高架地鐵的軌道結構振動測試及對高架橋的影響分析?

李澤熙 婁宇 呂佐超 左漢文

( 1.中國電子工程設計院有限公司 北京100142;2.北京市微振動環境控制工程技術研究中心 100086;3.北京建筑大學 100044)

引言

地鐵因其載客量大、運載效率高的特點,已成為滿足城市交通需求的可靠措施,但地鐵在城市內穿行,其運營過程中產生的振動會對周邊環境帶來一定影響,例如北京地鐵4 號線穿行北京大學,干擾實驗室精密儀器正常工作[1]。為此,許多學者對軌道交通的振動問題做了諸多研究,蘇宇[2]等在北京交通大學地下實驗室內通過實驗的方法探究了梯形軌枕減振性能,康佐[3]等對西安地鐵中隧道內鋼彈簧浮置板道床減振效果進行了檢測,林渝軻[4]等測試了地鐵提速至120km/h 后多種軌道減振效果。但現有研究大多針對地下隧道中軌道的振動特性,且多用較寬頻段的數據進行加權分析,忽略了對敏感頻率的驗證。考慮到對振動敏感的工業建筑多地處城郊,周圍地鐵線路常布置于高架橋上,產生的低頻振動衰減較慢,易對建筑和建筑內的振動敏感設備產生不利影響,本文以鄭州市地鐵城郊線為例,對高架線路上軌道結構的振動進行了測試,分析了50Hz 以下的振動特性和對高架橋的影響,為類似高架地鐵的軌道結構和高架橋設計提供參考。

2 振動測試

2.1 測試概況

為測試高架地鐵上軌道結構和高架橋的振動情況,選取鄭州某城郊線,該城郊線采用B 型車,6 節編組,車長118m,設計時速80km/h,兩種軌道結構布置在構造相同的橋上,附近無明顯干擾振源。測試斷面分別為無砟梯形軌枕道床和普通道床。為避免列車加減速導致的振動變化,保證測試工況變量單一性,兩者均選取直線段,相距650m,位于相同站點區間段且距離站點有一定距離。

2.2 測點布置

測試斷面均布置兩個測點,分別位于鋼軌和橋面上。傳感器包括PCB -352C03 型單向加速度傳感器、科動KD1500LS 型三向加速度傳感器,具體參數見表1。

表1 傳感器參數Tab.1 Parameters of sensors

以梯形軌枕道床測試斷面為例,傳感器布置如圖1 所示。鋼軌上測點1 布置兩個單向傳感器,橋面上測點2 布置1 個多向傳感器,每個測點采集豎向和水平向(垂直于線路方向)的振動加速度。

圖1 測點布置Fig.1 Layout of measuring points

2.3 測試結果

測試結果使用采集儀(INV3062)離線拾取數據并進行篩選,選取其中波形完整、無信號突變、幅值正常的10 組數據。各組數據中地鐵通過時波形長度近似,第一個較大峰值與最后一個較大峰值間約6s,即第一節車廂首個輪組通過至末節車箱的最后輪組通過時長,結合車長估算運營車速約在70km/h。

其中一組典型數據見圖2、圖3。

圖2 普通道床典型時域數據Fig.2 Typical time domain curves of common railways

地鐵經過普通道床時,鋼軌上豎向振動加速度最大值為90.01m/s2,水平向最大值為47.72m/s2,高架橋面上豎向振動加速度最大為3.76m/s2,水平向最大為9.68m/s2。由此可以看出,對于普通道床,鋼軌上的豎向振動大,水平向振動相對較小,但高架橋面的振動響應與此相反。

圖3 梯形軌枕道床典型時域數據Fig.3 Typical time domain curves of ladder sleeper railways

梯形軌枕道床上,鋼軌上豎向加速度最大值為62.28m/s2,水平向加速度最大值為153.18m/s2,高架橋面上豎向加速度最大值為1.40m/s2,水平向最大為0.85m/s2。由此可以看出,對于梯形軌枕道床,鋼軌上的豎向振動小于水平向振動,但高架橋面的振動響應與此相反。

與普通道床相比,梯形軌枕道床上鋼軌的豎向振動較小,水平向振動較大,高架橋面上豎向和水平向振動均低于普通道床,且水平向振動比普通道床低一個數量級。

3 振動特性分析

3.1 振動加速度級

對10 組時域振動信號進行FFT 轉換,得到振動信號在1Hz ～50Hz 頻段上的響應,將10 組頻域數據進行平均,采用振動加速度級評價地鐵的振動特性。

根據國家標準[5]振動加速度級定義為：

式中：ax為測點振動加速度;a0為基準加速度,a0=10-6m/s2。圖4 給出了普通道床與梯形軌枕道床的振動加速度級。

圖4 道床振動加速度級Fig.4 Vibration acceleration level of railways

由圖4a 可以看出,在普通道床上,鋼軌兩方向加速度級變化趨勢相同,豎向振動大于水平向振動,高架橋面上的兩方向加速度級幅值接近,趨勢相同,在1Hz ～25Hz 頻段,鋼軌上加速度級高于橋面上加速度級,25 Hz ～50Hz 頻段,兩測點加速度級逐漸接近。

