預制短板浮置板軌道減振特性研究

鄒 彥，劉 揚，馬曉云，練松良

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.上海軌道交通技術研究中心，上海 201103）

預制短板浮置板軌道減振特性研究

鄒 彥1，劉 揚2，馬曉云1，練松良1

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.上海軌道交通技術研究中心，上海 201103）

浮置板軌道結構具有良好的減振性能和效果，并在城市軌道交通中得到廣泛使用。通過現場實測，采集預制短板浮置板和長枕埋入式軌道上各測點振動加速度數據，分析預制短板浮置板的動態特性并對比了減振特性。研究結果顯示，隧道內，預制短板浮置板軌道的隔振效果在100 Hz以上區間大于20 dB；地面上，預制短板浮置板軌道在25 Hz頻段以上有較好的隔振效果，最大可達25 dB，說明預制短板浮置板具有良好的減振降噪效果。

城市軌道交通；浮置板；振動加速度；減振特性

浮置板軌道是將具有一定質量和剛度的混凝土道床板浮置在鋼彈簧（或橡膠）隔振器上，構成質量－彈性體隔振系統，利用整個道床在彈性體上進行慣性運動來隔離和衰減列車運行產生的振動。常用的浮置板軌道結構大體上分為橡膠支承式、鋼彈簧支承式和縱向浮置板軌道三種[1]。

常規浮置板軌道結構一般采用現場澆注的施工方式，施工進度緩慢。而預制短板浮置板軌道是在預制件廠生產一定結構型式的標準短板（長度為3.6 m或4.8 m），然后通過軌道車和龍門吊車運送到現場進行鋪設，并在兩個方向進行限位的一種浮置板形式[2]。采用預制短板浮置板軌道結構，可以加快施工進度，解決困擾施工工期的瓶頸問題。

本文通過對現場實測數據，對預制短板浮置板軌道動態特性進行了分析，并對普通長枕埋入式軌道、預制短板浮置板軌道的減振特性進行了對比。

1 動態特性測試

1.1 測試內容

預制短板浮置板板長3.6 m，有6個鋼彈簧，彈簧剛度為6.7 kN/mm，板間有2個剪力鉸。為了分析其動態特性，選擇在地鐵線路隧道施工現場進行測試，先在浮置板上激勵力的作用位置，用膨脹螺釘固定一鐵件。鐵件上安裝有力傳感器，通過力傳感器，用兩端帶螺紋的連接桿將浮置板與電磁激振器聯結，便可使激振器的輸出力作用于浮置板，推動浮置板產生振動，如圖1所示。

然后在浮置板上布置4個加速度傳感器，并在浮置板兩端的道床上各安裝1個加速度傳感器，分別用于測試預制短板浮置板的振動響應和浮置板傳遞至道床的振動。傳感器布置見圖2所示。

試驗開始后，利用電磁激振器輸出幅值為1 000 N（頻率3～60 Hz）的周期激振動力，使浮置板產生受迫振動，并在數據采集系統中記錄并儲存浮置板和道床各測點的振動響應加速度。

圖1 現場試驗的軌道激振Fig.1 Field test of track vibration excitation

圖2 浮置板上傳感器布置圖Fig.2 Layout of sensor on floating slab

1.2 測試結果及分析

測試中共記錄了10組數據，每組記錄數據為10 s以上，其中一個樣本的波形圖如圖3所示。

對測試數據進行處理，得到浮置板和道床的加速度導納、浮置板的動柔度以及浮置板、道床與激振力之間的相干函數，用以分析浮置板系統的振動特性和隔振性能[3]。圖3為其中一組激勵和響應信號比較大的測試信號的數據處理結果。

從浮置板的動柔度頻率特性曲線圖中可知，系統的諧振頻率約為11 Hz，隔振器的阻尼比約在0.16左右[4]；比較浮置板和道床兩者的加速度導納圖可知，在高于諧振頻率的頻段，浮置板加速度遠高于道床加速度，約為后者的50～60倍，顯示了浮置板軌道的隔振作用，在5 Hz附近，浮置板加速度約為道床加速度的10倍，反映了浮置板軌道在低于諧振頻率的頻段隔振效果比較差；由相關函數圖可知，浮置板振動響應與激勵力之間的相干函數在大部分頻率點接近于1，說明浮置板振動的測試結果相當可靠，而道床振動響應與激勵力之間的相干函數只在大于約12 Hz以上才達到0.8左右，說明道床在10 Hz以下的振動響應只有一部分是由于激勵力而引起的，其余部分是在激振動力作用下產生的其他頻率環境振動。

2 隧道內振動測試

2.1 測試內容

為測試預制短板浮置板軌道結構的減振特性，在地鐵線路隧道內進行實車運行測試，分別在線路采用普通長枕埋入式軌道結構和預制短板浮置板軌道結構區段內各布置一測試斷面進行對比。

