鋼彈簧浮置板浸水對減振效果及振動(dòng)傳遞的影響

王建立 張 斌 王 建 陳高峰

(隔而固(青島)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司 山東青島 266108)

鋼彈簧浮置板浸水對減振效果及振動(dòng)傳遞的影響

王建立 張 斌 王 建 陳高峰

(隔而固(青島)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司 山東青島 266108)

根據(jù)某地鐵曲線地段現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，針對鋼彈簧浮置板浸水對其減振效果及振動(dòng)傳遞的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明：作為特殊減振軌道結(jié)構(gòu)，鋼彈簧浮置板能有效地衰減道床面與隧道壁之間的振動(dòng)傳遞，正常工作時(shí)加速度級最大衰減量(傳遞損失)高達(dá)44.3 dB；浸水后在10～200 Hz頻段，隨著浸水量增加，道床面的加速度級逐漸減小，隧道壁的加速度級逐漸增大，道床傳遞至隧道壁的傳遞損失值逐漸減小，單側(cè)浸水測試斷面?zhèn)鬟f損失值減小至25～35 dB，兩側(cè)浸水測試斷面?zhèn)鬟f損失值則降至10～25 dB；正常浮置板、單側(cè)浸水及兩側(cè)浸水測試斷面道床面至隧道壁的垂向傳遞函數(shù)值基本范圍分別為0～0.01、0.01～0.05和0.04～0.3，依次呈增大趨勢。這說明，作為振動(dòng)傳導(dǎo)體，水對10～200 Hz頻段的振動(dòng)傳遞影響顯著。

地鐵；振動(dòng)控制；浮置板；浸水；測試；加速度級；傳遞損失

1 研究背景

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，擾民問題日趨明顯，北京地鐵西單車站附近的居民，曾經(jīng)就地鐵造成的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲問題進(jìn)行過投訴[1]。鋼彈簧浮置板作為一種有效的減振軌道形式，在高等和特殊減振地段得到了大量的使用，在北京、上海、廣州等城市的軌道交通中均有應(yīng)用，而且減振效果良好。

由于隧道建設(shè)于土體中破壞了地下水流原有的規(guī)律，容易產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象，因此滲漏水被建筑業(yè)界稱為隧道工程的第一大頑疾，在隧道工程界流傳著“十隧九漏”的說法。鋼彈簧浮置板軌道作為特殊減振軌道結(jié)構(gòu)布置于隧道中，在長期大量的使用中，可能會有浸水現(xiàn)象發(fā)生。為分析鋼彈簧浮置板浸水對其減振效果的影響，筆者對某地鐵曲線地段鋼彈簧浮置板浸水段進(jìn)行了實(shí)測分析。

筆者根據(jù)某地鐵曲線地段鋼彈簧浮置板的振動(dòng)測試，對浸水段浮置板與正常浮置板的減振效果進(jìn)行對比分析。

2 鋼彈簧浮置板簡介

圖1 浮置板系統(tǒng)

浮置板隔振系統(tǒng)是由整塊鋼筋混凝土板和支撐它的鋼彈簧隔振器組成，構(gòu)成質(zhì)量-彈簧隔振系統(tǒng)，如圖1所示。架設(shè)軌道的鋼筋混凝土板與基礎(chǔ)間有30～40 mm的間隙，列車在浮置板軌道上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)透過隔振器的衰減，振動(dòng)響應(yīng)明顯減弱，其基本原理就是在軌道和基礎(chǔ)間插入一個(gè)一階固有頻率遠(yuǎn)低于主要激振頻率的隔振器，借以減少傳入基礎(chǔ)的振動(dòng)量，這是減小向下部結(jié)構(gòu)傳振和傳聲的最有效方法。

浮置板浸水后，水侵占板下空間，板下間隙的介質(zhì)由空氣變?yōu)樗?，在其他條件相同的情況下，物體在水中運(yùn)動(dòng)遇到的阻力比在空氣中大很多，水會對列車經(jīng)過時(shí)道床的振動(dòng)產(chǎn)生影響；同時(shí)，水作為振動(dòng)傳導(dǎo)體，傳導(dǎo)振動(dòng)的能力比空氣強(qiáng)很多，將道床振動(dòng)傳至基底，會影響浮置板減振效果。

