重載鐵路列車運行引起的環(huán)境振動試驗分析

陳迎慶

（中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

重載鐵路列車運行引起的環(huán)境振動試驗分析

陳迎慶

（中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

列車以不同速度通過某重載鐵路橋梁區(qū)段時，測試得到距離鐵路線路不同距離處的環(huán)境振動振級水平及頻域特性。應(yīng)用MATLAB軟件分析得到環(huán)境振動水平與距離、速度的變化關(guān)系公式?？紤]時間累計對環(huán)境振動的影響，使用四次方振動劑量值探討速度和距離對振動的影響，并分析其與Z計權(quán)振級變化的關(guān)系。試驗結(jié)果表明：列車速度60～100 km/h時重載列車運行速度每增加10 km/h，最大Z振級增加1～2 dB；距離線路120 m內(nèi)距離加倍最大Z振級增加2～3dB；重載列車通過橋梁區(qū)段在25～50 Hz頻帶間出現(xiàn)特征頻率；用四次方振動劑量值可對不同位置處的環(huán)境振動進(jìn)行評價。

重載鐵路；環(huán)境振動；頻域特性；四次方振動劑量值

1　概述

重載鐵路由于采用了增加軸重、增大單列編組長度的運輸方式，顯著提高了機(jī)車車輛的運轉(zhuǎn)效率，降低了牽引能耗，提升了線路的運能和整體效率［1］。美國、加拿大、澳大利亞等國重載鐵路的軸重普遍達(dá)到32.5～40.0 t。瑞典、巴西的重載鐵路軸重已提高到30 t。我國重載鐵路軸重從11 t發(fā)展到21～23 t，大秦鐵路升級改造后軸重達(dá)到25 t［2］。列車沿軌道運行，移動的軸荷載、輪軌接觸面不平順激發(fā)列車、軌道結(jié)構(gòu)振動，經(jīng)軌道傳入大地，引起大地振動波，此振動波到達(dá)建筑物基礎(chǔ)時，進(jìn)一步誘發(fā)建筑物的振動和二次噪聲［3］。人體能感知的振動頻率在1～1 000 Hz。對于環(huán)境振動，人體反應(yīng)特別敏感頻率在1～80 Hz，人體各種組織的共振頻率集中在此范圍［4］。由于列車通過時各車輪會對定點產(chǎn)生間歇性瞬間沖擊，在列車輪距及長度均固定的條件下，列車行駛于軌道上時所產(chǎn)生的振動可視為有限長度的線振源，當(dāng)傳達(dá)至高架結(jié)構(gòu)底端時各結(jié)構(gòu)柱則視為點振源［5］。振動的衰減特征不僅受到場地條件的影響，還與振動頻率緊密相關(guān)，相對來說，高頻振動衰減快，低頻振動衰減慢［6-7］。

《鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值及治理原則指導(dǎo)意見》（鐵計〔2010〕44號）中只是針對21 t軸重的列車振動源強給出了數(shù)值參考，尚未對更高軸重的重載列車振動源強加以規(guī)定。隨著重載鐵路發(fā)展，30 t軸重的機(jī)車會逐步投入到中國貨運鐵路線路中，因此亟需補充相關(guān)噪聲振動源強數(shù)據(jù)。本文針對某重載鐵路試驗線開展相關(guān)研究。該線路是國家Ⅰ級雙線電氣化鐵路，設(shè)計年運量2億t，設(shè)計速度目標(biāo)值120 km/h，牽引質(zhì)量分別為5 000 t和10 000 t，最小曲線半徑一般為1 200 m，困難區(qū)段800 m［8］。通過在該重載鐵路線路進(jìn)行環(huán)境振動源強及振動衰減規(guī)律測試，得到30 t軸重重載鐵路列車運行引起的環(huán)境振動源強及振動隨距離衰減特性，并綜合考慮時間累計對環(huán)境振動的影響，引入四次方振動劑量法［9］對測試結(jié)果予以分析。

