鋼彈簧浮置板道床在西安地鐵中減振效果分析①

康 佐， 董 霄， 鄭建國， 錢春宇， 連晨龍

(1.西安市地下鐵道有限責任公司，陜西 西安 710018； 2.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院，陜西 西安 710043)

鋼彈簧浮置板道床在西安地鐵中減振效果分析①

康 佐1， 董 霄2， 鄭建國2， 錢春宇2， 連晨龍2

(1.西安市地下鐵道有限責任公司，陜西 西安 710018； 2.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院，陜西 西安 710043)

西安地鐵二號線繞行通過西安鐘樓，為降低地鐵長期運營對鐘樓的振動影響，在鐘樓段采用鋼彈簧浮置板道床進行減振。主要以地鐵二號線運行影響下對鐘樓的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對鋼彈簧浮置板道床段和普通道床段的振動實測值比較與分析，得出隧道內(nèi)減振段和普通段的振動差異，以此評價鋼彈簧浮置板道床在地鐵應(yīng)用中的減振效果。

鋼彈簧浮置板道床； 減振效果； 振動監(jiān)測

0 引言

城市軌道交通在緩解城市公共客運壓力的同時，其正常運營過程中所產(chǎn)生的振動也會帶來一定的負面影響。沿線通過的文物建筑、學(xué)校、醫(yī)院、劇院及居民區(qū)建筑均會因自身不同的結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生不同程度的振動響應(yīng)。因此在工程實踐中應(yīng)減小城市軌道交通的振動影響，把對環(huán)境的影響控制在允許范圍之內(nèi)[1-2]。其中文物建筑的振動容許標準更為嚴格。古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動以振動速度來評價，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、保護級別和彈性波在古建筑結(jié)構(gòu)中的傳播速度選用[3]。西安地鐵建設(shè)中文物保護是最重要，也最難處理的課題。

作為國家重點文物保護單位，為降低地鐵二號線運行后對鐘樓本體結(jié)構(gòu)的影響，使其滿足國家規(guī)范的要求，在二號線地鐵軌道鐘樓段采用了鋼彈簧浮置板道床減振措施。本文通過對鐘樓、浮置板道床、普通段道床的振動測試，以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析鋼彈簧浮置板道床對鐘樓振動影響的減振作用。

1 項目概況

1.1 鐘樓概況

西安鐘樓始建于明洪武十七年(1384年)，是重檐三滴水四角攢尖木結(jié)構(gòu)建筑，從下到上依次由磚石臺基(正方形)、樓身主體和攢頂三部分構(gòu)成。臺基為磚表土芯；樓身主體為兩層木結(jié)構(gòu)。

鐘樓主體為穿斗式木結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)重量主要由中心4根、周圍12根木柱承擔。柱下端通過柱腳石擱在磚土基礎(chǔ)上，上端各自延伸到屋頂處。木柱之間由梁連接，梁與柱為榫接(圖1)。

圖1 鐘樓剖面圖Fig.1 Sectional drawing of the Bell Tower

1.2 西安地鐵二號線設(shè)計概況

(1) 線路設(shè)計

地鐵二號線隧道采用從鐘樓繞行的方式通過，與鐘樓臺基最近距離大于15 m。二號線左、右線與鐘樓平面位置關(guān)系見圖2。

(2) 車輛參數(shù)

地鐵二號線運行車輛采用B型車，6輛編組，3動3拖，DC1 500 V接觸網(wǎng)供電，最高時速：80 km/h(在鐘樓段時速為30～40 km/h)。

車輛外型尺寸長19 000 mm、寬2 800 mm、高3 800 mm。列車總長(列車兩端車鉤連接面間長度)117.12 m。

(3) 軌道減振措施

二號線過鐘樓段采用鋼彈簧浮置板道床進行減振(圖3)，該減振方式屬于道床減振。浮置板厚度為330 mm，中間凸臺200 mm，左右區(qū)間長度共計360 m。鋼彈簧浮置極道床設(shè)置范圍見表1。

圖2 西安地鐵二號線繞穿鐘樓Fig.2 Xi’an metro line 2 going around the through the Bell Tower

圖3 鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structural diagram of steel-spring floating slab

表1 鋼彈簧浮置板道床設(shè)置范圍表

Table1 Setting area of the steel-spring floating slab track bed

鋼彈簧浮置板設(shè)置范圍起點終點單線長度/m減振級別敏感點名稱DK13+300YDK13+530(右)ZDK13+430(左)360特殊鐘樓

2 振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本次測試采用INV306A型數(shù)據(jù)采集儀、891-Ⅱ型低頻拾振器及9821(9828)不同類型加速度拾振器進行振動實測值對比。依次對隧道內(nèi)和軌頂?shù)孛娣謩e設(shè)置相應(yīng)測點，通過列車在浮置板段與普通短以不同時速的往返運行，對實測數(shù)據(jù)進行分析比較。