3 測試儀器及測點(diǎn)布置

現(xiàn)場測試采用LMS SCADAS Mobile SCM01采集系統(tǒng)(8通道)，PCB 333B50 ICP高靈敏度加速度傳感器，其指標(biāo)為：靈敏度105.8 mV/(m/s2)，量程為±5 g，頻率范圍為0.5～3 000 Hz，溫度范圍為-18～66 ℃。測試儀器及傳感器見圖2。

測試地段為曲線，半徑為370 m，隧道形式為盾構(gòu)，采用60 kg/m鋼軌，DTⅥ2扣件，列車為5節(jié)編組(B型車)，3動(dòng)2拖。測試時(shí)布置3個(gè)測試斷面：正常浮置板斷面、單側(cè)浸水?dāng)嗝?、兩?cè)浸水?dāng)嗝?。測試斷面測點(diǎn)布置見圖3，隧道壁測點(diǎn)距鋼軌頂面垂直距離為1.25 m，板面測點(diǎn)位于線路中心線上。測試段浮置板浸水如圖4所示，直線地段浮置板無橫向傾斜，發(fā)生浸水現(xiàn)象一般為整體浸水(與曲線地段兩側(cè)浸水現(xiàn)象類似)。

4 實(shí)測分析

4.1 時(shí)域分析

現(xiàn)場實(shí)測時(shí)，3個(gè)測試斷面分別采集多組列車的過車振動(dòng)數(shù)據(jù)，為消除隨機(jī)干擾，提取其中10組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖5～圖7為3個(gè)測試斷面典型振動(dòng)的加速度響應(yīng)時(shí)程曲線，10組樣本加速度峰值的平均值見表1。

圖2 測試儀器與傳感器

圖3 測點(diǎn)布置(測試豎向振動(dòng))

圖4 測試段浮置板浸水

圖5 正常浮置板測試斷面振動(dòng)典型時(shí)程

圖6 單側(cè)浸水測試斷面振動(dòng)典型時(shí)程

圖7 兩側(cè)浸水測試斷面振動(dòng)典型時(shí)程

斷面道床面/m·s-2隧道壁/m·s-2正常浮置板測試斷面4.760.04單側(cè)浸水測試斷面4.390.23兩側(cè)浸水測試斷面1.480.28

對比各測試斷面振動(dòng)加速度響應(yīng)，主要得出以下結(jié)論：

1) 由加速度響應(yīng)時(shí)程曲線與地鐵列車長度簡單推導(dǎo)，列車運(yùn)行速度約60 km/h，3個(gè)測試斷面運(yùn)行速度基本一致。

2) 各測試斷面道床面振動(dòng)加速度峰值均值分別為4.76 m·s-2(正常浮置板測試斷面)、4.39 m·s-2(單側(cè)浸水測試斷面)和1.48 m·s-2(兩側(cè)浸水測試斷面)，隨著浸水量的增加，加速度峰值逐漸減小。正常浮置板在過車振動(dòng)時(shí)受到隔振器及兩端剪力鉸的約束，而浸水后，水對浮置板的振動(dòng)也有一定的約束作用，導(dǎo)致過車時(shí)隨著浸水量增加，板面振動(dòng)減小。

3) 各測試斷面隧道壁振動(dòng)加速度峰值均值分別為0.04 m·s-2(正常浮置板測試斷面)、0.23 m·s-2(單側(cè)浸水測試斷面)和0.28 m·s-2(兩側(cè)浸水測試斷面)，隨著浸水量的增加，加速度峰值逐漸增大。

4) 正常浮置板對列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)衰減作用明顯。隨著浸水量的增加，道床面振動(dòng)減小，隧道壁振動(dòng)卻在增大，說明由道床傳遞至隧道壁的振動(dòng)量增加了。

5) 隨著浮置板浸水量的增加，振動(dòng)衰減量逐漸減小，說明水作為振動(dòng)傳導(dǎo)體，對振動(dòng)傳遞起著較大作用。因此為防止浮置板減振效果降低，應(yīng)避免浮置板浸水。

4.2 頻域分析

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

式中，arms為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，一般取為10-6m/s2。

將同一測試斷面道床面和隧道壁振動(dòng)加速度進(jìn)行對比，分析振動(dòng)響應(yīng)在頻域內(nèi)的傳遞特性，如圖8所示。圖9為各測試斷面?zhèn)鬟f損失曲線。

