浮置板軌道減振性能及平穩(wěn)性分析*

井恒法++孫曉靜

摘要：浮置板軌道因其具有自振頻率低、減振效果好等優(yōu)點，在近幾年中，被成功應用到我國的城市軌道交通系統(tǒng)中。簡要分析了浮置板軌道的隔振原理，對其分類和應用等進行了評述，并根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)重點分析了浮置板軌道的減振性能和平穩(wěn)性，為軌道交通的減振設計提供參考。

關鍵詞：浮置板軌道；減振；平穩(wěn)性；城市軌道交通

中圖分類號：U213.2文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）08－0107－03

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，其引起的振動和噪聲問題得到國內外的關注，如何采用有效的減振降噪措施來降低振動對環(huán)境的影響成為了熱點問題之一。浮置板軌道隔振措施在國外有幾十年的歷史，得到了廣泛的應用，在近幾年，被成功應用到了我國的城市軌道交通系統(tǒng)。在目前的減振措施中，浮置板軌道的減振效果最好，可達20～40 dB。根據(jù)不同的分類方法，簡述了浮置板軌道的種類和應用情況，運用動力學原理分析了浮置板軌道的隔振原理，詳細介紹了浮置板軌道在國內外應用的實例和減振降噪實測結果，并得出結論，認為浮置板軌道結構是一種高效的減振降噪措施，具有廣闊的發(fā)展前景。

隨著城市化建設步伐的加快和城市人口的持續(xù)增加，城市交通擁堵問題已經成為了大多數(shù)城市面臨的難題。而軌道交通具有便捷、安全、大運量等優(yōu)點，成為了解決這一問題的重要手段。但是，在軌道交通車輛運行過程中，會產生振動，而這種振動經由隧道壁（或橋墩、路基）、土層傳遞至附近的建筑物內，引發(fā)建筑物的二次振動，對周邊居民的工作和生活、精密儀器設備的使用、建筑物和古代建筑物都產生了不容忽視的影響，所以，必須在軌道交通設計施工階段采取合理的減隔振手段進行處理。

在常用的減隔振措施中，浮置板軌道具有自振頻率低、減振效果好等優(yōu)點，尤其是鋼彈簧浮置板軌道，其自振頻率最低可降至4～7 Hz，隔振量可達25～40 dB，是目前減振效果最好的措施。1965年，浮置板軌道在德國首次使用，隨后在國際上被廣泛應用。在國內，廣州地鐵1號線首次使用了橡膠浮置板軌道，北京地鐵13號線首次使用鋼彈簧浮置板軌道，而其在盾構隧道中的首次應用是上海地鐵4號線。目前，國內軌道交通減振要求特別嚴格的地段都大量使用了浮置板軌道。

1浮置板軌道隔振原理

浮置板隔振軌道結構利用浮置板質量慣性來平衡列車運行引起的動荷載，從而達到減振的目的，僅有少量沒有被平衡的動荷載和靜荷載傳到了路基或隧道結構上。

根據(jù)單自由體系的隔振原理，只有當激振頻率大于 倍的自振頻率時，隔振系統(tǒng)才會起作用，如圖1所示。因此，隔振設計的原則是降低振動系統(tǒng)的固有頻率，固有頻率為：

. （1）

式（1）中：f0——固有頻率；

K——隔振器的剛度；

M——浮置板的質量。

從式（1）中可以看出，降低浮置板系統(tǒng)固有頻率一般有兩種方法：增加浮置板的質量M；減小隔振器的剛度K. 對橡膠支座浮置板道床，通常采用增加浮置板厚度和重級配混凝土的辦法降低自振頻率；對鋼彈簧浮置板來說，由于彈簧剛度的可設計性強，所以，鋼彈簧浮置板還可以通過減小彈簧剛度來降低自振頻率，因此，鋼彈簧浮置板的固有頻率可以設計得比橡膠支撐浮置板低，那樣減振效果就會更好。

