溫州市域鐵路S1線減振扣件減振性能試驗研究

羅 偉,李秋義,張世杰,楊尚福

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063; 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室,武漢 430063)

溫州市域鐵路S1線(以下簡稱“S1線”)西起甌海區潘橋鎮，東至靈昆半島二站，全長53 km，線路經過甌海、鹿城、龍灣等人口稠密地區，加之后期配套物業開發較多，對軌道減振有著較高要求，根據環評報告，S1線需要鋪設中等減振扣件共計約48單線公里[1-3]。S1線設計速度目標值為120 km/h，較地鐵設計速度高，其運營車輛為市域D型動車組，軸重達17t，因此，S1線在運營模式、荷載特征等方面與地鐵存在較大的差異。在S1線建設過程中，中等減振地段所用減振扣件在繼承地鐵中等減振扣件成熟技術的同時，進行了系統的改進和優化研究[4-5]。

溫州市域鐵路S1線是“國家戰略新興產業示范工程”，承擔了市域鐵路先行先試、示范引領、復制推廣的功能[4-8]，在S1線試運行期間，筆者所在的研究團隊對S1線減振扣件的減振性能進行了測試分析，以期為我國市域鐵路減振設計提供技術參考。

1 S1線減振扣件設計概況

根據市域鐵路運量大、速度快、軸重大的特點，結合國內外地鐵減振扣件的設計和運營經驗，S1線設計了新型的減振扣件，通過軌下彈性墊板和中間彈性墊雙層彈性元件實現扣件減振，由上、下彈性墊合理的剛度分配達到減振效果，扣件系統設計靜剛度為(17±3) kN/mm。為增強運營維護中與普通地段扣件的通用性和互換性，S1線減振扣件在彈條、預埋套管、螺旋道釘及與軌枕的接口等方面保持了與普通地段扣件(WJ-7B扣件)一致性。如圖1所示。

圖1 現場組裝的S1線減振扣件

2 現場測試

2.1 斷面概況

S1線減振扣件主要鋪設于橋梁地段，橋上采用了無底座雙塊式無砟軌道[6-11]，自上而下由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板等組成，結構高度為560 mm，如圖2、圖3所示。

圖2 S1線橋上新型無底座雙塊式無砟軌道橫斷面

圖3 S1線橋上雙塊式無砟軌道

結合減振扣件鋪設地段、線路、行車、橋梁等設計資料，選取了6個斷面開展現場測試，分成3組典型工況對比試驗，各斷面概況見表1。其中，第1組試驗評估的工況為：半徑700 m的小半徑曲線地段，行車速度約85 km/h；第2組試驗評估的工況為：半徑700 m的小半徑曲線地段，行車速度105～110 km/h；第3組試驗評估的工況為：半徑6 000 m的大半徑曲線地段，行車速度75～80 km/h。

表1 各測試斷面概況

2.2 測點布置

本研究測試內容為橋梁梁面垂向加速度，測點布置于兩線之間中間處的梁面，如圖4所示。

圖4 垂向加速度測點布置示意(單位：m)

2.3 測試儀器

數據采集和存儲采用24位精度智能信號采集儀。傳感器采用INV9828型中低頻加速度傳感器，頻響范圍0.2～2 500 Hz，量程為10g，分辨率為0.000 4 m/s2。所用加速度傳感器經第三方檢測機構檢定為合格品。梁面振動傳感器安裝現場見圖5。

圖5 梁面振動傳感器安裝現場

2.4 數據采集概況

現場測試基于S1線正常運營條件開展，線路開行列車為市域D型車，4節編組，車輛軸距2.5 m，軸重17 t，測試期間各斷面扣件系統現場組裝狀態完好無異常。各測試斷面采集到的加速度信號樣本數見表2。

表2 各斷面加速度信號樣本數 組

2.5 測量量

對標HJ453—2018《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》、GB10070—88《城市區域環境振動標準》、GB10071—88《城市區域環境振動測量方法》，測量量采用列車通過過程中Z振級VLz的最大值，即VLzmax，如圖6所示。分析的頻率范圍1～80 Hz，計權因子采用ISO2631/1—1985《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第一部分 一般要求》規定的全身Z計權因子，見表3。

圖6 列車通過過程中Z振級VLz時程曲線

表3 ISO2631/1—1985規定的Z計權因子

針對一個過車事件的振動加速度數據，將其劃分為若干個1 s長度的數據段落(可考慮一定的重疊系數)，計算每一段落數據Z振級VLz的方法詳述如下。

對振動加速度數據時程數據做傅里葉變換，找出各中心頻率對應頻帶內的振動分量，對找出的振動分量做傅里葉逆變換，進而可按式(1)求得各中心頻率對應的加速度有效值aw。

(1)