圖8 測試斷面

圖9 各測試斷面的傳遞損失

通過對比，可以得出以下結(jié)論：

1) 各測試斷面道床面振動(dòng)加速度級最大值分別為116.2 dB(正常浮置板測試斷面)、111.0 dB(單側(cè)浸水測試斷面)和108.9 dB(兩側(cè)浸水測試斷面)，隧道壁振動(dòng)加速度級最大值分別為：78.0、82.8、95.0 dB，均出現(xiàn)在50～80 Hz的頻段。浮置板浸水后，隨著浸水量的增加，在10～200 Hz的頻段，道床面振動(dòng)加速度級逐漸減小，隧道壁振動(dòng)加速度級逐漸增大。說明水對浮置板振動(dòng)的約束，對10 Hz以上頻段的約束效果明顯，對10 Hz以下頻段的影響不明顯。

2) 正常浮置板、單側(cè)浸水和兩側(cè)浸水測試斷面振動(dòng)響應(yīng)在10 Hz以內(nèi)的頻段，道床面至隧道壁傳遞損失值相對比較接近，基本為25～35 dB；對10 Hz以上的頻段，浸水?dāng)嗝鎮(zhèn)鬟f損失值減小趨勢明顯，正常浮置板測試斷面?zhèn)鬟f損失值基本在40 dB以上，單側(cè)浸水測試斷面?zhèn)鬟f損失值減小至25～35 dB，兩側(cè)浸水測試斷面?zhèn)鬟f損失值則降至10～25 dB。

3) 浮置板浸水后，水作為振動(dòng)傳導(dǎo)體，對10 Hz內(nèi)的低頻振動(dòng)衰減效果影響較小，對10～200 Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)衰減影響較大。隨著浮置板浸水量增加，浮置板對列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)衰減作用逐漸減弱，而且頻率越高，減弱趨勢越快。

4) 對于10 Hz以上的頻段，隨著浸水量的增加，道床面加速度級逐漸減小，隧道壁加速度級逐漸增大，道床傳遞至隧道壁的振動(dòng)量逐漸增大。表明水作為振動(dòng)傳導(dǎo)體，對10～200 Hz頻段的振動(dòng)傳遞量影響顯著，對10 Hz以內(nèi)頻段的影響沒有明顯規(guī)律。

由于3個(gè)測試斷面在同一區(qū)間、同一段的連續(xù)浮置板上，除了浸水條件不同外，其他條件如列車運(yùn)行速度、埋深、隧道結(jié)構(gòu)等條件基本一致。以正常浮置板段隧道壁振動(dòng)為基準(zhǔn)，通過對比3個(gè)測試斷面隧道壁振動(dòng)加速度級，可以較準(zhǔn)確地分析出浸水對浮置板減振效果的影響，如圖10所示。

圖10 各測試斷面隧道壁振動(dòng)加速度級對比

由圖10可以看出：

1) 單側(cè)浸水段浮置板相對于正常浮置板的減振效果在整個(gè)分析頻段內(nèi)均有所減小，相對減振效果在中心頻率為50 Hz頻段處的損失最大，為11.9 dB。

2) 兩側(cè)浸水段浮置板在10 Hz以內(nèi)的振動(dòng)加速度級與正常段基本一致，在10～200 Hz頻段，相對于正常浮置板減振效果明顯減弱，相對減振效果在中心頻率為50 Hz頻段處損失最大，為19.0 dB。

3) 在10 Hz以上，隨著浮置板浸水量的增加，隧道壁振動(dòng)加速度級不斷增加，浮置板減振效果不斷減弱。在10 Hz內(nèi)，浸水對浮置板減振效果的影響沒有明顯的規(guī)律，仍有待進(jìn)一步研究分析。

4.3 傳遞函數(shù)

振動(dòng)的傳遞規(guī)律與隧道結(jié)構(gòu)、軌道形式、幾何尺寸、圍巖特性以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性等諸多因數(shù)有關(guān)，是結(jié)構(gòu)的固有特性。傳遞函數(shù)是結(jié)構(gòu)固有特性的一種模型描述方式[7]。傳遞函數(shù)是系統(tǒng)輸入與輸出之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)，其形式為

(2)

式中,H(ω)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，表示系統(tǒng)的頻率特性；X(t)和Y(t)分別為系統(tǒng)的輸入與輸出；X(ω)和Y(ω)為系統(tǒng)的輸入與輸出的傅里葉變換。

