運營地鐵鋼彈簧浮置板軌道減振降噪性能研究

郭 享 張靈熙 何繼平 李俊璽 郭 驍

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司,蘇州 215002; 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

城市軌道交通線路往往穿越居民區、醫院、學校等環境敏感點,根據環境保護要求,需要在這些地段采取特殊減振措施。鋼彈簧浮置板軌道是目前國內應用最廣泛的特殊減振措施,由鋼筋混凝土道床板和鋼彈簧隔振器共同組成質量-彈簧-阻尼系統。相較于普通軌道,其減振效果可達15dB以上[1],另外,其對降低敏感建筑物室內二次結構噪聲也有非常明顯的作用。

然而,對于一些特殊工況,即使振動和噪聲均滿足國家規范規定的限值要求,也有部分敏感人群能夠感受到列車通過的振動或聲音,對他們的正常生活造成一定的影響[2-3]。為進一步降低噪聲,劉加華從設計施工一體化角度研究預制浮置板方案[4];楊寶鋒等對“拼裝一體化”鋼彈簧浮置板的施工設備及機具開展設計與改造[5];朱家坤等對普通整體道床改造為浮置板道床實現減振降噪的施工技術進行研究[6];丁德云等對鋼彈簧浮置板的參數、力學特性開展了分析[7-10],以往研究從浮置板的力學特性、設計、制造、施工精度控制等方面出發,對提高浮置板軌道減振性能取得一定效果,但是沒有在運營線路上開展浮置板減振降噪效果研究。

為進一步降低運營線路上的振動和噪聲影響,采用在鋼彈簧浮置板道床上增設配重裝置的方式來降低既有浮置板軌道的固有頻率,從而提升浮置板軌道的減振降噪效果,并選取100m試驗段,對配重裝置提高浮置板減振降噪性能方面的效果進行驗證。

1 配重裝置方案研究

1.1 建模分析和計算

以蘇州軌道交通4號線線路下穿某小區采用的鋼彈簧浮置板為研究對象,車輛采用6節編組B型車,鋼彈簧浮置板為現澆結構,每塊板厚度為0.34m,長度為25m,總質量約69.5t,按質量增加10%、15%和20%3種工況進行研究。

采用有限元軟件,建立車輛-軌道-隧道-土體-建筑物動力耦合分析模型,見圖1。模型中,通過在浮置板道床上表面增加寬1m、不同高度的貫通實體部件來增加配置,該段現狀采取了限速措施,運行速度取40km/h,扣件和鋼彈簧隔振器均采用彈簧阻尼單元模擬,剛度分別為30MN/m和6.66MN/m。

圖1 車輛-軌道-隧道-土體-建筑物空間耦合動力分析模型

根據以上模型計算既有和增設配重裝置的鋼彈簧浮置板道床軌道結構動力響應,其中鋼軌和浮置板位移變化對比見圖2,鋼軌、浮置板和隧道壁振動加速度對比見圖3,相關指標和計算結果匯總見表1。

表1 增加配重裝置浮置板動力響應指標最大值匯總

圖2 鋼軌和浮置板位移對比

圖3 鋼軌、浮置板和隧道壁振動加速度對比

對以上結果分析可得出如下結論。

(1)隨著配重裝置質量的增加,鋼軌及浮置板的位移隨之減小,且均滿足CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術規范》中鋼軌豎向位移不大于4mm、浮置板豎向位移不大于3mm的規定;另外,鋼軌和隧道壁的振動加速度也隨之減小,浮置板振動加速度略有增加。

(2)配重裝置質量增加20%時,相較于既有浮置板,鋼軌振動加速度減小11.9%、位移減小10.8%,浮置板振動加速度增加10%、位移減小9.3%,隧道壁振動加速度減小28.4%。

對既有浮置板和增設20%質量的配重裝置的隧道側壁垂向加速度進行頻譜分析,其1/3倍頻程垂向振動加速度級見圖4。

圖4 隧道壁1/3倍頻程振動加速度級

根據GB/T 13441《人體全身振動環境的測量規范》,既有浮置板道床經過人體全身振動Z計權后,隧道側壁的垂向加速度最大Z振級為71.69Hz,增設20%質量的配重裝置隧道側壁最大Z振級為68.43 dB,減少了3.26dB。

