聚氨酯減振墊與橡膠減振墊浮置板軌道振動(dòng)控制效果分析

何鑒辭,王 平,唐 劍,趙才友,易 強(qiáng)

(1.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

隨著城市化的進(jìn)程日益加快，城市軌道交通得到了迅猛的發(fā)展，列車行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，由此會(huì)對(duì)城市建筑物產(chǎn)生不利影響，建筑物振動(dòng)產(chǎn)生的二次噪聲又會(huì)給城市居民造成困擾。因此，在工程實(shí)踐中，如何將城市軌道交通的振動(dòng)減小到環(huán)境影響允許范圍之內(nèi)就成了很重要的任務(wù)[1-2]。

在地鐵結(jié)構(gòu)中，鋪設(shè)浮置板是一種十分有效的減振措施，由于浮置板軌道具有良好的減振降噪性能，目前世界上有很多城市的地鐵線路都使用了浮置板[3]這種軌道形式。橡膠減振墊[4-5]，因其制作工藝簡(jiǎn)單，又能滿足一定的減振需求，所以在國(guó)內(nèi)具有較高減振要求的地段使用最為普遍，但隨著使用時(shí)間的增加，橡膠易老化，維護(hù)更換周期短、使用壽命周期成本高，不可壓縮變形等缺點(diǎn)顯現(xiàn)了出來(lái)；而國(guó)內(nèi)外研究表明[6]，聚氨酯減振墊具有耐腐蝕性、韌性強(qiáng)度高、彈性性能好、減振性能及耐久性能好的特性，能夠彌補(bǔ)橡膠材料性能的不足，故聚氨酯減振墊浮置板軌道越來(lái)越被關(guān)注。

聚氨酯減振墊技術(shù)目前已經(jīng)被應(yīng)用在歐洲大部分軌道交通線路上，國(guó)內(nèi)僅有少部分高鐵線路有使用。國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也注意到了這項(xiàng)技術(shù)的前景，開(kāi)始做了一些初步探索。

重慶軌道交通會(huì)展支線軌道工程中首次引進(jìn)了奧地利聚氨酯減振墊浮置板減振技術(shù)；中國(guó)的張波等人對(duì)聚氨酯減振墊軌道道床的施工工藝進(jìn)行了探討總結(jié)[7]；柯在田等人對(duì)聚氨酯固化道床技術(shù)進(jìn)行了研究[8]，得出聚氨酯固化道床具備有砟軌道的彈性和減振降噪性能、無(wú)砟軌道的整體性和穩(wěn)定性；但是，國(guó)內(nèi)對(duì)于聚氨酯減振墊在城市軌道地下線路中的應(yīng)用與研究都非常少，因此，對(duì)聚氨酯減振墊軌道的減振效果進(jìn)行實(shí)測(cè)研究很有必要。

本文依托深圳地鐵7號(hào)線項(xiàng)目，主要測(cè)試研究聚氨酯減振墊軌道和橡膠減振墊軌道的振動(dòng)特性以及減振效果。通過(guò)對(duì)運(yùn)行速度為60 km/h的地鐵B型車通過(guò)減振墊軌道和普通道床軌道的垂向振動(dòng)加速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析兩種減振軌道對(duì)軌道板和隧道壁振動(dòng)及其頻譜特性的影響，最后對(duì)兩種浮置板軌道的減振效果進(jìn)行對(duì)比分析[9～11]，以期為城市軌道交通軌道減振設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 斷面選擇與測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)合深圳地鐵7號(hào)線的具體情況，選擇3個(gè)測(cè)試斷面，分別為普通道床軌道、橡膠減振墊軌道和聚氨酯減振墊軌道，3個(gè)斷面地質(zhì)情況類似，且均為直線段矩形隧道，選擇測(cè)試斷面位于道床板中部。

根據(jù)《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T191—2012)要求，傳感器布置情況如下：在軌道板橫向端部布置1個(gè)垂向加速度傳感器，在距離軌面1.25 m隧道壁上布置1個(gè)垂向加速度傳感器，在鋼軌軌底處布置1個(gè)垂向位移傳感器，由于3個(gè)典型斷面的傳感器布置方式一致，所以僅繪出橡膠浮置板軌道測(cè)點(diǎn)布置示意[12]。

隧道區(qū)段橡膠減振墊浮置板軌道測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

(注：○為鋼軌垂向位移測(cè)點(diǎn)；△為軌道板垂向加速度測(cè)點(diǎn)；□為隧道壁鉛垂向加速度測(cè)點(diǎn))圖1 橡膠減振墊浮置板軌道測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

