普速鐵路有砟軌道12號道岔環境振動實測特征及預測方法

張利，劉燕濤，李曉明，陳長君

（1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司 線路站場設計院，天津 300308；2.中國鐵路北京局集團有限公司 北京工程項目管理部，北京 100038）

0 引言

鐵路是國民經濟的大動脈，在社會主義經濟建設中發揮了重大作用。我國鐵路經過100多年發展，實現了鐵路建設的巨大飛躍。截至2020年底，我國鐵路運營里程達14.6萬km。但是，鐵路建設取得巨大發展的同時，也帶來不少問題。其中，普速鐵路環境振動問題十分突出。

國內外許多學者對鐵路和城市軌道交通引起的環境振動展開了諸多研究，并取得一定成果［1-2］。馮青松等［3］基于現場實測，對列車運行引起試車線、咽喉區、檢修線區域的振動特性差異進行分析，總結了3類區域振源的衰減規律；孫曉靜等［4］利用工程實測數據計算，得到模擬地鐵列車荷載，并建立北京地鐵4號線校準模型，較準確地對遠場低頻振動響應進行了預測；韋凱等［5］利用車輛-軌道耦合動力學及有限元譜分析技術，探討了扣件膠墊剛度和阻尼頻變性對地鐵隧道環境振動頻域分布特征的影響規律；柯文華［6］應用剛柔耦合理論和有限元理論建立了車-岔剛柔耦合模型和岔-隧有限元模型，并在此基礎上對列車過岔速度與軌道不平順對道岔區振動源強的影響規律進行了研究；Boogaard等［7］應用加速度計和應變計，測量了列車通過道岔區轍叉鋼軌時引起的動力響應，并指出2種測量方法的優點；Eum等［8］利用有限元模型預測擺式列車通過道岔系統交叉口時產生的地面振動，與常規列車相比，擺式列車引起道岔系統周圍地面振動的產生水平降低了30%以上。

現有文獻對軌道交通引起的環境振動進行了廣泛而深刻的研究，但對普速鐵路引起的環境振動問題研究較少。實際上，普速鐵路環境振動問題對沿線居民生活質量造成了一定影響，而道岔是軌道中結構最復雜、輪軌沖擊力最劇烈的部件，其環境振動也最強烈［9］。因此，通過現場測試和仿真分析，對普速鐵路有砟軌道12號道岔環境振動實測特征及預測方法進行研究，以期為普速鐵路環境振動治理提供技術支持。

1 現場振動測試

1.1 測點布置

列車過岔時，車輪在轉轍器和轍叉處對軌道的沖擊作用最強，產生的環境振動也最強。為了測量列車過岔時的環境振動數據，分別在尖軌尖端、固定轍叉心軌尖端以及距心軌尖端不同距離處布置加速度傳感器；為了進行結果對比，在正線區也布置加速度測試點。

1.2 測試結果分析

在環境振動評價中，通常以垂向計權振動加速度級作為單值評價量，即Z振級。其計算公式如下：

式中：VL為Z振級，dB；a0為基準加速度，m/s2，取10-6。

a＇rms計算如下：

式中：T為振動測試的平均時間；aw(t)為經過頻率計權的振動加速度（隨時間變化）。

在較短的時間內（1 s）進行計權，當列車通過時，測得Z振級隨時間變化的函數，該函數在選取時間范圍的最大值即為最大Z振級（VLmax）。由于人體對振動變化很敏感，采用最大Z振級評價列車振動具有較好的合理性［10］。不同位置的最大Z振級平均值見表1。

表1 不同位置的最大Z振級平均值 dB

如表1所示，列車過岔時，其道床的環境振動問題比正線區更加突出；貨車引起的道床振動大于客車。

分別測試列車通過岔心、聲屏障外7.5 m、聲屏障外20.0 m，以及距岔心不同距離時的1/3倍頻程中心頻率與振級的關系（見圖1）。如圖1所示，列車通過岔心時，貨車引起的環境振動大于客車；在岔心聲屏障外7.5 m和20.0 m，貨車引起的環境振動也大于客車。

圖1 1/3倍頻程中心頻率與振級關系

基于以上分析，以貨車通過道岔區為例，建立“車輛-道岔-有砟道床剛柔耦合模型”，通過有限元仿真進行環境振動預測研究。

2 環境振動預測模型驗證

為研究車輛通過道岔區的環境振動特性，用SIMPACK和ANSYS等軟件建立“車輛-道岔-有砟道床剛柔耦合模型”。從可操作性和結果精確性的角度出發，選取合理的環境振動預測模型，并使用ABAQUS軟件建立三維有限元-無限元環境振動預測模型，通過現場測試數據來驗證模型的正確性。

2.1 道岔模型建立

“車輛-道岔-有砟道床剛柔耦合模型”包括車輛多剛體系統、鋼軌柔性體系統、軌下結構柔性體系統3個子系統。車輛多剛體系統與鋼軌柔性體系統通過輪軌接觸模型實現耦合，鋼軌柔性體系統與軌下結構柔性體系統通過力元實現連接。道岔模型建立流程見圖2。