綜合以上理論計算結果,推薦配重裝置的質量增加20%,即每塊浮置板上設置配重約為13.9t。

1.2 方案選型和設計

根據既有浮置板軌道的結構和外形尺寸,考慮車輛限界和設備限界,以及鋼軌和扣件養修作業空間的需求,配重裝置安裝在兩鋼軌之間的浮置板道心上表面,高度不超過軌頂面,寬度不超過1m。沿浮置板道床縱向,布置浮置板檢查孔、剪力鉸、密封條、信號應答器、計軸、過軌線纜等。

經技術經濟綜合比選,配重裝置采用膠融鋼板結構,同時鋼板和道床之間鋪設阻尼墊板,組成帶阻尼的動力吸振器,橫斷面見圖5。鋼板材質為45號鋼,外表面硫化一層橡膠層,粘結強度不小于5MPa,起到絕緣和防腐的作用,每塊膠融鋼板的尺寸為2.2m(長)×0.55m(寬)×0.08m(厚),質量約500kg,高度上可以設置2塊鋼板,形成1組,鋼板與道床面之間設置阻尼墊板,在鋼板端部采用化學錨栓安裝兩個限位座,用于限制膠融鋼板的縱向、橫向以及垂向的位移。根據板上觀察孔和信號設備的布置情況,每塊25m的浮置板上布置9～10組膠融鋼板配重裝置。

圖5 配重裝置橫斷面

增設膠融鋼板,不僅能夠降低浮置板的固有頻率,而且可降低固有頻率處的振動;滿鋪方案還起到增加浮置板參振質量的作用(質量比達到0.17),對其他較高頻段的振動也能夠起到較好的減振效果,寬頻帶的減振作用傳遞至地面建筑時,有利于降低室內二次結構噪聲。

2 試驗段設計和試鋪施工

選擇居民樓正下方的鋼彈簧浮置板軌道作為研究對象,本次試驗段里程范圍為SK9+942.942～SK10+042.942,全長100m,位于半徑500m的圓曲線上,軌道曲線超高為112mm。

2.1 試驗段設計

(1)配重裝置結構設計

配重裝置由膠融鋼板、阻尼減振墊、限位座、緊固鋼夾、錨固件等組成。膠融鋼板由質量體和硫化橡膠組成;阻尼減振墊設置于膠融鋼板底部,以避免鋼板與浮置板道床直接接觸;限位座設置于膠融鋼板的兩端,用于限制膠融鋼板的位移;限位座采用化學錨栓固定在浮置板道床上。

(2)配重裝置的縱向布置

每塊浮置板道床長度為25m,板中心線上設置有4個觀察筒,板端設置有剪力鉸和密封條,配重裝置的布置以每塊板留出2個觀察筒,不壓在密封條上為原則,同時避開安裝在道床上的軌旁設備。經現場調查,試驗段范圍內有鋼軌涂油器1臺,信號應答器1臺,道床面過軌管線2處。

本試驗段4塊鋼彈簧浮置板上沿線路縱向共布設了39組配重裝置。第一塊板上有φ50mm過軌管2根,避開過軌管,可布置10組配重裝置;第二塊板上有信號應答器1臺,要求配重裝置離開應答器至少1m,可布置9組配重裝置;第三塊板的鋼軌上有鋼軌涂油器1臺,可布置10組配重裝置;第四塊板上沒有線纜和軌旁設備,布置10組配重裝置。

