諧振式浮軌扣件與單趾彈簧扣件減振效果對比研究

劉 博 姜 杉 董 慧

(1.北京市地鐵運營有限公司運營三分公司，102208,北京；2.北京市地鐵運營有限公司，100044,北京∥第一作者，高級工程師)

為解決軌道交通帶來的環(huán)境振動、車內(nèi)噪聲等問題，科研人員已經(jīng)研發(fā)了橡膠隔振墊、鋼彈浮置板、梯形軌枕、減振扣件等軌道。不同的減振軌道結(jié)構(gòu)及軌下基礎(chǔ)狀態(tài)會影響列車-軌道系統(tǒng)的振動響應(yīng)，進(jìn)而影響列車的安全運營。文獻(xiàn)[1]研究了GJ-Ⅲ減振扣件軌道對軌道交通高架段環(huán)境噪聲的影響。文獻(xiàn)[2]研究了地鐵軌道減振技術(shù)的分類及發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)[3]分析了地鐵多種減振軌道結(jié)構(gòu)的振動特征。文獻(xiàn)[4]分析了軸向溫度力影響下，周期離散支承鋼軌的豎向振動特性。文獻(xiàn)[5]通過實測研究了長大坡道上彈性支承塊式無砟軌道的穩(wěn)定性。

目前，針對減振軌道結(jié)構(gòu)的研究大多集中于減振性能和輪軌動力學(xué)性能，少有對扣件及軌道同時建模的力學(xué)分析與實證研究。本文采用有限元分析方法，對比單趾彈簧扣件與諧振式浮軌扣件的受力、振動模態(tài)及其減振特性。基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，采用折線圖的方式分析廣州地鐵5號線魚珠站—大沙地站區(qū)間上、下行線路諧振式浮軌扣件取代原有單趾彈簧扣件前后，在同一測點處的軌道振動情況。同時，通過周邊建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析敏感建筑物振動及二次輻射噪聲變化水平，驗證了諧振式浮軌扣件的減振效果。本文研究可為日后軌道的維護(hù)改造提供技術(shù)支持。

1 兩種扣件軌道的有限元分析

為了滿足環(huán)境振動的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,地鐵的某些區(qū)段需要采取減振措施，目前廣州地鐵廣泛應(yīng)用的是諧振式浮軌扣件和單趾彈簧扣件。為了更好地分析不同扣件的減振原理，先對上述兩種扣件進(jìn)行有限元建模分析。

1.1 單趾彈簧扣件軌道模態(tài)分析

單趾彈簧扣件是目前軌道交通行業(yè)中的常用部件，主要由彈條、膠墊、螺栓、螺母及套管等部件組成，常用于采用60 kg/m鋼軌的線路，但隨著對軌道減振降噪要求的不斷提升，其已不能完全滿足使用要求。一般而言，軌枕與軌道間不存在減振結(jié)構(gòu)，故為了簡化計算，將單趾彈簧扣件、鋼軌、軌枕看作一個計算整體。單趾彈簧扣件軌道有限元模型如圖1所示。模型設(shè)置軌道長度為15 m，扣件單元為25個，單元間距為0.725 m。

圖1 單趾彈簧扣件軌道有限元模型Fig.1 Finite element model of single toe spring fastener track

由于單趾彈簧扣件軌道結(jié)構(gòu)具有對稱性，為了簡化計算，選取整體結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行三維建模。以道床中心為對稱軸，設(shè)計道床、鋼軌的正反對稱約束，選取9個節(jié)點建立線性減縮積分單元。單趾彈簧扣件軌道有限元模型中含有32 876個實體單元，216個阻尼單元，216個彈簧單元，406 020個節(jié)點，其模型縱剖面圖如圖2所示。

圖2 單趾彈簧扣件軌道有限元模型縱剖面圖

為進(jìn)一步分析不同狀態(tài)下軌道與扣件的整體結(jié)構(gòu)振動情況，根據(jù)單趾彈簧扣件軌道參數(shù)，以1 500.00 Hz為截止頻率進(jìn)行模態(tài)分析，并選取典型模態(tài)進(jìn)行研究。在低頻區(qū)間(30.00～150.00 Hz頻段)，單趾彈簧扣件軌道結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為彎曲振動，當(dāng)?shù)湫湍B(tài)所處頻率為77.39 Hz時，其振動模態(tài)是波長為20個軌距的振動波，當(dāng)?shù)湫湍B(tài)所處頻率為145.65 Hz時，其振動模態(tài)是波長為4個軌距的振動波；在中頻區(qū)間(150.00～500.00 Hz頻段)，當(dāng)?shù)湫湍B(tài)所處頻率為192.74 Hz時，其振動模態(tài)是波長為2個軌距的振動波；在中高頻區(qū)間(500.00～5 000.00 Hz頻段)，當(dāng)?shù)湫湍B(tài)所處頻率為1 020.40 Hz時，其振動模態(tài)是波長為2個軌距的振動波。