2.1 測點布置

測試包括兩部分，即隧道內(nèi)和地面振動監(jiān)測。

(1)隧道內(nèi)測點：在浮置板道床段和普通道床段各選取一個斷面(斷面里程分別為YDK13+490.000和YDK13+570.000)，相距約80 m，分別在鋼軌、道床和隧道壁安裝加速度傳感器，實測列車通過時的振動加速度值。具體測點布置見圖4。圖中A測點布置在鋼軌下，B測點布置在道床處，C測點布置在隧道壁處。A測點和B測點均為豎向加速度拾振器，C測點布置了豎向和水平向(線路方向)的加速度拾振器。

圖4 隧道內(nèi)測點布置示意圖Fig.4 The schematic diagram of observation points in tunnel

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

列車在右線分別以40 km/h和20 km/h的時速在兩個測點斷面之間往返運行。測試系統(tǒng)選取自動觸發(fā)采樣模式，采樣頻率5 120 Hz，采樣時間50 s。對采集的時域振動信號進行篩選，選取波形完整、無明顯畸變、信噪比高、無工頻干擾或不嚴重、相同車速下幅值差別不大的實測曲線。去掉奇異項、修正零線飄移、趨勢項等誤差，得到不同斷面與不同測點的典型時程曲線和頻譜圖(圖5～圖10)。

圖5 鋼彈簧浮置板道床鋼軌上典型時程曲線和頻譜圖Fig.5 Typical time-history curve and spectrum on the rail of steel-spring floating slab track bed

圖6 普通段鋼軌上典型時程曲線和頻譜圖Fig.6 Typical time-history curve and spectrum on the usual rail

圖7 鋼彈簧浮置板段道床上典型時程曲線和頻譜圖Fig.7 Typical time-history curve and spectrum on the steel-spring floating slab track bed

圖8 普通段道床上典型時程曲線和頻譜圖Fig.8 Typical time-history curve and spectrum on the usual track bed

圖5、圖6為鐵軌上的典型時程曲線圖和頻譜圖。從圖中可以看出列車整車通過測點斷面的時間約為10 s，列車長為117.12 m，故車速約為40 km/h。

選擇列車通過測點10次的時域信號進行統(tǒng)計分析。隧道內(nèi)各測點的振動監(jiān)測結(jié)果見表2和表3。

從表3中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出：

(1)地鐵運行下，普通道床段鋼軌、道床、隧道壁水平向和垂直向的振動加速度幅值分別介于107.69～201.67 m/s2、1.24～1.82 m/s2、0.53～0.68 m/s2和1.13～1.68 m/s2之間；鋼彈簧浮置板道床段鋼軌、道床、隧道壁水平向和垂直向的振動加速度幅值分別介于157.42～274.33 m/s2、8.65～12.21 m/s2、0.11～0.23 m/s2和0.21～0.42 m/s2之間。因此在鋼彈簧浮置板道床段，由列車輪軌運動產(chǎn)生的振動傳至道床、隧道壁有很大程度的衰減，其中隧道壁水平向振動較垂直向小，豎直向數(shù)值約為水平的2倍左右。

圖9 鋼彈簧浮置板道床段隧道壁典型時程曲線和頻譜圖Fig.9 Typical time-history curve and spectrum on the tunnel wall(horizontal direction) of steel-spring floating slab track bed

圖10 普通段隧道壁(水平向)典型時程曲線和頻譜圖Fig.10 A typical Time history curve and spectrum on the tunnel wall(horizontal direction) of usual track bed

表2 隧道內(nèi)振動加速度幅值統(tǒng)計表(單位：m/s2)

Table2 The statistics of vibration acceleration amplitudes in tunnel (unit：m/s2)

測點位置實測次序12345678910平均值標準差普通軌道鐵軌122．45192．84107．69119．04165．47119．05201．67198．25124．99126．07147．7537．54道床1．371．341．341．241．411．301．821．331．251．301．370．17隧道壁水平向0．640．660．530．630．630．620．680．650．540．640．620．05隧道壁垂直向1．151．481．181．251．681．131．661．231．271．261．330．20鋼彈簧浮置板鐵軌188．42234．32182．64157．42274．33192．31231．16237．95196．64207．69210．2934．05道床8．9812．019．429．3212．098．6512．2111．8010．7112．0210．721．47隧道壁水平向0．120．160．120．130．150．150．210．230．110．110．150．04隧道壁垂直向0．400．330．380．410．420．360．350．380．210．300．350．06