圖2 道岔模型建立流程

以HXD3型機車為對象，利用SIMPACK建立動力學計算模型，具體參數見表2。

表2 HXD3型機車動力學計算模型參數

12號固定轍叉型單開道岔由轉轍器、連接部分、轍叉及護軌組成。其中，尖軌長12.4 m，連接部分長16 m，轍叉趾距2 038 mm、轍叉跟距3 954 mm。在ANSYS環境下，建立鋼軌、軌枕、有砟道床的有限元模型，由于轉轍器與轍岔區的鋼軌廓形沿線路變化，因此建立鋼軌有限元模型時，需利用Beam44梁單元，該單元可模擬鋼軌截面面積、慣性矩等參數的變化。利用ANSYS分別建立鋼軌、軌下結構的有限元實體模型，再應用有限元動力子結構技術，分別對各結構的有限元模型進行處理，處理后的文件可通過SIMPACK轉換和讀取，生成各構件的柔性體模型。通過力元連接各柔性體，即可構成多柔體系統。車輛與鋼軌之間通過赫茲接觸，鋼軌與軌下結構以及軌下結構之間通過Bushing力元進行約束連接。“車輛-道岔-有砟道床剛柔耦合模型”見圖3。

圖3 車輛-道岔-有砟道床剛柔耦合模型

道岔區的鋼軌截面變化，反映了道岔結構的固有不平順，對車輛-軌道的振動有顯著影響，為準確地反映道岔鋼軌變截面特征，通過CAD提取道岔不同斷面的鋼軌廓形，可看出鋼軌截面變化（見圖4）。將其進行離散，生成prr文件輸入SIMPACK的Rail模塊，再進行插值，即可得到鋼軌廓形沿線路的真實變化。在SIMPACK剛柔耦合模型中，轉轍器與轍岔區的輪軌接觸示意見圖5。

圖4 道岔區部分變截面鋼軌

圖5 道岔輪軌接觸示意圖

2.2 環境振動模型建立

車輛的環境振動模型主要分為解析模型、半解析模型和數值分析模型［11-12］。由于“軌道-地層-建筑物”相互作用系統極其復雜、影響因素眾多，解析、半解析法無法進行復雜情況下的振動傳播預測，而數值分析法可通過合適的算法，建立接近真實狀態的仿真模型，進行特定工況組合的系統振動分析和定量預測。因此，建立數值分析模型進行仿真。

利用ABAQUS建立道床-土體有限元模型，模型沿線路總線延伸45 m，垂直于線路中心寬度55 m，土層深度10 m。對道床和土層進行建模分析時，模型前后左右側均采用無限單元邊界，模型上側的道床-地面為自由邊界，模型底部為固定邊界。有限元模型的求解頻率上限與網格尺寸相關，網格尺寸太大會導致計算頻率上限過低；網格尺寸過小會導致計算中單元數量過多，增加計算成本。因此，為提高計算效率、保證計算精度，在對模型進行網格劃分時，非無限單元區域土體的網格尺寸選擇為0.20～0.75 m，無限單元區域土體不考慮網格尺寸。該尺寸的網格劃分，可滿足環境振動分析頻率上限要求（200 Hz）。根據鉆孔資料，有限元模型土層參數見表3，建立的有限元仿真模型見圖6。

表3 有限元模型土層參數

圖6 有限元仿真模型

根據以上理論基礎，在對環境振動進行預測的過程中，利用“車輛-道岔-有砟道床剛柔耦合模型”和“道床-土體三維有限元-無限元耦合模型”進行仿真分析時，首先在“車輛-道岔-有砟道床剛柔耦合模型”中輸入軌道不平順激勵，進行耦合系統動力響應求解，并提取編組車輛運行過程中軌道軌枕支反力的時程曲線，然后將提取的軌枕力時程曲線作為激勵，輸入“三維有限元-無限元隧道-地層模型”，通過隱式動力算法進行求解，提取測試點處的加速度數據。

2.3 預測模型驗證

當列車運行速度為80 km/h，以美國5級不平順譜作為激勵，波長取0.1～50.0 m，將軌道不平順激勵作用下得到的岔心處不同衰減斷面的最大Z振級與現場測試結果進行對比驗證。在“三維有限元-無限元耦合模型”中計算得到不同岔心振動傳播過程中不同衰減斷面的1/3倍頻振級仿真結果（見圖7）。計算可得，岔心處振動最大Z振級為93.2 dB，現場測驗數據為92.5 dB，誤差僅0.7 dB，兩者結果基本吻合。

圖7 1/3倍頻程振級仿真結果

仿真結果表明，環境振動隨傳播距離的增加呈衰減趨勢（見圖8）。在岔心不同衰減斷面處，振動主頻為31.5 Hz或40.0 Hz，與現場測試所得結果接近（見表4）。綜上所述，環境振動預測模型的計算結果較精確，可為既有鐵路周邊近距離建筑物項目環境振動超標治理提供重要的理論支持。

圖8 距岔心處不同距離最大Z振級

表4 實測和仿真距岔心不同距離處振動主頻率 Hz

3 結論

通過對普速鐵路有砟軌道現場測試數據和仿真結果的分析，得出以下結論：

（1）在普速鐵路中，貨車引起的環境振動大于客車，道岔區環境振動大于正線區；

（2）現場測試數據和仿真計算結果均表明，振動隨傳播距離的增加呈不斷衰減趨勢，在距轍叉不同距離處，振動主頻率主要為31.5 Hz或40.0 Hz；

（3）仿真結果和現場測驗數據基本吻合，證明環境振動預測模型可較好地對環境振動不同距離處的環境振動強度進行預測。