式中，aw(t)為頻率位于某一中心頻率對應頻帶內的加速度數據；T為測量時間長度。

進一步地，Z振級VLz計算公式為

(2)

式中，Wj為第j個中心頻率對應的計權因子；awj為第j個中心頻率對應頻帶內的加速度有效值；a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。

減振扣件減振效果Δ的計算公式如下

Δ=VLzmax1-VLzmax2

(3)

式中，VLzmax1為普通軌道地段列車通過過程中Z振級VLz的最大值；VLzmax2為減振扣件地段列車通過過程中Z振級VLz的最大值。

3 測試結果分析

3.1 典型時程數據

現場獲取的梁面垂向加速度典型時程數據(以第3組試驗普通軌道與減振扣件斷面數據樣本為例)如圖7所示，可以看出，相較普通軌道斷面，列車通過時刻減振扣件斷面的梁面垂向加速度幅值顯著減小，最大值從1.1g減小至0.3g，減小約73%。

圖7 梁面垂向加速度典型時程數據樣本

3.2 第1組試驗減振效果

列車經過時刻，斷面1與斷面2梁面垂向加速度級頻域分布對比如圖8所示。第1組試驗中，相較普通軌道，采用減振扣件后35 Hz以下的頻段內梁面垂向加速度級有所放大，35 Hz以上為減振扣件的有效減振頻段，35～80 Hz范圍內梁面分頻振級較普通軌道最大減小19.9 dB，對應頻率63 Hz。

圖8 斷面1、斷面2梁面垂向加速度級頻域分布曲線

采用奈爾(Nair)檢驗法等常用的異常數據識別方法剔除離群數據[12-16]，取有效數據樣本的均值，斷面1、斷面2梁面VLzmax計算值見表4，在第1組試驗對應的工況下，減振扣件減振效果的測試結果為5.0 dB。

表4 斷面1、斷面2梁面VLzmax計算值

3.3 第2組試驗減振效果

列車經過時刻，斷面3與斷面4梁面垂向加速度級頻域分布對比如圖9所示。第2組試驗中，相較普通軌道，采用減振扣件后35 Hz以下的頻段內梁面垂向加速度級有所放大，35 Hz以上為減振扣件的有效減振頻段，35～80 Hz范圍內梁面分頻振級較普通軌道最大減小20.8 dB，對應頻率63 Hz。

圖9 斷面3、斷面4梁面垂向加速度級頻域分布曲線

斷面3、斷面4梁面VLzmax計算值見表5，在第2組試驗對應的工況下，減振扣件減振效果的測試結果為5.2 dB。

表5 斷面3、斷面4梁面VLzmax計算值

3.4 第3組試驗減振效果

列車經過時刻，斷面5與斷面6梁面垂向加速度級頻域分布對比如圖10所示。第3組試驗中，相較普通軌道，采用減振扣件后42 Hz以下的頻段內未見顯著的減振效果，該范圍內局部頻率梁面垂向加速度級有所放大，42 Hz以上為該減振扣件的有效減振頻段，42～80 Hz范圍內梁面分頻振級較普通軌道最大減小18.8 dB，對應頻率63 Hz。

圖10 斷面5、斷面6梁面垂向加速度級頻域分布曲線

斷面5、斷面6梁面VLzmax計算值見表6，在第3組試驗對應的工況下，減振扣件減振效果的測試結果為6.0 dB。

表6 斷面5、斷面6梁面VLzmax計算值

4 結論

溫州市域鐵路S1線中等減振地段鋪設了減振扣件，通過選取典型斷面開展試驗研究，得出主要結論如下。

(1)S1線減振扣件的減振效果實測結果為5～6 dB，其有效減振的起始頻率范圍為35～42 Hz。35～80 Hz范圍內，減振扣件地段梁面分頻振級較普通軌道地段最大減小18～21 dB，對應頻率為63 Hz。

(2)小半徑曲線地段，35 Hz以下的低頻振動減振扣件斷面較普通軌道斷面存在顯著放大，鑒于線路兩側建筑物的自振頻率一般為低頻，建議加強減振扣件地段低頻振動誘因(如軌面長波不平順)的核查和管理，減小低頻振動向外傳播對沿線建筑物的影響。

(3)行車速度、線路直曲線要素對梁面VLzmax及減振扣件減振效果的影響顯著，因此，在軌道減振產品性能后評估項目中，應充分考慮行車速度、線路直曲線要素特征，合理設置測試工況、斷面。