地鐵車輛段檢查坑減振措施分析和效果預測

張海波 于占洋

隨著國內軌道交通的快速發展，越來越多的線路興建，軌道交通的占地情況尤其是車輛段占地規模較大，面對日益緊張的城市用地，車輛段上蓋物業開發在各個城市軌道交通建設提上日程。在車輛段上方加蓋物業，都不可避免的受到地鐵車輛在運行中產生的振動影響，即車輛段內振動通過建筑結構傳遞至上蓋物業，引起上蓋建筑振動和二次結構噪聲。本文對地鐵車輛段檢查坑線路進行減振措施分析和效果預測，以供相似工程借鑒。

1檢查坑地段工況

為了便于檢修，地鐵車輛段檢查坑采用立柱式支撐結構，支撐立柱間隔設置，鋼軌扣件位于立柱頂部，鋼軌位于扣件上方。

為了控制車輛行駛時輪軌沖擊振動向上蓋建筑物的傳播，在進行軌道減振措施選型時，可以從振源控制、傳播途徑控制、防振對象控制。本文主要從傳播途徑控制所采取的措施進行分析和效果預測。

2檢查坑振動源分析

車輛在行駛時，由于軌道狀態、車輛運行速度、曲線半徑等多種因素，存在很多激勵振源，影響振動的因素有多種，如車速、軌道平順度、鋼軌面磨耗、車輪圓度等。對于車輛段檢車坑，該線路多為直線段，車輛行駛速度較慢（約10Km/h），主要振動源是車輪與鋼軌撞擊振動。

3檢查坑減振措施選擇

3.1主要工況和措施選擇

車輪與鋼軌撞擊產生的振動通過軌下扣件傳遞至支撐基礎，進一步傳遞到上蓋物業；可以采用在鋼軌下方設置彈性減振扣件，隔離振動能量，降低振動向支撐基礎和上蓋物業的傳播，達到降低振動的目的。目前常用的減振扣件分為中等減振扣件（雙層非線性減振扣件為代表）和高等減振扣件（防松脫浮軌扣件為代表）兩類，中等減振扣件減振效果5-8dB，高等減振扣件減振效果10-12dB。

根據國家環境標準《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測試方法標準》JGJ/170-2009和《城市區域環境振動標準》GB10070，車輛段上蓋物業振動的限值，如：區域分類，O類：晝間65dB，夜間62dB；1類：晝間65dB，夜間62dB；2類：晝間70dB，夜間67dB；3類：晝間75dB，夜間72dB；4類：晝間75dB，夜間72dB；區域類別對振動要求等級差距較大，為了保證工程長久順利運行，建議采用高等級減振扣件，能夠具有10dB以上減振效果，能夠適應不同區域要求。

3.2防松脫浮軌扣件

防松脫浮軌扣件是高等級的減振扣件的代表，減振效果達到l0-12dB。防松脫浮軌扣件采用橡膠彈性楔塊從兩側將鋼軌夾緊并支撐起來，扣件具有較低的垂向剛度（5-8KN/mm）和較強的抗扭轉能力，鋼軌在發生較大垂向位移時依然能夠具有良好的軌距保持能力，扣件具有二階剛度設計，在特殊情況下（工程車、大運載車輛）提供更大的抗翻轉和垂向二次剛度；獨有的防松脫鎖緊機構，使扣件安裝、維護十分方便，不需要使用任何特殊工具，能夠持久有穩定的保持扣件夾緊力、剛度和縱向阻力，達到免維護的效果。諧振調頻質量系統的設計，能夠降低鋼軌振動，抑制軌道波磨產生，降低噪聲輻射。

放松脫浮軌扣件具有安裝施工方便，不需要使用任何特殊特制工具，對于日常檢修養護來說十分便捷。放松脫浮軌扣件不僅可以用在新建線路，同樣對于既有線路改造也很適用，僅僅是利用地鐵停運的“天窗點”即可完成扣件改造安裝，不影響正常運營工作。

4減振效果預估

4.1減振效果評估方法

軌道基礎的振動能直接反應減振扣件的隔振效果，而對于環境振動還涉及到人體對振動各頻段的主觀感受問題。通常評價減振效果，是將減振扣件和普通扣件進行對比，在相同工況條件下測得軌道基礎振動數據之差作為減振扣件的減振效果。在實地測試時應依據GB10071-88《城市區域環境振動測量方法》，按照IS02631-1：1985鉛垂向（Z向）計權方式（1-80Hz）對軌道基礎振動數據進行分析。最大Z振級（VLZmax）指列車通過時測量斷面時測得的Z振級的最大值，是目前最為常用的一個評價指標。