2浮置板軌道的分類

目前，國內外使用的浮置板軌道按照支撐條件不同主要分為橡膠支座浮置板軌道和鋼彈簧浮置板軌道兩種，另外，還有縱向浮置板和橡膠墊整體浮置板軌道等型式。

2.1橡膠支座浮置板軌道

橡膠支座浮置板軌道按照橡膠支撐方式可分為整體支撐、線形支撐、點支承式3種，如圖2所示。整體支承可以將地鐵或輕軌等振動頻率降至15 Hz以下，其減振效果可高達20 dB，在瑞士、法國、西班牙、意大利等國家的地鐵中被采用。線性支承軌道結構的固有頻率較低，其減振效果約為25 dB，在德國的地鐵中被采用。點支承式軌道結構的固有頻率低，減振效果約為30 dB，在德國、美國、加拿大等國使用，我國的香港、廣州和深圳地鐵中也采用了這項技術。

圖1隔振原理示意圖（傳遞率與頻率比的關系）

a. 整體表面支承 b. 線性支承 c. 點支承式

圖2橡膠支座浮置板的三種支撐方式

2.2鋼彈簧浮置板軌道

由于鋼彈簧浮置板軌道隔振效果最好，因此，適用于線路從建筑物下面或附近通過或建筑物隔振要求較高的區(qū)域，比如研究機構、醫(yī)院、博物館和音樂廳等場所。目前，幾十個有軌道床和60多座鄰近建筑（包括多座音樂廳）都采用了這種方法，隔振效果十分理想，比如德國柏林地鐵、科隆地鐵、法蘭克福

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＊ ［基金項目］高等學校博士學科點專項科研基金（編號：20110009120023）

—曼茵茨國際機場樓頂快速客運系統(tǒng)、倫敦DLR Lewisham地鐵延長線的居民樓下隧道等。采用螺旋鋼彈簧的浮置板軌道，結構固有頻率可降4～8 Hz，可用于低頻振動要求嚴格的區(qū)域。

2.3縱向浮置板軌道

縱向浮置板軌道被應用在了莫斯科基輔地鐵中，效果很好。與普通木枕線路相比，在16～63 Hz的頻率范圍內，這種軌道結構的減振效果為10～16 dB，減振墊板厚度的調整量可達±10 mm，但是在國內還未有使用實例。

2.4減振墊浮置板軌道

減振墊浮置板軌道在深圳地鐵某號線進行了應用，結構型式如圖3所示，即在隧道底板回填混凝土完成凹形的浮置板軌道基礎上滿鋪減振墊。由于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)受隧道埋深、車速、土層等條件的影響，因此，實測減振效果差異較大。根據(jù)深圳地鐵某號線的實測數(shù)據(jù)可知，減振墊浮置板軌道的減振效果為10.4～27.5 dB。

圖3橡膠墊整體浮置板軌道

3浮置板軌道減振效果實測分析

由于浮置板軌道在國內已被廣泛應用，所以，針對浮置板的減振效果，也作了相應的現(xiàn)場測試，下面用幾個實例對其減振效果進行分析。

3.1上海地鐵某號線鋼彈簧浮置板軌道振動測試

上海地鐵某號線在環(huán)境振動要求嚴格的路段安裝了浮置板軌道，選取了鞍山六村裝有浮置板路段和西藏北路整體道床路段為測試斷面，采集了列車通過時的地面振動響應數(shù)據(jù)進行對比、分析，地面振動加速度頻譜見圖4、圖5，Z振級統(tǒng)計結果見表1.