表3 鋼彈簧浮置板道床段振動加速度較普通道床段的減振效果(單位：%)

圖11 鋼彈簧浮置板振源測點的三分之一倍頻程加速度級比較Fig.11 The analysis of test point's a third times frequency range in the source of vibration on steel-spring-floating-slab track bed

(2) 通過比較同車速和載客量情況下普通道床和鋼彈簧浮置板道床的振動情況，可以看出，在鋼彈簧浮置板道床段的鋼軌與道床處的振動量較普通道床段有所增加，且道床處的振動量值增加幅度較為明顯。這是由鋼彈簧浮置板道床特殊的減振構(gòu)造造成的。能量傳遞中由鋼彈簧隔振器進行調(diào)諧、濾波、吸收能量，達到隔振目的[4]，因此浮置板自身的振動較為劇烈。在浮置板吸收能量的同時，一部分能量又傳回至鋼軌，且一部分能量傳至車輛內(nèi)。這個規(guī)律在北京地鐵4號線、5號線的測試結(jié)果中也有體現(xiàn)。地鐵產(chǎn)生振動通過浮置板的隔振后傳到隧道壁上的振動量大大減少，相比普通道床段，隧道壁水平向振動加速度幅值能減小76%，隧道壁垂直向振動加速度幅值能減小73%。表明鋼彈簧浮置板道床對減小隧道壁、土體及隧道上方敏感建筑物的振動響應(yīng)有顯著效果。

(3) 圖11為鋼彈簧浮置板振源各測點的三分之一倍頻程加速度級比較。可以發(fā)現(xiàn)，在200 Hz 以內(nèi)從鋼軌到浮置板軌道振動衰減量不大；但從浮置板軌道到隧道壁振動影響有非常明顯的衰減。在100 Hz 以內(nèi)，平均衰減量可達40 dB 加速度級，因此盾構(gòu)隧道內(nèi)的浮置板軌道對隔振作用有著非常明顯的效果。

3 結(jié)語

(1) 鋼彈簧浮置板在鋼軌處和道床處的振動量值均大于普通道床鋼軌處和道床處的振動量值，但隧道壁水平向和豎向的振動量值均小于普通道床值。說明列車輪軌所產(chǎn)生的振動很大程度上被鋼彈簧浮置板道床內(nèi)的減振器吸收，并傳回至鋼軌與列車本身，對道床基礎(chǔ)與隧道壁等的向外傳遞能量衰減明顯。相比普通軌道，隧道壁水平向振動加速度幅值能減小76%，垂直向振動加速度幅值能減小73%。表明鋼彈簧浮置板道床對減小隧道壁、土體及隧道上方敏感建筑物的振動響應(yīng)有顯著效果。

(2) 在高頻范圍內(nèi)，從鋼軌到浮置板軌道振動衰減量值不大；但從浮置板軌道到隧道壁振動影響有非常明顯的衰減。低頻范圍內(nèi)，平均衰減量可達40 dB 加速度級。

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Vibration Reduction Effect of Steel-spring Floating Slab Track Bed Applied to Xi’an Metro

KANG Zuo1， DONG Xiao2， ZHENG Jian-guo1， QIAN Chun-yu2， LIAN Chen-long2

(1.Xi’anMetroLtd.，Xi’an，Shaanxi710018，China；2.ChinaJikanInstituteofEngineeringInvestigationandDesign，Xi’an，Shaanxi710043，China)

Xi’an metro line 2 runs under the Bell Tower in Xi’an.In order to reduce the effect of the vibration on the Bell Tower caused by the long-term operation of the metro, a steel-spring floating slab track bed is adopted.Mainly based on the measured data，which monitors the influence of the Bell Tower’s vibration under the operation of subway line 2，this paper compares and analyzes the measured values of vibration on the steel-spring floating slab track bed and usual track bed.The differences in the damping effect between the spring floating slab track bed and the usual track bed is worked out to evaluate the vibration-damping effect of the steel-spring floating slab track bed in the subway.

steel-spring floating slab track bed； vibration reduction effect； vibration monitoring

2014-08-20

國機集團科技發(fā)展基金(集團13科192號)

康 佐(1978-)，男，博士，高級工程師，主要從事地下工程方面的研究工作.E-mail：akhebi@163.com

U213.2+4

A

1000-0844(2015)02-0372-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0372