1.2 測(cè)試內(nèi)容

直接測(cè)量指標(biāo)有鋼軌垂向動(dòng)態(tài)位移、軌道板和隧道壁的鉛垂振動(dòng)加速度。

1.3 測(cè)試儀器

本次試驗(yàn)主要采用的儀器有北京東方所網(wǎng)絡(luò)式智能采集儀、德國(guó)imc動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、ICP加速度傳感器、激光位移傳感器等。

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理方法

通過(guò)對(duì)有著較好效果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉積分變換進(jìn)行隨機(jī)信號(hào)分析得到振動(dòng)加速度頻譜[13]，然后通過(guò)1/3倍頻程譜分別對(duì)軌道板的振動(dòng)加速度級(jí)與隧道壁的鉛錘Z振級(jí)進(jìn)行頻域分析[14]。

具體計(jì)算公式如下。

(1)振動(dòng)加速度級(jí)VAL

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

式中VAL——振動(dòng)加速度級(jí)，dB；

arms——?jiǎng)蛹铀俣扔行е?，m/s2；

a0——基準(zhǔn)加速度，取1×10-6m/s2；

(2)Z振級(jí)VLz

按IS02631-1-1997規(guī)定的全身鉛垂方向振動(dòng)不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動(dòng)加速度級(jí)，記為Z，單位dB。計(jì)算方法與式(1)完全相同，公式中加速度取鉛垂方向的修正值。

(2)

(3)

式中T——振動(dòng)測(cè)量的平均時(shí)間，S；

aw——經(jīng)過(guò)頻率記權(quán)的加速度，m/s2。

(3)最大Z振級(jí)VLzmax

在規(guī)定的測(cè)試時(shí)間T內(nèi)或?qū)δ唱?dú)立振動(dòng)事件，測(cè)得的Z振級(jí)最大值，記為VLzmax，dB。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 時(shí)域分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，對(duì)通過(guò)各測(cè)試斷面20趟列車的加速度時(shí)程進(jìn)行記錄。并選出10組效果較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了避免采集數(shù)據(jù)中其他振動(dòng)的干擾，數(shù)據(jù)處理前均采用了濾波處理。限于篇幅，本文僅給出各測(cè)試斷面上的典型加速度時(shí)程。如圖2～圖4和表1所示。

圖2 普通道床軌道測(cè)試斷面典型加速度時(shí)程

圖3 聚氨酯減振墊浮置板軌道測(cè)試斷面典型加速度時(shí)程

圖4 橡膠減振墊浮置板軌道測(cè)試斷面典型加速度時(shí)程

表1 最大加速度值 m/s2

對(duì)比各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)程，可以得到以下結(jié)論。

(1)普通道床軌道板的振動(dòng)加速度幅值為2 m/s2左右，而聚氨酯減振墊軌道和橡膠減振墊軌道的浮置板的振動(dòng)加速度幅值分別為15 m/s2和30 m/s2，這是由于減振墊剛度比較小，造成了浮置板的振動(dòng)較為劇烈，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，聚氨酯浮置板相比橡膠浮置板，振動(dòng)加速度幅值明顯更小。

(2)聚氨酯減振墊軌道隧道壁的振動(dòng)加速度幅值最小，約為0.034 m/s2，而橡膠減振墊軌道和普通道床軌道隧道壁的振動(dòng)加速度幅值分別為0.1 m/s2和0.25 m/s2，說(shuō)明聚氨酯減振墊相比橡膠減振墊和普通道床，對(duì)列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)有較好的衰減作用。

3.2 總振級(jí)與頻域分析

3.2.1 軌道板對(duì)比分析

(1)總振級(jí)對(duì)比

列車正常運(yùn)行速度60 km/h左右通過(guò)時(shí)，普通道床軌道板與兩種減振墊軌道板的總振級(jí)見(jiàn)表2，通過(guò)分析可知，兩種減振軌道相比普通道床軌道板總振級(jí)都放大了17 dB。

表2 軌道板總振級(jí)

(2)1/3倍頻程頻譜對(duì)比

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到1～1 000 Hz范圍內(nèi)兩種減振墊軌道與普通道床軌道的軌道板振動(dòng)加速度級(jí)，分別繪制1/3倍頻程譜圖，如圖5所示。

圖5 軌道板加速度級(jí)對(duì)比

已有研究表明[15]，將浮置板軌道作為減振措施時(shí)會(huì)增大軌道板的自振頻率，軌道板低頻部分放大尤其明顯，而人體對(duì)0～200 Hz范圍內(nèi)的頻率較為敏感，因此這種放大現(xiàn)象對(duì)減振效果有不利的影響。對(duì)比以上兩圖的頻譜特性可以看出，在1～20 Hz范圍內(nèi)，聚氨酯減振墊軌道相比橡膠減振墊軌道，軌道板的加速度振級(jí)放大值要小，這是由于它們的支撐方式和減振墊材料差異所致；而頻率在20～200 Hz時(shí)，聚氨酯減振墊軌道板的振級(jí)放大值要略大于橡膠減振墊軌道板的放大值；當(dāng)頻率增加至500～1 000 Hz時(shí)，兩種減振墊軌道板的放大幅值都越來(lái)越小，而且趨于一致。