圖4地鐵通過鞍山六村（鋼彈簧浮 圖5地鐵通過上海西藏北路路段（整

置板）時地面振動加速度頻譜 體道床）時地面振動加速度頻譜

表1兩個地段Z振級數(shù)據(jù)對比（dB）

頻率 /Hz

地段 31.5 63 125 250

鋼彈簧浮置板區(qū)段 61.4 64.8 42.1

整體道床區(qū)段 86.1 88.1 65.8

從表1中可以看出，鋼彈簧浮置板對地鐵的振動衰減作用十分明顯，隔離了大量的激振頻率能量，但是，還有少量的激振頻段的能量傳入地面。

3.2深圳地鐵某號線橡膠墊浮置板軌道振動測試

為了最大限度地減小對周圍居民生活的影響，深圳地鐵某號線采用了包括整體道床在內的7種軌道型式，其中包括中檔鋼彈簧浮置板、高等級鋼彈簧浮置板和橡膠墊浮置板3種浮置板軌道。測試選取了世界之窗—僑城北站區(qū)間（高等級鋼彈簧浮置板和整體道床軌道）、僑香—香蜜站區(qū)間（中檔鋼彈簧浮置板和整體道床軌道）、僑香站后區(qū)間（橡膠墊浮置板和整體道床軌道）進行測試。通過減振軌道（即3種浮置板軌道）和對比軌道（即整體道床軌道）側墻Z振級的比較，分析浮置板軌道的減振效果，結果如圖6、圖7、圖8所示。

從測試結果中可以看出：

中檔鋼彈簧浮置板軌道：在高于35 Hz的頻段發(fā)揮減振作用；在低于35 Hz的頻段，鋼彈簧浮置板受到其巨大質量產生低階自振周期的影響，減振效果不明顯，且在其固有頻率附近存在局部放大效應。

橡膠墊浮置板軌道：除了在10 Hz附近出現(xiàn)局部放大效應外，全頻段范圍內的Z振級均低于普通整體道床，具有減振效果，并且在35 Hz以上的頻段減振效果明顯。

高等級彈簧浮置板軌道：在25 Hz以上的頻段，減振效果開始逐漸明顯；在63 Hz附近，達到峰值；在10 Hz左右，曲線出現(xiàn)一個凸起峰值效應，這是由于接近結構一階自振頻率而產生的共振局部放大效應。

另外，綜合其他減振測試斷面結果，可以得到實測側墻減振效果：中檔鋼彈簧浮置板為15.03 dB；高等級鋼彈簧浮置板軌道為17.0～192 dB；橡膠墊浮置板軌道為10.4～27.5 dB。

圖6中等級鋼彈簧浮置板軌道圖7橡膠墊浮置板軌道與整體

與道床軌道側墻Z振級整體道床軌道側墻Z振級

圖8高等級鋼彈簧浮置板與整體道床軌道側墻Z振級

4浮置板軌道平穩(wěn)性實測分析

為了獲得更高的減振效果，浮置板軌道系統(tǒng)會降低道床垂向剛度，有可能會對車輛的動力學性能產生影響。為此，專門對成都地鐵某號線列車經過浮置板道床和普通整體道床時車輛振動性能進行了測試。測試線路車速為55～60 km/h，浮置板軌道的曲線半徑在350～500 m，整體道床曲線半徑為400～450 m。根據(jù)GB 5599—85的規(guī)定，對振動頻率為20 Hz以下的所有頻譜進行計算，求其平穩(wěn)性指標，結果如表2所示。

表2列車經過不同線路時，車輛的平穩(wěn)性指標

道床情況 普通整體道床

（直線） 普通整體道床

（曲線） 浮置板軌道

（曲線P1-2） 浮置板軌道

（曲線P3）

垂向 1.95 1.90 2.04 1.79

橫向 1.71 1.87 2.00 1.71

從表2中可以看出，列車在普通整體道床直線段、曲線段和兩段浮置板上運行時，車輛的平穩(wěn)性指標都屬于優(yōu)級。這說明，在所測試的運行速度下，列車運行性能是滿足要求的，而且距離《地鐵車輛通用技術條件》（GB 7928—2003）規(guī)定的限