客運(yùn)專線高架軌道結(jié)構(gòu)振動特性實測研究

房 建，雷曉燕，練松良

（1.華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境噪聲與振動工程中心，南昌330013；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

為滿足快速增長的客運(yùn)需求，優(yōu)化拓展區(qū)域發(fā)展空間，根據(jù)我國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃,我國高速鐵路建設(shè)的高潮將持續(xù)進(jìn)行。高架軌道結(jié)構(gòu)以其造價低、建設(shè)周期短等特點在高速鐵路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

然而高速鐵路客運(yùn)專線給人們出行帶來便利的同時，也帶來了一系列負(fù)面問題，尤其以振動問題最為突出。高架軌道交通帶來的振動影響問題，主要包含兩個方面：一個方面是輪軌系統(tǒng)和下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動而對沿線居民生活產(chǎn)生干擾的環(huán)境問題；另外一方面是車輛和軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動而對車輛運(yùn)行品質(zhì)產(chǎn)生影響的問題。對高架軌道交通而言，不論是振動對沿線居民生活及工作產(chǎn)生干擾的環(huán)境問題，還是振動對車輛運(yùn)行品質(zhì)產(chǎn)生影響的問題，究其根源，均是高架軌道結(jié)構(gòu)振動所造成的。針對高速列車通過時高架軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動問題，國內(nèi)外學(xué)者主要從理論計算法和試驗法2個方面進(jìn)行了研究。

夏禾[1]、蔡成標(biāo)[2]、楊永斌[3]、高亮[4]和李奇[5]等采用有限元法或者振型疊加法建立了時域的車輛-軌道-橋梁耦合振動模型，研究了列車作用下橋梁的振動響應(yīng)。Wu T X[6]建立了分析頻率高達(dá)6 500 Hz的有砟軌道結(jié)構(gòu)高頻振動的頻域模型，并對輪軌粗糙度作用下軌道結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進(jìn)行了分析。房建等[7-8]利用所提出的新型車輛單元和新型軌道單元，建立了車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)耦合的有限元振動分析模型，為研究橋上CRTSⅡ型板式軌道振動特性提供了理論分析的工具和手段。理論計算法具有建模靈活、求解手段多樣和可重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)點，但由于在將物理模型等效為數(shù)學(xué)模型的過程當(dāng)中存在一定的簡化，所以計算結(jié)果與現(xiàn)場實際情況仍然存在一定的差異。試驗方法具有真實、可靠的優(yōu)點，但同時也存在耗資大等缺點。韋紅亮等[9]通過現(xiàn)場試驗的方法研究了軌面不平順對高架支承塊軌道結(jié)構(gòu)振動特性的影響，對不同軌面不平順狀態(tài)下輪軌力、軌道結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進(jìn)行了時域和頻域上的比較，為城市軌道交通減振降噪的進(jìn)一步研究提供參考。本文針對軌道不平順條件下高速客運(yùn)專線橋上CRTSII 型板式軌道的振動特性進(jìn)行現(xiàn)場實測，將輪軌力、軌道結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進(jìn)行時域和頻域分析，一方面本文的工作可用于檢驗理論模型的正確性；另一方面可為高速客運(yùn)專線高架軌道結(jié)構(gòu)減振降噪的研究提供參考。

1 試驗設(shè)計

根據(jù)研究目的，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選擇京滬高鐵某段線路具有典型軌面不平順狀態(tài)的斷面進(jìn)行測試。該區(qū)段線路為夾直線，其前后均為曲線，線路坡度均為0，且在上坡和下坡段之間，線路鋪設(shè)方式為高架線路，架高為10 m。軌道結(jié)構(gòu)形式采用CRTSII型板式無砟軌道，鋼軌為標(biāo)準(zhǔn)60 軌，無縫線路基本軌長25 m，焊接方式為接觸焊。列車類型為CRH380AL型動車組，編組方式為14動2拖，共采集15組數(shù)據(jù)。振動測試的采集系統(tǒng)為DH9520智能信號采集處理分析系統(tǒng)，傳感器為YD12 系列壓電式加速度拾振器,鋼軌采樣的頻率為5 000 Hz。橋梁斷面處測點布置與測試現(xiàn)場分別如圖1(a)、圖1(b)所示。

圖1 測點布置與測試現(xiàn)場

2 振動特性分析

2.1 時域統(tǒng)計分析

圖2－圖5分別為第15 趟列車經(jīng)過梁跨1/2 斷面時鋼軌垂向振動加速度、軌道板垂向振動加速度、底座板垂向振動加速度和梁底垂向振動加速度時程曲線，讀取每個輪對經(jīng)過梁跨1/2斷面時各測試通道的最大值，進(jìn)行對比分析，如表1所示。