與正線載客運行車輛不同的是，車輛段檢查坑處列車行駛速度很低（約10Km/h），而正線運行速度較高（50-80Km/h），因此從仿真分析和近似工況測試對減振效果進行預估。

4.2仿真分析預測

為了對防松脫浮軌扣件產的減振性能作出評價，采用軌道車輛專用軟件simpack建立了軌道一車輛計算模型，模擬列車在低速（lOKm/h）行駛狀態下，分析車輛運行在防松脫浮軌扣件和普通扣件上時，道床的垂向加速度，對其進行加權處理，得出防松脫浮軌相對于普通扣件的隔振效果。

4.2.1建立計算模型

（1）簡化模型。根據典型客車一軌道垂向等效集總簡化模型（見圖1），建立計算模型。軌道系統簡化模型建立的關鍵，是將連續分布的軌道結構系統簡化成具有少數自由度的多剛度系統。采用下標r，s和b代表鋼軌、軌枕和道床，M表示等效集總質量，m表示單位長度質量，Kp、Kb和Kf表示軌下墊、道床和路基的等效剛度，Cp、Cb和Cf代表軌下墊、道床和路基的等效阻尼。

根據簡化模型理論，建立sinpack計算模型如下圖所示。

（2）車輛模型參數。車輛的參數選取地鐵A型車的參數，采用在空車載荷下的車輛參數：

1、轉向架軸距，2500 mm；

2、車輛定距，15700 mm；

3、車長，22800 mm；

4、軸重，14t；

5、車體質量（空載），20000 kg；

6、車體點頭轉動慣量（空載），1835000 kgm2；

7、二系空氣彈簧阻尼（2個/轉向架），61kNs/m：

8、二系空氣彈簧剛度（2個/轉向架），0.125 kN/mm：

9、轉向架質量，3200 kg；

10、轉向架點頭轉動慣量，5250kgm2；

11、一系每軸箱彈簧垂向剛度，1.5kN/mm：

12、一系每軸箱彈簧橫向剛度，1.51kN/mm：

13、一系每軸箱彈簧軸向剛度，2.8kN/mm：

14、一系每軸箱垂向阻尼系數，20kNs/m：

15、一系每軸箱橫向阻尼系數，20kNs/m：

16、一系每軸箱軸向阻尼系數，20kNs/m：

17、輪對質量（簧下質量），1700kg；

（3）軌道模型參數。軌道鋼軌、道床和路基的參數參考《車輛一軌道耦合系統隨機振動分析》內相關參數，浮軌扣件的垂向剛度為8kN/mm，橫向剛度為20kN/mm。常用普通減振扣件的垂向剛度為60kN/mm，橫向剛度為20kN/mm。

（4）軌道不平順模型。實際的軌道不平順主要是中長波隨機不平順。輪軌系統激勵來自輪軌組合粗糙度/不平順度R，計算中假設四個車輪處的粗糙度/不平順激勵的相位相同，采用美國5級軌道公路譜。

4.2.2減振計算及結果分析

對比車輛以10km/h的速度運行在兩種剛度扣件上時，等效道床的垂向加速度，從而得到浮軌相對普通減振扣件的的減振效果。

為了更為清晰的對比兩者的減振效果，將計算結果轉為Z計權的三分之一倍頻程圖。圖3和圖4分別是車輛運行在兩種扣件系統上時等效道床的垂向和橫向Z振級三分之一倍頻譜（基準加速度為1E-6m/s2）。人體感受最敏感的頻率范圍是80HZ以內，故分析80HZ以內的振動效果。

從圖中可以看出，在1-80Hz的范圍內，整個頻率段上浮軌相對于普通減振扣件都明顯的減振效果。從圖5可知浮軌在1-80Hz范圍內道床垂向減振量為10.87dB.

檢查坑處主要振源是車輛行駛時車輪和鋼軌之間撞擊產生的振動。通過在檢查坑處設置高等級減振扣件（如防松脫浮軌扣件）可以有效的降低輪軌撞擊振動向上蓋物業的傳播。防松脫浮軌扣件設計剛度在較低行車速度下任有lOdB左右的減振效果。