深圳地鐵軌道減振性能測試與分析

王 媛,曹廣忠,匡如華

深圳地鐵軌道減振性能測試與分析

王 媛1,2,曹廣忠1,2,匡如華3

(1.深圳大學自動化研究所,廣東深圳 518060;2.深圳大學傳感器技術(shù)重點實驗室,廣東深圳 518060; 3.深圳地鐵集團有限公司,廣東深圳 518000)

為了掌握深圳地鐵列車在不同軌道結(jié)構(gòu)上運行時的相關(guān)振動性能,對深圳地鐵1號、2號線試車線列車運行時引起的地面振動進行在線實測,并對相應測試數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析,比較有砟軌道和鋪設(shè)有橡膠隔振墊的軌道軌枕處及地面的振級。結(jié)果表明:列車在鋪設(shè)有橡膠隔振墊的軌道上運行時,引起的地面振動有明顯的減小,軌枕處的減振效果為4.05 dB,距軌道中心線6.0m處地面的減振效果為6.08 dB,距軌道中心線7.5m處地面的減振效果為8.70 dB,橡膠隔振墊減振效果明顯,采用橡膠隔振墊是一項有效的地鐵減振措施。

地鐵;橡膠隔振墊;軌道結(jié)構(gòu);減振措施

1 概述

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,地鐵引起的振動和噪聲問題得到國內(nèi)外的重視,如何采用有效的減振降噪措施降低振動的環(huán)境影響成為熱點問題之一,各國根據(jù)不同的減振要求,對傳統(tǒng)的碎石道床和整體道床作了大量的改進研究工作,各種減振型軌道也應運而出。日本和歐洲地鐵廣泛采用在軌枕下和道砟底下加設(shè)橡膠墊的方法,根據(jù)日本新干線測定,在高架橋上鋪道砟可使振動加速度減少1/2～1/3,減振效果顯著[1];瑞士聯(lián)邦鐵路和國際鐵路聯(lián)盟(UIC)實驗研究所(ORE)共同執(zhí)行了一項計劃,以A.Zach和G. Rutishauser為首的研究小組研究了地鐵列車和隧道結(jié)構(gòu)的振動頻率和加速度特征,從改善線路結(jié)構(gòu)的角度提出了降低地鐵列車振動對附近地下及地面結(jié)構(gòu)振動影響的途徑;美國G.P.Wilson等針對鐵路車輛引起的噪聲和振動,提出了通過改善道床結(jié)構(gòu)形式(采用浮板式道床)和改革車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)造以減少輪軌接觸力的方法,降低地鐵車輛引起的噪聲和振動的建議。國內(nèi)學者也做了大量研究,鐵道科學研究院的王瀾、宣言等建立了列車-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)有限元模型,將軌道不平順作為列車-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的激勵源,對普通碎石道床軌道結(jié)構(gòu)和浮置板式軌道結(jié)構(gòu)的列車-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)動力學性能進行仿真研究,對比分析這2種類型的軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動響應與系統(tǒng)振動傳遞函數(shù),評價浮置板式軌道結(jié)構(gòu)的隔振效果[2];陳建國,于秀梅等通過對國內(nèi)外城市軌道交通對環(huán)境影響的分析,指出軌道交通對環(huán)境振動影響研究的必要性和緊迫性,對軌道交通振動的3個部分即車結(jié)構(gòu)相互作用,振動的傳播,振動對建筑物的影響的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分別進行闡述,并對該領(lǐng)域需要研究的問題提出建議[3];周虎利根據(jù)城市軌道交通的特點,通過對城市軌道交通運營特征的分析,提出城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)選型的基本要求[4];辜小安、任京芳等通過對北京、上海、廣州等城市既有地鐵線路兩側(cè)環(huán)境振動實測結(jié)果及理論分析比較了我國地鐵既有振動控制措施效果[5];張玉娥,牛潤明等討論地鐵周圍環(huán)境振動分析方法及存在問題,提出振動控制措施,并指出需進一步研究的問題[6];丁德云等基于地表低頻響應測試數(shù)據(jù),結(jié)合“鋼彈簧浮置板軌道-隧道-地層”和“普通軌道-隧道-地層”耦合的三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果,采用回歸分析的方法,研究地表低頻響應受激振頻率(1～20 Hz)、距軌道水平距離(0～100 m)和軌道埋深(10～30m)等因素的影響,推導出地表低頻響應量分析公式[7-8]?；谇叭搜芯砍晒?本文結(jié)合深圳地鐵1、2號線試車線,對地鐵列車在普通軌道以及橡膠浮置板軌道運行時的振動量級進行實測、比較,考察橡膠浮置板的隔振效果。