2　試驗概況

試驗選擇在有砟軌道、典型T梁橋梁區(qū)段，橋梁高度為7.5 m。牽引機(jī)車為HXD1F，HXD2F型車，貨車為新型C96型貨車，列車根據(jù)不同牽引質(zhì)量由機(jī)車、貨車編組而成。試驗列車牽引質(zhì)量分別為5 000，8 000，12 000 t。機(jī)車采用8軸，軸重30 t。列車分別以60，70，80，90，100 km/h共5個速度級運行。分別在距離鐵路線路中心線0，7.5，15，30，60，120 m的地面布設(shè)垂直于鐵路線路的振動加速度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場測試。

3　試驗結(jié)果與分析

1）重載列車環(huán)境振動源強分析

分別對5 000，8 000，12 000 t牽引質(zhì)量列車通過橋梁區(qū)段時，距離線路30 m處的地表振動源強利用MATLAB軟件進(jìn)行回歸分析，得到列車運行速度分別為60，70，80，90，100 km/h時最大Z振級VLz，max與速度間的關(guān)系式：VLz，max=27 log（v/v0）+63。式中v0= 60 km/h?；貧w分析相關(guān)系數(shù)R2=0.909 9。當(dāng)重載列車運行速度在60～100 km/h時，速度每增加10 km/h，最大Z振級增加1～2 dB。

2）重載列車環(huán)境振動頻率特性分析

5 000 t牽引質(zhì)量距離軌道中心線30 m處、不同列車速度時垂向振動加速度頻譜特性見圖1。

圖1　5000t牽引質(zhì)量不同列車速度時垂向振動加速度頻譜特性

由圖1可知，在橋梁區(qū)段，隨著列車速度的增加，30 m處的振動加速度在25～50 Hz頻帶間出現(xiàn)峰值。該頻帶對應(yīng)于列車通過有砟軌道時軌枕間激勵引起的振動；而在6.3～8 Hz頻帶間的次峰值頻率主要是由于機(jī)車及貨車車軸引起的。

3）重載列車環(huán)境振動距離衰減特性分析

試驗結(jié)果表明：距離線路中心線0，7.5，15，30，60，120 m的地面處，最大Z振級隨距離的衰減特性可用VLz，max=alog（x/x0）+b表示。其中x為距離，x0= 7.5 m；a，b為擬合參數(shù)。不同速度的擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)見表1?？梢?，距離重載鐵路線路120 m范圍內(nèi)，距離加倍，VLz，max增加2～3 dB。

表1　距離與振級回歸分析公式擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

環(huán)境振動最大Z振級與列車運行速度及距離的關(guān)系可用VLz，max=12 log（v/60）-3.4 log（x/30）+71擬合，R2達(dá)到0.932。

牽引質(zhì)量5 000 t重載列車以速度80 km/h通過橋梁區(qū)段時不同距離處的振動加速度頻譜特性見圖2。

圖2　不同距離振動加速度頻率特性

由圖2可知：環(huán)境振動加速度頻譜特性受距離的變化影響，列車通過軌枕時輪軌激勵引起的環(huán)境振動幅值隨距離衰減較明顯；其中7.5 m處衰減0.5倍，從7.5至15.0 m衰減0.3倍，從15至30 m衰減不明顯，從30至60 m衰減0.45倍，從60至120 m衰減0.1倍；橋梁上線路因機(jī)車及貨車車軸激勵引起的振動在距離7.5 m處衰減0.5倍，從7.5至120 m衰減不明顯。

綜合考慮時間累計對環(huán)境振動的影響，嘗試使用四次方振動劑量值反映速度和距離對振動的影響，分析其與Z計權(quán)振級的變化關(guān)系。與基本評價方法相比，由于使用加速度時間歷程的四次方而不是平方作計算平均值，所以四次方振動劑量值對峰值更為敏感。四次方振動劑量值（VDV）單位用m/s1.75或rad/s1.75表示，其定義式為［9］

式中：aw（t）為瞬時頻率計權(quán)加速度；T為測量時間長度。

對采集得到的加速度數(shù)據(jù)加以整理分析，計算出四次方振動劑量值。不同牽引質(zhì)量列車通過橋梁斷面時，四次方振動劑量值與速度和距離的關(guān)系見圖3，振級與速度和距離的關(guān)系見圖4。