1.2 諧振式浮軌扣件軌道的模態(tài)分析

諧振式浮軌扣件主要由彈性楔塊、緊鎖楔快、緊鎖彈條及支撐板等結(jié)構(gòu)組成，為與單趾彈簧扣件軌道進(jìn)行對比分析，同樣選擇將諧振式浮軌扣件、鋼軌、軌枕看作一個計算整體。由于諧振式浮軌扣件軌道結(jié)構(gòu)具有對稱性，為了簡化計算，選取整體結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行三維建模。以道床中心為對稱軸，設(shè)計道床、鋼軌的正反對稱約束，選取9個節(jié)點建立線性減縮積分單元。諧振式浮軌扣件軌道有限元模型中含有196 728個實體單元，76個阻尼單元，76個彈簧單元，290 600個節(jié)點，其模型縱剖面圖如圖3所示。

為進(jìn)一步分析不同狀態(tài)下軌道與扣件的整體結(jié)構(gòu)振動情況，根據(jù)諧振式浮軌扣件軌道參數(shù)，以600.00 Hz為截止頻率進(jìn)行模態(tài)分析，并選取典型模態(tài)進(jìn)行研究。在低頻區(qū)間(30.00～150.00 Hz頻段)，諧振式浮軌扣件軌道結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為彎曲振動；在中頻區(qū)間(150.00～500.00 Hz頻段)，諧振式浮軌扣件軌道結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為軌道或道床自身彎曲振動；在中高頻區(qū)間(500.00～5 000.00 Hz頻段)，當(dāng)固有頻率為554.31 Hz時，其振動模態(tài)是波長為2個軌距的小波振動，其振幅相較于單趾彈簧扣件軌道而言顯著減小。

綜上所述，諧振式浮軌扣件軌道在中頻、中高頻的抗振效果均優(yōu)于單趾彈簧扣件軌道。相較于單趾彈簧扣件軌道，諧振式浮軌扣件軌道結(jié)構(gòu)振型的波峰、波谷更加平緩，是一種較優(yōu)的扣件軌道減振結(jié)構(gòu)。

2 兩種扣件軌道的應(yīng)用效果分析

為準(zhǔn)確評估實際兩種扣件軌道的振動情況，選取廣州地鐵交通5號線魚珠站—大沙地站區(qū)間上、下行線路的整體道床進(jìn)行現(xiàn)場實測，該路段改造前采用單趾彈簧扣件軌道，改造后采用諧振式浮軌扣件軌道。

2.1 測點布設(shè)

依據(jù)GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》和JGJ/T 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(biāo)準(zhǔn)》選擇測點。當(dāng)列車經(jīng)過時，獲取鋼軌、道床、隧道壁垂直方向的振動加速度及其上方建筑物的環(huán)境振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測點布設(shè)位置選取為廣州地鐵5號線魚珠站—大沙地站區(qū)間上、下行線路，道床類型為單趾彈簧扣件普通整體道床及諧振式浮軌扣件普通整體道床，上行地段埋深均為15.3 m，下行地段埋深均為14.6 m。建筑二次噪聲測點選取為珠江村大沙西一街9棟1單元101，建筑形式為6層樓房，測試地面環(huán)境為室內(nèi)瓷磚地面。在2015年5月，分別對兩個測試斷面進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測點布設(shè)位置分別為內(nèi)側(cè)鋼軌垂向位置、外側(cè)鋼軌垂向位置、直線電機(jī)感應(yīng)板外側(cè)道床(道心)及隧道壁。

2.2 測點數(shù)據(jù)分析

為了提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、減小畸變數(shù)據(jù)帶來的誤差，選取10列車通過時的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計算。上行線路段和下行線路段，單趾彈簧扣件軌道與諧振式浮軌扣件軌道的振動加速度級在不計權(quán)下的1/3倍頻程中心頻率對比情況分別如圖4和圖5所示。

圖4 上行線路段單趾彈簧扣件軌道與諧振式浮軌扣件軌道的振動加速度級

圖5 下行線路段單趾彈簧扣件軌道與諧振式浮軌扣件軌道的振動加速度級

隧道壁的振動數(shù)據(jù)能直接反映軌道隔振器的隔振效果，依據(jù)GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》及鉛垂向最大Z振級對隧道壁振動實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最大Z振級指列車經(jīng)過測試斷面時，測得的Z振級最大值，是目前最為常用的一個評價指標(biāo)。當(dāng)列車通過測試斷面時，上行和下行隧道壁垂向測點單趾彈簧扣件普通整體道床及諧振式浮軌扣件普通整體道床的最大Z振級如表1所示。