2 地鐵軌道結(jié)構(gòu)與振動測試方案

有砟軌道結(jié)構(gòu)包括鋼軌、扣件、軌枕、道床、各墊層及其他相關(guān)設(shè)備。其中鋼軌、扣件和各墊層與減振的關(guān)系最為密切。軌道結(jié)構(gòu)的減振主要通過對這些部件的相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化,以達到減振的目的。有砟軌道的道砟提供了很好的彈性,沿著鋼軌振動傳遞衰減較大(即道砟的吸音作用),對減振降噪有利[9]。浮置板軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用3層水平墊板(鋼軌下橡膠墊板、鐵墊板下橡膠墊板、板下橡膠墊板)和1層側(cè)向墊板,其基本原理是在軌道上部建筑與基礎(chǔ)間插入一固有振動頻率遠低于激振頻率的線性諧振器,即將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置在橡膠或者彈簧隔振器上,利用浮置板質(zhì)量慣性來平衡列車運行引起的動荷載,僅有沒有被平衡的動荷載和靜荷載才通過鋼彈簧元件傳到路基或者隧道結(jié)構(gòu)上,達到減振的目的。其成功應用及測試結(jié)果表明,浮置板軌道結(jié)構(gòu)在共振頻率下的放大倍數(shù)很低,減振降噪效果非常顯著,是降低地鐵傳振和傳聲的最有效方法。橡膠支撐浮置板軌道無需并聯(lián)液壓阻尼器,所采用的防振橡膠具有三向彈性,橡膠分子之間及橡膠分子和填充劑之間的相互作用而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦比金屬彈簧大1 000倍以上,可以通過內(nèi)摩擦衰減振動[10-11]。

2.1 測試儀器與設(shè)備

振動測試采用東方振動與噪聲技術(shù)研究所研制的INV3018A型24位多通道信號采集分析儀、ICP型振動加速度傳感器,以及與INV3018A信號采集儀配套的DASP智能數(shù)據(jù)采集和信號處理軟件。

測試儀器與設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 測試儀器與設(shè)備組成

現(xiàn)場測試采用壓電加速度傳感器采集垂向振動加速度信號,壓電傳感器直接將機械能變成電能,并通過信號電纜把采集到的信號傳輸?shù)讲蓸宇l率達51.2kHz的INV3018A高速數(shù)據(jù)信號采集儀上,INV3018A采集儀適合高精度的振動信號采集,采用24位ΔΣ方式的AD轉(zhuǎn)換器,4通道并行、性能穩(wěn)定可靠,采集儀與PC機相連,利用DASP數(shù)據(jù)采集和信號處理軟件對實測數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析。

2.2 測點布置

測點的布置主要基于3個方面的考慮[12]:①地鐵振動敏感建筑物的位置;②盡量選擇周邊地面交通影響小的場所;③現(xiàn)場的布線及布點的條件可行。根據(jù)深圳地鐵實際運行路況信息,選擇在深圳地鐵1、2號線的試車線進行振動測試實驗,各布置3個測點,分別布置在:

測點1,軌道軌枕上表面;

測點2,距線路中心線6.0m的水泥地面上;

測點3,距線路中心線7.5m的水泥地面上。

2.3 測試條件

實驗測試條件:地鐵列車空載,門窗關(guān)閉,廣播關(guān)閉,空調(diào)手動擋21℃,照明設(shè)備正常運行。

3 測試結(jié)果分析

3.1 時域分析

對地鐵列車有關(guān)振動的時域分析,主要考察其振動振級,振動振級定義為

式中 a——垂向加速度值;

a0——加速度標準值,a0=10-5m/s2。

基于本文構(gòu)建的測試方案,對深圳地鐵1、2號線試車線上列車運行時引起的振動進行了測試,其中深圳地鐵1號線試車線為普通有砟軌道,深圳地鐵2號線試車線為鋪有橡膠隔振墊的有砟軌道。測試時試車線上列車運行在其最大允許速度60 km/h,對獲得的測試數(shù)據(jù)進行分析,獲得普通有砟軌道各測點的時域波形分別如圖2所示,獲得鋪有橡膠隔振墊的有砟軌道各測點的時域波形分別如圖3所示。

圖2 普通有砟軌道各測點的時域波形

圖3 橡膠浮置板有砟軌道各測點的時域波形

對實測數(shù)據(jù)進行計算,獲得2種軌道結(jié)構(gòu)情況下相應3個測點的Z振級,如表1所示。

表1 車速為60 km/h時各測點的Z振級dB

比較不同軌道結(jié)構(gòu)、相同測點的Z振級可知,橡膠浮置板有砟軌道對應測點的Z振級均小于普通有砟軌道對應測點的Z振級。相對于普通有砟軌道,計算可得鋪有橡膠隔振墊的橡膠浮置板有砟軌道的減振效果如表2所示。