(3)錨固螺栓受力檢算

為保證配重裝置在浮置板振動狀態下的穩固性和長期服役性能,更好的發揮吸振減振作用,對錨固螺栓的抗剪強度和抗拔力進行了受力檢算。

每塊膠融鋼板的質量約500kg,1組配重裝置質量為1000kg。根據現場測試結果,鋼彈簧浮置板垂向和橫向振動加速度取20m/s2。

①錨固螺栓抗剪強度

側向力F

每組鋼板采用8根M16化學錨栓固定,單根螺栓剪切力為

采用8.8級錨固螺栓,其抗剪強度=320 MPa,有

因此,錨固螺栓抗剪強度滿足要求。

②錨固螺栓抗拔力

垂向力F

每組鋼板采用8根M16螺栓固定,單根錨固螺栓承受的拉力為

本次采用的化學錨栓規格為M16,錨固深度為125mm,設計抗拔力為13kN,實際承受拉力為

因此,錨固螺栓抗拔力滿足要求。

2.2 試驗段試鋪施工

以25m鋼彈簧浮置板道床為一個施工單元,在25m范圍內,采取間隔式施工方。采用軌道車運輸配重裝置,有效作業時間為0∶30～3∶30,共計3h。

試驗段改造施工主要包括錨固件安裝和膠融鋼板的鋪設,具體工藝流程為:施工準備→既有浮置板道床鋼筋探測→確定限位座安裝孔位→水鉆鉆孔→化學劑錨固螺栓→膠融鋼板運輸→膠融鋼板鋪設→限位座安裝→線路檢查與恢復。

因改造施工是在既有運營線路上進行,前期現場調研、安全培訓、工機具加工、場外試裝等都非常重要,人員分工和施工計劃見表2。

表2 人員分工和施工計劃

3 減振降噪性能測試

為驗證配重裝置在提升既有鋼彈簧浮置板軌道減振降噪性能中發揮的作用,對隧道內振動、地面建筑物室內振動和室內二次結構噪聲進行了改造前后測試對比。

3.1 隧道內振動測試

隧道內輪軌振動的測試分別在鋼軌、道床和隧道壁布設測點,鋼軌垂向測點位于兩扣件中間處的軌底垂向;道床垂向布設2個測點,一個位于兩鋼軌中間的道床中心線上,另一個位于鋼軌外側距軌道中心線1.5m處的道床邊緣;隧道壁垂向和橫向振動測點距軌面垂直高度1.25m。

按照GB 10071—88《城市區域環境振動測量方法》,得到試驗段鋼彈簧浮置板道床改造前后隧道壁振動測點VLzmax和振動差值ΔVLzmax,為便于分析比較,將其他測點振動情況同樣列出,見表3。

表3 改造前后隧道內振動測點VLzmax對比 dB

由表3可以看出,鋼彈簧浮置板道床改造后,隧道壁垂向和橫向振動均有所減小,其中,隧道壁垂向振動減小2.73dB,橫向振動減小3.19dB,說明配重裝置在提高鋼彈簧浮置板減振效果方面效果明顯。

3.2 室內振動和二次結構噪聲測試

敏感區測點應布置在鄰近線路的建筑物或受軌道交通影響較大的建筑物,同一建筑物內的各個測點應在規定時間內同步進行測量。本次測試選擇53-6室開展室內振動和二次結構噪聲的測試,振動加速度測點設在一樓室內地面中央;二次結構噪聲的傳聲器安裝在距地面1.2m處,距墻壁水平距離應大于1.0m,且測點周圍沒有反射物。在測量過程中,測點所在房間門窗均應保持關閉。

試驗段改造前后室內振動測點VLzmax對比見表4。根據JGJT 170—2009《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量方法標準》,對改造前后室內二次結構噪聲進行對比分析,結果見表5。

表4 改造前后室內振動測點VLzmax對比 dB

表5 改造前后室內二次結構噪聲對比dB(A)

由表4、表5可知,改造后室內垂向振動減小了2.75dB,二次結構噪聲減小3.58dB(A),說明設置配重裝置的措施提高了鋼彈簧浮置板道床的減振效果,對降低建筑物內二次結構噪聲效果明顯。

4 結論

為研究配重裝置在提高鋼彈簧浮置板軌道減振降噪效果的性能,選取100m試驗段進行建模分析、方案設計和試鋪改造,并對措施試用前后的振動和噪聲進行測試評估,主要研究結論如下。

(1)隨著配重裝置質量的增加,鋼軌及浮置板的位移以及鋼軌和隧道壁的振動加速度均隨之減小。配重裝置的質量增加20%時,隧道壁最大Z振級減小3.26dB。

(2)綜合考慮結構組成、減振降噪機理、軌道動力響應等情況,推薦采用膠融鋼板措施增加配重。

(3)根據試驗段現場測試結果,增設配重裝置后隧道壁垂向振動降低2.73dB,室內振動降低2.75dB,室內二次結構噪聲降低3.58dB(A),減振降噪效果明顯。