表1 隧道壁垂向測點處兩種扣件道床的最大Z振級

根據(jù)JGJ/T 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(biāo)準(zhǔn)》，列車通過上行和下行線路時，整體道床振動取1/3倍頻程中心頻率的均值進(jìn)行分析。上行線路段和下行線路段，單趾彈簧扣件普通整體道床1/3倍頻程中心頻率處對應(yīng)的振級如圖6所示。由圖6 a)可知，單趾彈簧扣件普通整體道床1/3倍頻程中心頻率處對應(yīng)的最大振級為76.8 dB，出現(xiàn)在100.00 Hz頻段。上行線路段和下行線路段，諧振式浮軌扣件普通整體道床1/3倍頻程中心頻率處對應(yīng)的振級如圖7所示。由圖7 a)可知，諧振式浮軌扣件普通整體道床1/3倍頻程中心頻率處對應(yīng)的最大振級為68.2 dB，出現(xiàn)在100.00 Hz頻段。

圖6 單趾彈簧扣件普通整體道床1/3倍頻程中心頻率處對應(yīng)的振級

圖7 諧振式浮軌扣件普通整體道床1/3倍頻程中心頻率處對應(yīng)的振級Fig.7 Vibration level corresponding to the 1/3 octave center frequency of common monolithic track bed with resonant floating rail fastener

除上述兩種不同評價方法外，使用1.00～80.00 Hz總振級評價，即列車通過時，在1.00～80.00 Hz頻率范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)振動能量的總振級(Z計權(quán))，也是常用的評價方法之一。隧道壁垂向測點處，兩種扣件道床的總振級如表2所示。

表2 隧道壁垂向測點處兩種扣件道床的總振級

依據(jù)JGJ/T 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(biāo)準(zhǔn)》，對地面環(huán)境振動測點實測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析。在珠江村大沙西一街9棟1單元101測點處，單趾彈簧扣件普通整體道床的分頻最大振級為72.6 dB，二次結(jié)構(gòu)噪聲為47.6 dB(A)；諧振式浮軌扣件普通整體道床分頻最大振級為67.0 dB，二次結(jié)構(gòu)噪聲44.3 dB(A)。

綜上所述，在上行線路段，諧振式浮軌扣件普通整體道床隧道壁測點的垂向振動加速度比單趾彈簧扣件普通整體道床隧道壁測點的垂向振動加速度小8.2 dB；在下行線路段，二者的差值減小了7.6 dB。依據(jù)1.00～80.00 Hz總振級評價，在上行線路段，諧振式浮軌扣件普通整體道床隧道壁測點的垂向振動加速度比單趾彈簧扣件普通整體道床隧道壁測點的垂向振動加速度小10.3 dB；在下行線路段，二者的差值減小了6.1 dB。同時，在單趾彈簧扣件替換為諧振式浮軌扣件后，地鐵周圍環(huán)境振動降低了5.6 dB，二次結(jié)構(gòu)噪聲降低了3.3 dB(A)。以上試驗結(jié)果證明，諧振式浮軌扣件對減小輪軌振動、降低地鐵周圍環(huán)境振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲效果顯著。

3 結(jié)語

采用有限元分析方法，對比單趾彈簧扣件與諧振式浮軌扣件的受力、振動模態(tài)及其減振特性。以廣州地鐵5號線魚珠站—大沙地站區(qū)間上、下行線路為例，基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，采用折線圖的方式，對兩種扣件的減振效果進(jìn)行對比分析。本文主要獲得以下幾個結(jié)論：

1) 從受力結(jié)構(gòu)看，諧振式浮軌扣件軌道在中頻、中高頻的抗振效果均優(yōu)于單趾彈簧扣件軌道。相較于單趾彈簧扣件軌道，其振動波形的波峰、波谷更加平緩，是一種優(yōu)于單趾彈簧扣件軌道的減振結(jié)構(gòu)。

2) 通過廣州地鐵現(xiàn)場測試，進(jìn)一步驗證了諧振式浮軌扣件普通整體道床在抗振性能上優(yōu)于單趾彈簧扣件普通整體道床。上行線路段，諧振式浮軌扣件普通整體道床隧道壁測點的垂向振動加速度比單趾彈簧扣件普通整體道床隧道壁測點的垂向振動加速度小8.2 dB；下行線路段，二者差值減小了7.6 dB。在1.00～80.00 Hz總振級評價中，上行線路段，諧振式浮軌扣件普通整體道床隧道壁測點的垂向振動加速度比單趾彈簧扣件普通整體道床隧道壁測點的垂向振動加速度小10.3 dB；下行線路段，二者差值減小了6.1 dB。證明了諧振式浮軌扣件對輪軌振動的減弱效果顯著，具備應(yīng)用替代潛質(zhì)。

3) 將單趾彈簧扣件替換為諧振式浮軌扣件后，周圍環(huán)境振動降低了5.6 dB，二次結(jié)構(gòu)噪聲降低了3.3 dB(A)，這證明諧振式浮軌扣件可以有效降低地鐵周圍環(huán)境振動，以及施工過程中由噪聲帶來的建筑結(jié)構(gòu)損害與擾民等負(fù)面社會影響。