地鐵車輛段檢查坑減振措施分析和效果預(yù)測(cè)

張海波 于占洋

隨著國(guó)內(nèi)軌道交通的快速發(fā)展，越來(lái)越多的線路興建，軌道交通的占地情況尤其是車輛段占地規(guī)模較大，面對(duì)日益緊張的城市用地，車輛段上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)在各個(gè)城市軌道交通建設(shè)提上日程。在車輛段上方加蓋物業(yè)，都不可避免的受到地鐵車輛在運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)影響，即車輛段內(nèi)振動(dòng)通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)傳遞至上蓋物業(yè)，引起上蓋建筑振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲。本文對(duì)地鐵車輛段檢查坑線路進(jìn)行減振措施分析和效果預(yù)測(cè)，以供相似工程借鑒。

1檢查坑地段工況

為了便于檢修，地鐵車輛段檢查坑采用立柱式支撐結(jié)構(gòu)，支撐立柱間隔設(shè)置，鋼軌扣件位于立柱頂部，鋼軌位于扣件上方。

為了控制車輛行駛時(shí)輪軌沖擊振動(dòng)向上蓋建筑物的傳播，在進(jìn)行軌道減振措施選型時(shí)，可以從振源控制、傳播途徑控制、防振對(duì)象控制。本文主要從傳播途徑控制所采取的措施進(jìn)行分析和效果預(yù)測(cè)。

2檢查坑振動(dòng)源分析

車輛在行駛時(shí)，由于軌道狀態(tài)、車輛運(yùn)行速度、曲線半徑等多種因素，存在很多激勵(lì)振源，影響振動(dòng)的因素有多種，如車速、軌道平順度、鋼軌面磨耗、車輪圓度等。對(duì)于車輛段檢車坑，該線路多為直線段，車輛行駛速度較慢（約10Km/h），主要振動(dòng)源是車輪與鋼軌撞擊振動(dòng)。

3檢查坑減振措施選擇

3.1主要工況和措施選擇

車輪與鋼軌撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)軌下扣件傳遞至支撐基礎(chǔ)，進(jìn)一步傳遞到上蓋物業(yè)；可以采用在鋼軌下方設(shè)置彈性減振扣件，隔離振動(dòng)能量，降低振動(dòng)向支撐基礎(chǔ)和上蓋物業(yè)的傳播，達(dá)到降低振動(dòng)的目的。目前常用的減振扣件分為中等減振扣件（雙層非線性減振扣件為代表）和高等減振扣件（防松脫浮軌扣件為代表）兩類，中等減振扣件減振效果5-8dB，高等減振扣件減振效果10-12dB。

根據(jù)國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/170-2009和《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》GB10070，車輛段上蓋物業(yè)振動(dòng)的限值，如：區(qū)域分類，O類：晝間65dB，夜間62dB；1類：晝間65dB，夜間62dB；2類：晝間70dB，夜間67dB；3類：晝間75dB，夜間72dB；4類：晝間75dB，夜間72dB；區(qū)域類別對(duì)振動(dòng)要求等級(jí)差距較大，為了保證工程長(zhǎng)久順利運(yùn)行，建議采用高等級(jí)減振扣件，能夠具有10dB以上減振效果，能夠適應(yīng)不同區(qū)域要求。

3.2防松脫浮軌扣件

防松脫浮軌扣件是高等級(jí)的減振扣件的代表，減振效果達(dá)到l0-12dB。防松脫浮軌扣件采用橡膠彈性楔塊從兩側(cè)將鋼軌夾緊并支撐起來(lái)，扣件具有較低的垂向剛度（5-8KN/mm）和較強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)能力，鋼軌在發(fā)生較大垂向位移時(shí)依然能夠具有良好的軌距保持能力，扣件具有二階剛度設(shè)計(jì)，在特殊情況下（工程車、大運(yùn)載車輛）提供更大的抗翻轉(zhuǎn)和垂向二次剛度；獨(dú)有的防松脫鎖緊機(jī)構(gòu)，使扣件安裝、維護(hù)十分方便，不需要使用任何特殊工具，能夠持久有穩(wěn)定的保持扣件夾緊力、剛度和縱向阻力，達(dá)到免維護(hù)的效果。諧振調(diào)頻質(zhì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠降低鋼軌振動(dòng)，抑制軌道波磨產(chǎn)生，降低噪聲輻射。

