cè)點(diǎn)的噪聲值.

3 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)建造國(guó)內(nèi)首條高速鋼彈簧浮置板軌道試驗(yàn)段，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高速逐級(jí)行車(chē)試驗(yàn)，獲得了高速鋼彈簧浮置板軌道的振動(dòng)、噪聲、位移等指標(biāo)數(shù)據(jù)，從時(shí)、頻域角度分析研究了高速鋼彈簧浮置板軌道的動(dòng)力特性，得到以下結(jié)論：

1）隨著速度的增加，道床位移逐漸減小，外軌位移逐漸增大，內(nèi)軌位移逐漸減小，鋼軌和道床位移在各速度級(jí)條件下均滿(mǎn)足規(guī)范要求，“2/3布置”鋼彈簧浮置板道床位移大于“2/2布置”鋼彈簧浮置板道床.

2）隨著速度的增加，浮置板減振效果呈現(xiàn)出先增大后略微減小的趨勢(shì)，100 km/h以上時(shí)浮置板減振效果均大于10 dB，具有良好的減振效果.

3）相比于普通整體道床，鋼彈簧浮置板具有一定的降噪效果，最大值達(dá)3.7 dB（A）.