由圖4b 可以看出,在梯形軌枕道床上,鋼軌與高架橋面上的振動加速度級變化趨勢相同,鋼軌豎向振動加速度級大于水平向,橋面上豎向振動大于水平向。總的來看,在1Hz ～50Hz 頻段,梯形軌枕道床上鋼軌振動遠大于高架橋面振動。

3.2 振動傳遞

高架地鐵振動在鋼軌至橋面的傳遞途徑中,受道床整體的幾何參數、材料特性、約束形式和結構頻率等因素影響,振動加速度級變化規律各不相同,可使用鋼軌與橋面振動加速度級的差值描述振動傳遞情況,當差值大于零時說明振動衰減,當差值小于零時說明振動放大。圖5 給出了兩種道床測點處鋼軌至橋面的振動傳遞情況。

由圖5a 可以看出,普通道床上豎向振動在鋼軌到高架橋面的傳遞路徑中,在1Hz ～20Hz 頻段衰減明顯,約衰減17dB ～23dB,在20Hz ～30Hz 頻段衰減逐漸變小,30Hz ～50Hz 頻段的衰減小于10dB; 水平向振動衰減隨頻率變化趨勢與豎向相同,衰減量小于豎向,最大為18.7dB,最小為1.2dB。

由圖5b 可以看出,在梯形軌枕道床的鋼軌至高架橋面的傳遞過程中,水平向振動衰減在10Hz 處最大,約37.7dB,在27Hz 最小,約18.8dB,整體大于豎向振動的傳遞衰減,豎向振動在1Hz ～14Hz 頻段衰減約17dB ～22dB,之后衰減效果逐漸變小,29Hz 處衰減僅有4.7dB。

4 軌道結構的減振特性

由于兩個測試斷面相鄰,列車通過時的時速穩定,可以認為列車通過時外界激勵基本相同。圖6 統計了使用梯形軌枕道床和普通道床時橋面上豎向與水平向振動測試數據。

圖6 高架橋面振動加速度級Fig.6 Vibration acceleration level of viaducts

使用插入損失的方法可以更加清楚直觀地描述使用梯形軌枕后道床系統振動特性的變化,即兩個高架橋面上測點的加速度級差值,公式如下：

式中：VAL1和VAL2分別是普通道床高架橋面和梯形軌枕道床高架橋面加速度級。當ΔL＞0 時說明梯形軌枕道床振動減小,ΔL＜0 時說明振動放大。圖7 是豎向與水平向振動的插入損失。

由圖7a 可知,豎向振動插入損失在14Hz 以下為正值,最高減振10.4B; 在15Hz ～33Hz、35Hz ～38Hz、35Hz ～37Hz、44Hz ～46Hz 頻段插入損失為負值,說明梯形軌枕在此頻段內振動放大,最高放大7.9dB; 46Hz 之后減振效果開始增強。

圖7 振動插入損失Fig.7 Insertion loss of vibration

由圖7b 可以看出,水平向振動放大的頻率較少,僅出現在18Hz、26Hz ～33Hz 及37Hz,最多放大5.5dB,其他頻段均有一定減振效果,最大減振量15.6dB,減振效果較好。

總的來看,與普通道床相比,梯形軌枕道床的減振性能與頻率相關,1Hz ～50Hz 頻段減振效果不是非常顯著,在一些頻段出現振動放大現象,主要集中在15Hz ～40Hz。研究表明,振動放大現象與高架橋固有頻率相關[6]。因此,在高架線附近若存在對此頻段振動敏感的建筑和設備,應評估梯形軌枕道床的低頻減振性能。

5 結論

本文通過對高架地鐵的梯形軌枕道床和普通道床兩種軌道結構的實測,分析比較了兩者的振動特性及振動對高架橋的影響,以下結論可為類似高架地鐵的軌道結構和高架橋設計提供參考。

1.高架地鐵采用不同軌道結構,振動響應差異較大。梯形軌枕道床橋面上的豎向和水平向振動均小于普通道床,其中水平向振動低一個數量級。

2.在1Hz ～50Hz 頻段內,梯形軌枕道床上的振動由鋼軌傳至高架橋面的過程中,均有較明顯衰減,水平向衰減更大。普通道床豎向衰減較大,且在25Hz 以后振動衰減漸小,軌道系統各點振動趨于一致。

3.在地鐵高架橋上,相較于普通道床,梯形軌枕道床由于自身以及橋梁固有頻率等原因,在15Hz ～40Hz 頻段會出現振動放大現象,當周圍有振動敏感設施時應注意評估低頻減振效果。