圖2 鋼軌垂向振動加速度時程曲線

圖3 軌道板垂向振動加速度時程曲線

圖4 底座板垂向振動加速度時程曲線

對比圖2－圖5所示的動力響應(yīng)加速度時程曲線和表1所示的統(tǒng)計值，可得出以下結(jié)論：

（1）列車經(jīng)過時，鋼軌的振動加速度幅值一般分布在1 200 m/s2～2 300 m/s2的范圍內(nèi)，軌道板的加速度幅值一般分布在30 m/s2～43 m/s2、底座板的加速度幅值一般分布在40 m/s2～60 m/s2、橋梁底板振動加速度幅值一般分布在1 m/s2左右。

圖5 橋梁梁底垂向振動加速度時程曲線

表1 軌道結(jié)構(gòu)振動幅值統(tǒng)計表/(m·s-2)

（2）當(dāng)上行列車與下行列車以相近的速度通過梁1/2跨斷面時，上行列車引起的鋼軌、軌道板、底座板的振動加速度幅值最大值和平均值與下行列車較為接近。這表明列車上、下行方向運(yùn)行時對軌道結(jié)構(gòu)的沖擊作用也相近。

2.2 頻域統(tǒng)計分析

2.2.1 振動頻譜分析

（1）鋼軌振動頻譜分析

對1/2梁跨斷面處鋼軌測點而言，當(dāng)列車上行方向經(jīng)過時，其振動在100 Hz～2 500 Hz 寬頻范圍內(nèi)都有分布，但主要集中在100 Hz～300 Hz、500 Hz～1 000 Hz、1 900 Hz～2 300 Hz 頻率范圍內(nèi)，其中在125、710、1 778 Hz 等處出現(xiàn)峰值；當(dāng)列車下行方向經(jīng)過時，其在100 Hz～2 500 Hz 頻率范圍內(nèi)都有分布，但主要集中在80 Hz～300 Hz 及1 900 Hz～2 300 Hz頻率范圍內(nèi)，其中在105、260和1 900 Hz處達(dá)到峰值。如圖6所示。

圖6 鋼軌垂向振動頻譜曲線

當(dāng)列車荷載以速度V行駛經(jīng)過軌面時，依據(jù)時間頻率（f）和空間頻率(F)的轉(zhuǎn)換關(guān)系f=V·F，可計算出斷面處不平順引起的鋼軌振動對應(yīng)的強(qiáng)迫振動頻率，此頻率應(yīng)為鋼軌振動的一個組成部分。1/2梁跨斷面處鋼軌的部分振動主頻是由于車輛荷載在軌面不平順上移動產(chǎn)生。

（2）軌道板振動頻譜分析

對1/2梁跨斷面處軌道板測點而言，當(dāng)列車上行方向經(jīng)過時，其振動主要分布在150 Hz～200 Hz、450 Hz～500 Hz 頻率范圍內(nèi)，其中在150 Hz 和170 Hz 處達(dá)到峰值；當(dāng)列車下行經(jīng)過時，其振動主要分布在150 Hz～200 Hz頻率范圍內(nèi)，在170 Hz處達(dá)到峰值。由于扣件系統(tǒng)的彈性作用，軌面不平順引起的高頻振動在軌道板振動中得到了衰減。如圖7所示。

圖7 軌道板垂向振動頻譜曲線

（3）底座板振動頻譜分析

對1/2梁跨斷面處底座板測點而言，當(dāng)列車上行方向經(jīng)過時，其振動主要分布在100 Hz～150 Hz 及300 Hz～350 Hz頻率范圍內(nèi)，其中在117 Hz、322 Hz處達(dá)到峰值；當(dāng)列車下行方向經(jīng)過時，其振動分布特性與上行時相似，在117 Hz 和322 Hz 處達(dá)到峰值。如圖8所示。

圖8 底座板垂向振動頻譜曲線

（4）橋梁振動頻譜分析

對1/2梁跨斷面處梁腹測點而言，當(dāng)列車上行方向經(jīng)過時，振動主要分布在30 Hz～160 Hz頻率范圍內(nèi)，其中在43 Hz、60 Hz、73 Hz、100 Hz 和115 Hz 處達(dá)到峰值；當(dāng)列車下行方向經(jīng)過時，振動主要分布在30 Hz～170 Hz頻率范圍內(nèi)，其中在43 Hz、60 Hz、73 Hz、86 Hz和90 Hz處達(dá)到峰值。如圖9所示。

圖9 橋梁垂向振動頻譜曲線

由于客觀存在輪軌表面不平順，經(jīng)過輪軌相互作用下產(chǎn)生的高頻振動主要集中在鋼軌上，而由于扣件系統(tǒng)的彈性減振作用，軌面不平順引起的高頻振動在軌道板和橋面板上體現(xiàn)不明顯，由離散支撐導(dǎo)致的中頻振動占據(jù)主要成分。

2.2.2 振動加速度的三分之一倍頻程分析

（1）鋼軌振動加速度三分之一頻譜分析

對1/2梁跨斷面處鋼軌測點而言，下行方向列車引起的振動平均較上行方向在100 Hz～250 Hz范圍內(nèi)平均高出2.4 dB、在500 Hz～1 000 Hz范圍內(nèi)高出1.7 dB。如圖10所示。