測試列車為上海地鐵10號線車輛，為A型車6節車輛編組，軸重16 t，設計時速80 km/h,在測試區段連續往返運行，列車往返總共經過長枕埋入式和預制短板浮置板軌道結構區段測試斷面25次，平均通過速度為50多公里/小時到60多公里/小時。在列車經過測試斷面的20 s左右的時間，用數據采集系統采集測試斷面各測點振動加速度。測點分別有兩軌的垂向和橫向振動加速度，軌下位置和線路中心處浮置板振動加速度，浮置板下道床振動加速度及隧道壁橫向和垂向振動加速度[5]。

2.2 測試結果及分析

得到測試數據后，先對其時間長度進行截取，以時速62.5 km/h通過長枕埋入式軌道的測試結果和時速62.9 km/h通過預制短板浮置板軌道的測試結果為例，鋼軌、浮置板和道床的振動加速度波形分別如圖4～圖5所示[6]。

從圖5中可以看出，長枕埋入式軌道鋼軌垂向振動加速度振幅約為12～20 g，明顯比預制短板浮置板軌道約為20～30 g的測試結果小；其橫向振動加速度振幅約為5～7 g，也明顯小于預制短板浮置板軌道約為10～20 g的測試結果，并且鋼軌橫向振動明顯小于垂向振動。

圖3 激勵力及浮置板測點1、2的加速度信號Fig.3 Exciting force and acceleration signal of measuring point 1&2 on floating slab

圖4 浮置板和道床的加速度導納、浮置板動柔度以及相干函數Fig.4 Accelerance of floating slab and ballast bed,receptance of floating slab and coherence

圖5 鋼軌垂向與橫向振動加速度Fig.5 Vertical and lateral vibration acceleration of rail

而從圖6～圖8的比較中可以看出，長枕埋入式軌道道床的垂向振動加速度振幅可達0.15 g左右，遠大于預制短板浮置板軌道的道床加速度振幅0.01 g；隧道壁橫向加速度振幅最大為0.05 g左右、垂向加速度振幅最大為0.03 g左右，也大大高于預制短板浮置板軌道隧道壁的橫向加速度振幅0.003 g、垂向加速度振幅0.003 g。

為了分析預制短板浮置板更多的振動特性，對上述截取得到的信號進行處理，先對各趟次軌道板振動加速度數據分別進行三分之一倍頻分析，然后再求取進行平均值，得到各測點振動加速度的1/3倍頻程譜[7]。長枕埋入式軌道和浮置板軌道的鋼軌的振動加速度1/3倍頻程譜見圖9～圖10。從圖中可以看出，長枕埋入式軌道鋼軌的振動頻譜雖然與預制短板浮置板軌道基本相同，但是鋼軌橫向振動在400～1 200 Hz峰值區間明顯小于垂向振動。

圖6 長枕埋入式軌道道床中間垂向與橫向振動加速度Fig.6 Vertical and lateral vibration acceleration of ballast bed of long sleeper buried track

圖7 長枕埋入式軌道隧道壁振動加速度Fig.7 Vibration acceleration of tunnel of long sleeper buried track

圖8 短板浮置板道床與隧道壁振動加速度Fig.8 Acceleration of ballast bed and tunnel of short floating slab track

圖9 長枕埋入式軌道鋼軌振動加速度1/3倍頻程譜Fig.9 Rail acceleration of 1/3 octave spectrum of long sleeper buried track

圖10 浮置板軌道鋼軌振動加速度1/3倍頻程譜Fig.10 Rail acceleration of 1/3 octave spectrum of short floating slab track

圖11 兩種軌道結構道床及隧道壁振動加速度1/3倍頻程譜比較Fig.11 Ballast bed and tunnel acceleration of 1/3 octave spectrum of two kinds of tracks

圖11為兩種不同軌道的道床垂向與隧道壁振動加速度1/3倍頻程譜比較圖。從圖中可以看到，在100 Hz以上，預制短板浮置板道床的振動加速度遠小于長枕埋入式軌道的振動加速度，前者小于后者平均20 dB以上。兩種軌道結構隧道壁振動加速度的對比情況與道床情況基本相似。但在100 Hz以下，情況更為復雜。在12.5 Hz處，預制短板浮置板軌道的道床振動與隧道壁振動加速度均大于長枕埋入式軌道8～10 dB左右。其原因在于：只有振動頻率高于浮置板-隔振器系統固有頻率的1.4倍時，預制短板浮置板軌道才起隔振作用；但在其固有頻率附近，振動反而增大。預制短板浮置板系統的固有頻率大約為12～13 Hz，因此起隔振作用的起始頻率約為17～18 Hz。通過兩種軌道對應部件振動加速度的比較，可以得出在20～100 Hz區間，預制短板浮置板軌道的隔振效果約為6～20 dB。

3 地面振動測試

3.1 測試內容

為進一步分析預制短板浮置板的減振特性，分別選取長枕埋入式軌道、預制短板浮置板各區段隧道正上方地面作為測試斷面，在距離軌道中心線0，10，20 m地面處布置加速度傳感器。列車往返經過測試斷面25次，拾取經過時地面的垂向和橫向加速度信號。通過地面振動測量數據的分析對比，評估浮置板對地面環境振動的隔振效果。