圖3　不同牽引質(zhì)量四次方振動劑量值與速度和距離的關(guān)系

圖4　不同牽引質(zhì)量振級與速度和距離的關(guān)系

由圖3可知：不同牽引質(zhì)量列車，四次方振動劑量值隨速度的變化趨勢一致；同一速度下，不同牽引質(zhì)量列車四次方振動劑量值隨著距離的增大而減小。

由圖4可知：不同牽引質(zhì)量的列車，振級隨速度的增大而增大；同一速度下，不同牽引質(zhì)量列車振級隨距離增大而減小。

四次方振動劑量值隨速度、距離的變化趨勢與振級隨速度、距離的變化趨勢一致。

4　結(jié)論

1）5 000，8 000，12 000 t牽引質(zhì)量機(jī)車通過橋梁線路時，振級與速度和距離的關(guān)系式為VLz，max=12× log（v/60）-3.4log（x/30）+71。當(dāng)重載列車運行速度在60～100 km/h時，速度每增加10 km/h最大Z振級增加1～2 dB；距離重載鐵路線路0～120 m范圍內(nèi)，距離加倍最大Z振級增加2～3 dB。該研究成果為重載鐵路環(huán)境振動源強及其隨距離衰減參數(shù)的確定提供了依據(jù)。

2）重載列車通過橋梁線路時，機(jī)車及貨車車軸通過有砟軌道等間距軌枕時，25～50 Hz頻帶間出現(xiàn)峰值頻率。

3）用四次方振動劑量值評價不同牽引質(zhì)量列車以不同速度通過橋梁線路、不同距離處的環(huán)境振動，與通過振級以及加速度進(jìn)行評價相比，結(jié)果一致。

［1］卓卉.國外重載鐵路運輸進(jìn)展與我國重載鐵路運輸分析［J］.中國煤炭，2014（10）：331-334.

［2］趙俊軍.淺談重載鐵路技術(shù)［J］.四川建筑，2013（33）：95-98.

［3］田苗，熊春梅，袁富瓊，等.列車引起的環(huán)境振動問題研究［J］.噪聲與振動控制，2013（1）：143-147.

［4］董霜，朱元清.環(huán)境振動對人體的影響［J］.噪聲與振動控制，2004（3）：22-25.

［5］夏禾，曹艷梅.軌道交通引起的環(huán)境振動問題［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2004，1（1）：44-51.

［6］中華人民共和國鐵道部.鐵計〔2010〕44號鐵路建設(shè)項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值及治理原則指導(dǎo)意見［S］.北京：中華人民共和國鐵道部，2010.

［7］VERHAS H P.Prediction of the Propagation of Train-induced Ground Vibration［J］.Joural of Sound and Vibration，1979，66，371-376.

［8］康熊.山西中南部鐵路通道重載綜合試驗研究總報告：上［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2015.

［9］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 13441.1—2007機(jī)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［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

Experimental Analysis on Environmental Vibration Induced by Heavy Haul Railway Train Travelling

CHEN Yingqing
（Energy Saving&Environmental Protection&Occupational Saving and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he environment vibration level and frequency domain characteristics at different distance from railway line were obtained when the train passes through a bridge section of heavy haul railway with different speeds.T he formulation of relation between environment vibration level and the variation of distance and velocity was concluded by M AT LAB software analysis.By considering the effects of time accumulation on environmental vibration，the influence of velocity and distance on vibration was discussed by using the fourth power vibration dose value and the relationship between influence and Z weight vibration level change was analyzed.T he results showed that the maximum Z vibration level VLzvalue increases by 1～2 dB with running speed of the heavy haul train increasing by 10 km/h when the train speed is 60～100 km/h，the maximum Z vibration level VLzvalue increases by 2～3 dB when the distance doubles within 120 m from the heavy haul railway line，the characteristic frequencies appear between 25 Hz and 50 Hz band when the heavyhaul railwaypasses through the bridge section and the environmental vibration at different location should be evaluated through the fourth power vibration dose value.

Heavy haul railway；Environmental vibration；Frequency domain characteristics；T he fourth power vibration dose value

U239.4；TB53

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.37

1003-1995（2016）09-0148-03

（責(zé)任審編李付軍）

2016-03-17；

2016-05-05

陳迎慶（1984—），男，助理研究員。