圖10 鋼軌垂向振動三分之一倍頻曲線

這表明在列車荷載作用下，上行列車與下行列車速度接近時，車輛對鋼軌產(chǎn)生相近的沖擊作用。

（2）軌道板振動加速度三分之一頻譜分析

對1/2梁跨斷面處軌道板測點而言，下行方向列車引起的軌道板振動水平較上行方向在20 Hz以下范圍內(nèi)平均高5.7 dB，在20 Hz～125 Hz范圍內(nèi)后者較前者平均高出1 dB。如圖11所示。

圖11 軌道板垂向振動三分之一倍頻曲線

（3）底座板振動加速度三分之一頻譜分析

對1/2梁跨斷面處底座板測點而言，下行方向列車引起的軌道板振動水平較上行方向在16 Hz以下范圍內(nèi)平均高3.34 dB，在16 Hz～315 Hz 范圍內(nèi)后者較前者平均高出1.2 dB。如圖12所示。

圖12 底座板垂向振動三分之一倍頻曲線

（4）橋梁振動加速度三分之一頻譜分析

對1/2梁跨斷面處梁腹測點而言，上行方向列車與下行方向列車引起的橋梁振動水平主要集中在300 Hz 以下的范圍，在100 Hz 處分別達(dá)到最大值，為107 dB 和108 dB。在分析頻率范圍內(nèi)，上、下行方向列車引起的橋梁振動水平相差不大。如圖13所示。

圖13 橋梁垂向振動三分之一倍頻曲線

3 軌道結(jié)構(gòu)振動傳遞特性分析

為分析鋼軌振動沿軌道縱向的傳遞特性，選取第15趟次列車通過斷面時鋼軌垂向振動加速度、軌道板垂向振動加速度、底座板垂向振動加速度以及橋面板垂向振動加速度信號作為分析對象，采用短時傅里葉變換的時頻方法對其進(jìn)行分析，結(jié)果如圖14－圖17所示。

圖14 鋼軌垂向振動加速度短時傅立葉變化能量圖

圖15 軌道板垂向振動加速度短時傅立葉變化能量圖

圖15為軌道板的垂向振動加速度短時傅立葉變化能量圖。其表明，160 Hz 以下的軌道板振動加速度衰減更快，而400 Hz～500 Hz 范圍內(nèi)軌道板垂向振動加速度衰減較慢，在列車到達(dá)前數(shù)秒可以探測得到。

圖16為底座板的垂向振動加速度短時傅立葉變化能量圖。其表明，盡管底座板的結(jié)構(gòu)形式與軌道板不一致，但振動能量在時頻域上的分布卻與軌道板垂向振動類似，表現(xiàn)為100 Hz以下的振動衰減更快，300 Hz～400 Hz 頻率范圍底座板垂向振動加速度衰減較慢，在列車到達(dá)前可以探測出。而200 Hz以下頻率內(nèi)的振動僅在列車通過時段才能產(chǎn)生，說明底座板的振動源為軌道板傳來的列車荷載，底座板的振動為受迫振動。

圖16 底座板垂向振動加速度短時傅立葉變化能量圖

圖17 橋面板垂向振動加速度短時傅立葉變化能量圖

圖17為橋面板垂向振動加速度短時傅立葉變化能量圖。其表明，橋面板振動主要集中于50 Hz以下頻率范圍內(nèi)，振動在列車到達(dá)前數(shù)秒就可以探測得出且衰減較慢。

4 結(jié)語

通過對京滬高鐵某區(qū)段橋上CRTS II 型板式軌道振動特性測試及分析，主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)上行列車與下行列車運(yùn)行速度相近時，上行列車通過梁跨1/2 斷面時引起的鋼軌、軌道板、底座板的振動加速度幅值最大值和平均值接近下行列車，這表明在軌道不平順隨機(jī)激勵作用下，列車上、下行方向運(yùn)行時對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相近的沖擊作用。

（2）鋼軌的振動在100 Hz～2 500 Hz 寬頻范圍內(nèi)都有分布，其中在125 Hz、710 Hz、1 778 Hz、105 Hz、260 Hz 和1 900 Hz 等處達(dá)到峰值。鋼軌的振動主要由于輪軌表面不平順激勵所產(chǎn)生。

（3）經(jīng)過輪軌相互作用下產(chǎn)生的高頻振動主要集中在鋼軌上，而由于扣件系統(tǒng)的彈性減振作用，軌面不平順引起的高頻振動在軌道板和橋面板上體現(xiàn)不明顯，由離散支撐導(dǎo)致的中頻振動占據(jù)主要成分。

（4）振動在軌道結(jié)構(gòu)縱向的傳遞主要是在鋼軌內(nèi)部實現(xiàn)的。