3.2 測試結果及分析

3.2.1 1/3倍頻分析

為分析軌道結構類型對地面的振動能量的分布大小的影響，對每趟列車的振動數據進行三分之一倍頻分析，然后再取平均值，得到振動能量在分析頻段上的分布情況，以車速為60 km/h時距地面0 m數據，結果如圖12所示。

圖12 地面0m處振動1/3倍頻程譜Fig.12 1/3 octave spectrum of vibration on the ground at 0m

從圖中可以看出，長枕埋入式軌道地面振動頻率一般分布在25～80 Hz的范圍內，預制短板浮置板區段地面環境振動一般分布在4～20 Hz的范圍內；長枕埋入式軌道地面振動水平隨距軌道中心線距離的增大而減小；相對長枕埋入式軌道區段地面振動而言，預制短板浮置板在20 Hz以上的頻段具有良好的減振效果，最大可達25 dB，但在2.5～16 Hz的范圍內對地面振動水平起輕微放大的作用。

3.2.2 Z振級分析

列車經過各測試斷面后，根據其運行速度分為50，60，70 km/h三檔，并對各測點拾取的垂向振動加速度信號進行振級評價，評價方法主要參考《城市區域環境振動控制標準》（GB10070-88）[8]。對每一檔車速下的數據取平均值，得到相同車速條件下不同軌道結構對地面環境振動水平的影響規律，部分結果如圖13所示。

從圖中可以看出，車速提高對地面各測點的振級影響不大；從振級的最大值上看，列車在長枕埋入式軌道區段引起的環境振動水平比預制長板浮置板軌道更高，距軌道中心線0，10，20 m地面處，預制短板浮置板的減振效果為12，5.4，1.1 dB，進一步說明預制短板浮置板軌道的減振效果優于長枕埋入式軌道。

圖13 不同軌道結構類型Z振級（最大值）Fig.13 Z vibration level of two types of track(max)

4 結論

1）預制短板浮置板軌道的隔振機理，是以自身振動處于較高水平為代價，從而達到降低基底與隧道振動的效果；且只有在振動頻率高于浮置板-隔振器系統固有頻率的1.4倍（16～17 Hz）時，預制短板浮置板軌道才起隔振作用。

2）隧道內，通過對比長枕埋入式軌道各測點的振動加速度幅值和1/3倍頻程譜可知，預制短板浮置板軌道具有良好的減振效果：在20～100 Hz區間，預制短板浮置板軌道的減振效果約為6～20 dB；而在100 Hz以上，浮置板軌道的減振效果平均大于20 dB。

3）從地面振動測試可知，車速的變化對地面振動的影響并不大，總體上各測點的振動水平隨距軌道中心線的距離增大而減小；預制短板浮置板在20 Hz以上的頻段具有良好的減振效果，最大可達25 dB；進一步說明預制短板浮置板軌道的減振效果優于長枕埋入式軌道。

參考文獻：

[1]曲騰飛，耿傳智.新型預制短板浮置板軌道施工工藝探討[J].城市軌道交通研究，2014（7）：89-92.

[2]盛濤，張善莉，單伽锃，施衛星.地鐵振動的傳遞及對建筑物的影響實測與分析[J].同濟大學學報：自然科學版，2015（1）：54-59.

[3]翟杰群.地鐵振動傳播的現場測試與數值分析[D].上海：同濟大學，2007：10－11.

[4]蔣崇達，雷曉燕.地鐵運營下鋼彈簧浮置板軌道減振分析[J].華東交通大學學報，2012，29（5）：23-28.

[5]黃洋.淺談城市地鐵鋼彈簧浮置板整體道床施工技術[J].黑龍江科技信息，2015（2）：115.

[6]高世兵.鋼彈簧浮置板減振軌道在城市地鐵中的應用[J].鐵道工程學報，2008（3）：88-91.

[7]張莉，劉鵬輝，楊宜謙，王巍.杭州地鐵1號線浮置板軌道減振效果對比分析[J].鐵道建筑，2013（10）：80-83.

[8]洪俊青，劉偉慶.地鐵對周邊建筑物振動影響分析[J].振動與沖擊，2006（4）：142-145.

Research on the Damping Characteristic of Precast Short Board Floating Slab Track

Zou Yan1，Liu Yang2，Ma Xiaoyun1，Lian Songlian1
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.Technology Research Center of Shanghai Rail Transit,Shanghai 201103,China）

Floating slab track is very effective in decreasing the vibration,which has been made full use in urban rail transit.In order to study the dynamic characteristics of floating slab,and compare its damping characteristics with long sleeper buried track,the vibration acceleration data of precast short board floating slab and long sleeper buried track are collected by field test.The results show that the damping effect of precast short board floating slab track is greater than 20 dB at the section more than 100 Hz in tunnel,and up to 25 dB at the section more than 25 Hz on the ground.It proposes that precast short board floating slab is a highly efficient measure which can achieve the expected damping effect.

urban rail transit;floating slab;vibration acceleration;damping characteristic

U213

：A

1005-0523（2017）01-0033-07

（責任編輯 王建華）

2016－08－15

上海市科委研究項目（14231201002）

鄒彥（1989—），男，碩士研究生，研究方向為軌道結構動力分析。

練松良（1956—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為軌道結構振動。