3.2.2 隧道壁對(duì)比分析

(1)總振級(jí)級(jí)對(duì)比

列車正常運(yùn)行速度60 km/h左右通過(guò)時(shí)，普通道床軌道與兩種減振墊軌道隧道壁的總振級(jí)見(jiàn)表3。由表3可知，相比普通道床軌道，聚氨酯減振墊軌道隧道壁總振級(jí)減少15 dB，而橡膠減振墊軌道隧道壁總振級(jí)減少12 dB，所以聚氨酯減振墊軌道相比橡膠減振墊軌道有更好的減振效果。

表3 隧道壁Z振級(jí) dB

(2)1/3頻程頻譜對(duì)比

分別繪制1～200 Hz范圍內(nèi)，兩種減振墊軌道與普通道床軌道的鉛錘Z計(jì)權(quán)1/3倍程譜圖如圖6所示。

圖6 隧道壁Z振級(jí)對(duì)比

對(duì)比以上兩種減振措施的頻譜特性可知，橡膠減振墊軌道隧道壁中心頻率為63 Hz，VLzmax為56 dB，聚氨酯減振墊軌道隧道壁中心頻率為80 Hz，VLzmax為54 dB，普通道床軌道隧道壁中心頻率為63 Hz，VLzmax為70 dB，兩種減振墊浮置板主頻振級(jí)減少分別為14 dB和16 dB，聚氨酯浮置板主頻峰值減少更明顯。

在10 Hz處，兩種減振墊軌道都出現(xiàn)了一個(gè)峰值，已有研究表明[16]，聚氨酯與橡膠減振墊浮置板軌道結(jié)構(gòu)的固有頻率都在10 Hz左右，因此可以推知此頻率處可能發(fā)生了共振，其中橡膠減振墊軌道的峰值更為明顯，而聚氨酯浮置板的峰值更小。這是由于聚氨酯與橡膠減振墊的支撐方式和材料的彈性模量差異造成的，峰值處兩種減振軌道隧道壁的振級(jí)增大幅值分別為1 dB和5 dB。總的來(lái)看，相比橡膠減振墊，聚氨酯減振墊可以在一定程度上減少低頻放大的不利影響，但依舊不能完全消除。

當(dāng)頻率在0～40 Hz時(shí)，兩種減振墊浮置板軌道都沒(méi)有減振效果，振級(jí)甚至還有所放大；而在50～100 Hz時(shí)，兩種減振軌道都有很明顯的減振效果；當(dāng)頻率高于100 Hz時(shí)，聚氨酯減振墊軌道相比橡膠減振墊軌道，減振效果更加明顯，這說(shuō)明聚氨酯減振墊在100～200 Hz的頻段內(nèi)減振效果更好。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)深圳某地鐵線路橡膠減振墊浮置板軌道、聚氨酯減振墊浮置板軌道和普通道床軌道3種工況進(jìn)行測(cè)試，對(duì)軌道板的振動(dòng)加速度級(jí)與隧道壁的Z振級(jí)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)兩種減振墊浮置板軌道在10 Hz處發(fā)生共振，在此頻率附近振級(jí)都會(huì)有一定程度增大，但相比橡膠減振墊軌道，聚氨酯減振墊軌道受共振影響更小。這是由聚氨酯減振墊軌道的支撐方式和其材料固有屬性綜合影響造成的，但各影響因素的大小有待繼續(xù)研究。

(2)兩種減振軌道在40 Hz內(nèi)的較低頻率范圍內(nèi)都沒(méi)有減振效果；但當(dāng)頻率高于40 Hz時(shí)，兩種減振軌道都有很明顯的減振效果，在超過(guò)100 Hz的部分，相比于橡膠減振墊軌道，聚氨酯減振墊軌道的減振效果明顯更好，這表明聚氨酯減振墊軌道的減振頻域更寬。

(3)總的來(lái)看，聚氨酯減振墊軌道相比橡膠減振墊軌道減振效果更好，如果需要更高頻率的減振效果時(shí)，建議采用聚氨酯減振墊軌道。

(4)雖然聚氨酯減振墊軌道低頻處的放大不如橡膠減振墊軌道明顯，但依然沒(méi)有克服浮置板軌道低頻放大的通病。

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