對于浮置板測試體系，選取板面測點(diǎn)的振動(dòng)加速度響應(yīng)作為輸入，選取隧道壁測點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)作為輸出，計(jì)算3個(gè)測試斷面的傳遞函數(shù)，如圖11所示。

圖11 道床面至隧道壁垂向傳遞函數(shù)

由圖11可以看出，在10 Hz以內(nèi)的頻段，3個(gè)測試斷面至隧道壁的垂向傳遞函數(shù)值相差不大，變化較小，均在0～0.03范圍內(nèi)。在10～200 Hz的頻段，隨著浮置板浸水量的增加，傳遞函數(shù)值逐漸增大，正常浮置板測試斷面，傳遞函數(shù)值的范圍為0～0.01；單側(cè)浸水測試斷面，傳遞函數(shù)值范圍為0.01～0.05；兩側(cè)浸水測試斷面，傳遞函數(shù)值基本在0.04～0.3之間?？梢?，浮置板兩側(cè)浸水后，傳遞函數(shù)值大大增加，說明浸水對浮置板的傳遞特性影響明顯。

以上正常浮置板傳遞函數(shù)值范圍與文獻(xiàn)[6]實(shí)驗(yàn)研究分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了測試結(jié)果的正確性與合理性。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

通過對某地鐵浮置板的實(shí)測分析，主要得出以下結(jié)論：

1) 鋼彈簧浮置板作為特殊減振軌道結(jié)構(gòu)，能有效地衰減道床面與隧道壁之間的振動(dòng)傳遞。加速度級最大衰減量可達(dá)44.3 dB。

2) 隨著浸水量的增加，在10～200 Hz頻段，道床面振動(dòng)加速級逐漸減??；隧道壁振動(dòng)加速度級逐漸增大。水作為異于空氣的介質(zhì)，對浮置板振動(dòng)有一定的約束作用，同時(shí)傳遞板面振動(dòng)至隧道壁，板面至隧道壁的垂向傳遞函數(shù)值也隨著浸水量的增加而增大。

5.2 建議

1) 做好浮置板排水工作，防止板下積水。

2) 當(dāng)浮置板浸水時(shí)及時(shí)查明原因排除積水，保證浮置板段排水通暢；同時(shí)，對浮置板進(jìn)行相應(yīng)檢查，查看隔振器阻尼液是否有泡水溢出現(xiàn)象，如受到影響應(yīng)及時(shí)更換隔振器。

3) 盡量提升浮置板段的排水能力，如加寬加深水溝，利用下游普通道床地段設(shè)置坡度差，排除基底水溝內(nèi)的積水，保證鋼彈簧浮置板道床的正常工作。

(編輯：郝京紅)

Impact on Vibration Control Effect and Vibration Transmission When Steel Spring Floating Slab Track Is Soaked in Water

Wang Jianli Zhang Bin Wang Jian Chen Gaofeng

(GERB (Qingdao) Structural Design CO., Ltd., Qingdao，Shandong 266108)

Based on the measured data from metro curve, we analyze the impact on vibration control effect and vibration transmission while the steel spring floating slab track (SSFST) is soaked in water. The result shows that: SSFST as a special vibration control structure can effectively attenuate vibration transmission between the track bed and the tunnel wall, the maximum attenuation (transmission loss) of vibration acceleration level (VAL) is up to 44.3 dB when SSFST works normally; When SSFST is soaked within the frequency range from 10 to 200 Hz, the VAL of track bed gradually decreased, while the VAL of tunnel wall increased with the increasing of soaking water, the transmission loss from track bed to tunnel wall decreased, the value of transmission loss for one-side soaked testing section decreased to 25～35 dB and 10～25 dB for two-sides one; Vertical transfer function values of normal SSFST, one-side and two-sides soaked testing section are increased in sequence with the respective basic range of 0～0.01, 0.01～0.05 and 0.04～0.3, which shows that water as a vibration conductor has a significant effect on vibration transmission within the frequency range from 10 to 200Hz.

metro; vibration control; steel spring floating slab track; soaked in water; test; vibration acceleration level; transmission loss.

王建立，男，總經(jīng)理，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事噪聲振動(dòng)控制研究，wang.jianli@gerb.com.cn

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