表2 試車線橡膠隔振墊減振效果計算dB

3.2 頻域分析

頻譜分析是將時域內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)序列通過FFT變換轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)進行分析,以獲得信號的頻率成分和結(jié)構(gòu),有助于確定時間序列的準確周期并判別隱蔽性和復雜性的周期數(shù)據(jù)。本文對振動信號的頻譜分析,主要進行幅頻分析,即加速度大小和頻率的關(guān)系,峰值大意味著相應頻率信號在該時間序列中占主地位。

根據(jù)對地鐵列車以速度為60 km/h在不同結(jié)構(gòu)軌道的試車線上運行時測得的振動數(shù)據(jù),計算獲得各測點振動信號的頻譜對比分別如圖4～圖6所示,其1/3倍頻程振級對比分別如圖7～圖9所示。

圖4 軌枕上表面測點的振動頻譜對比

圖5 距線路中心線6.0m處地面測點的振動頻譜對比

圖6 距線路中心線7.5m處地面測點的振動頻譜對比

由圖4～圖6可知,軌枕上表面測點1的頻率成分復雜,距線路中心線6.0m地面測點2的頻率成分主要集中在100 Hz以下,而距線路中心線7.5m地面測點3的頻率成分主要也集中在100 Hz以下;橡膠浮置板有砟軌道軌枕上表面測點1、距線路中心線6.0m處地面測點2和距線路中心線7.5m處地面測點3的絕大部分頻率處振動量小于普通有砟軌道的相應量,存在個別頻率處振動量放大的情況。

分析圖7～圖9各測點的分頻振級可知,橡膠浮置板有砟軌道軌枕測點在12.5Hz以下和125 Hz以上頻段的振級小于普通有砟軌道軌枕測點的振級,在16～100 Hz有局部放大現(xiàn)象;橡膠浮置板有砟軌道距線路中心線6.0m處地面測點各頻段的振級均小于普通有砟軌道對應測點的振級,在中心頻率40 Hz和50 Hz處存在局部放大的情況;橡膠浮置板有砟軌道距線路中心線7.5 m處地面測點的分頻振級均小于普通有砟軌道對應測點的振級。

圖7 軌枕上表面測點的分頻振級比較

圖8 距線路中心線6.0m處地面測點的分頻振級比較

圖9 距線路中心線7.5m處地面測點的分頻振級比較

4 結(jié) 論

(1)列車在鋪設(shè)有橡膠隔振墊的軌道上運行時,引起的地面振動有明顯的減小,橡膠隔振墊具有明顯的減振效果。

(2)鋪設(shè)有橡膠隔振墊的深圳地鐵2號線試車線軌道,相比未鋪設(shè)有橡膠隔振墊的深圳地鐵1號線試車線軌道,軌枕處的振動減小4.05 dB,距線路中心線6.0 m處地面的振動減小6.08 dB,距線路中心線7.5m處地面的振動減小8.70 dB。

(3)采用橡膠隔振墊是一項有效的地鐵減振降噪措施,對未來的深圳地鐵軌道建設(shè)具有參考作用。

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Perform ance Test and Analysis of Vibration Attenuation of Tracks on Shenzhen Metro

WANG Yuan,CAO Guang-zhong,KUANG Ru-hua
(1.Institute of Automation,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.Key Laboratory of Sensor Technology, Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;3.Shenzhen Metro Group Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)

In order to investigate relevant vibration performance of different track structures when the train of Shenzhen Metro is running on them,in-situ test of ground vibration caused by train running was carried out along the testing lines of Shenzhen Metro Line 1 and 2,and the corresponding test data were analyzed in both time domain and frequency domain,so that the vibration levels at track sleeper and at ground surface of the track with or without rubber vibration isolation pads could be obtained and compared.The results show that the ground vibration is significantly attenuated when the track is paved with rubber isolation pads.The vibration attenuation values are 4.05 dB,6.08 dB,8.70 dB respectively at sleeper,at the ground surface 6.0m away from the center line of the track,and at the ground surface 7.5m away from the center line of the track.All the results illustrate that,paving rubber vibration isolation pads under the track can give remarkable vibration attenuation effects and can serve as an effective vibration attenuationmeasure formetro.

metro;rubber vibration isolation pad;track structure;vibration attenuation measures

U231

A

1004- 2954(2013)07- 0029- 04

2012- 12- 05;

2012- 12- 17

國家自然科學基金項目(51275312)

王 媛(1987—),女,碩士研究生。