放松脫浮軌扣件具有安裝施工方便，不需要使用任何特殊特制工具，對(duì)于日常檢修養(yǎng)護(hù)來(lái)說(shuō)十分便捷。放松脫浮軌扣件不僅可以用在新建線路，同樣對(duì)于既有線路改造也很適用，僅僅是利用地鐵停運(yùn)的“天窗點(diǎn)”即可完成扣件改造安裝，不影響正常運(yùn)營(yíng)工作。

4減振效果預(yù)估

4.1減振效果評(píng)估方法

軌道基礎(chǔ)的振動(dòng)能直接反應(yīng)減振扣件的隔振效果，而對(duì)于環(huán)境振動(dòng)還涉及到人體對(duì)振動(dòng)各頻段的主觀感受問(wèn)題。通常評(píng)價(jià)減振效果，是將減振扣件和普通扣件進(jìn)行對(duì)比，在相同工況條件下測(cè)得軌道基礎(chǔ)振動(dòng)數(shù)據(jù)之差作為減振扣件的減振效果。在實(shí)地測(cè)試時(shí)應(yīng)依據(jù)GB10071-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》，按照IS02631-1：1985鉛垂向（Z向）計(jì)權(quán)方式（1-80Hz）對(duì)軌道基礎(chǔ)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最大Z振級(jí)（VLZmax）指列車通過(guò)時(shí)測(cè)量斷面時(shí)測(cè)得的Z振級(jí)的最大值，是目前最為常用的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

與正線載客運(yùn)行車輛不同的是，車輛段檢查坑處列車行駛速度很低（約10Km/h），而正線運(yùn)行速度較高（50-80Km/h），因此從仿真分析和近似工況測(cè)試對(duì)減振效果進(jìn)行預(yù)估。

4.2仿真分析預(yù)測(cè)

為了對(duì)防松脫浮軌扣件產(chǎn)的減振性能作出評(píng)價(jià)，采用軌道車輛專用軟件simpack建立了軌道一車輛計(jì)算模型，模擬列車在低速（lOKm/h）行駛狀態(tài)下，分析車輛運(yùn)行在防松脫浮軌扣件和普通扣件上時(shí)，道床的垂向加速度，對(duì)其進(jìn)行加權(quán)處理，得出防松脫浮軌相對(duì)于普通扣件的隔振效果。

4.2.1建立計(jì)算模型

（1）簡(jiǎn)化模型。根據(jù)典型客車一軌道垂向等效集總簡(jiǎn)化模型（見(jiàn)圖1），建立計(jì)算模型。軌道系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型建立的關(guān)鍵，是將連續(xù)分布的軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)化成具有少數(shù)自由度的多剛度系統(tǒng)。采用下標(biāo)r，s和b代表鋼軌、軌枕和道床，M表示等效集總質(zhì)量，m表示單位長(zhǎng)度質(zhì)量，Kp、Kb和Kf表示軌下墊、道床和路基的等效剛度，Cp、Cb和Cf代表軌下墊、道床和路基的等效阻尼。

根據(jù)簡(jiǎn)化模型理論，建立sinpack計(jì)算模型如下圖所示。

（2）車輛模型參數(shù)。車輛的參數(shù)選取地鐵A型車的參數(shù)，采用在空車載荷下的車輛參數(shù)：

1、轉(zhuǎn)向架軸距，2500 mm；

2、車輛定距，15700 mm；

3、車長(zhǎng)，22800 mm；

4、軸重，14t；

5、車體質(zhì)量（空載），20000 kg；

6、車體點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（空載），1835000 kgm2；

7、二系空氣彈簧阻尼（2個(gè)/轉(zhuǎn)向架），61kNs/m：

8、二系空氣彈簧剛度（2個(gè)/轉(zhuǎn)向架），0.125 kN/mm：

9、轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，3200 kg；

10、轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，5250kgm2；

11、一系每軸箱彈簧垂向剛度，1.5kN/mm：

12、一系每軸箱彈簧橫向剛度，1.51kN/mm：

13、一系每軸箱彈簧軸向剛度，2.8kN/mm：

14、一系每軸箱垂向阻尼系數(shù)，20kNs/m：

15、一系每軸箱橫向阻尼系數(shù)，20kNs/m：

16、一系每軸箱軸向阻尼系數(shù)，20kNs/m：

17、輪對(duì)質(zhì)量（簧下質(zhì)量），1700kg；

（3）軌道模型參數(shù)。軌道鋼軌、道床和路基的參數(shù)參考《車輛一軌道耦合系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)分析》內(nèi)相關(guān)參數(shù)，浮軌扣件的垂向剛度為8kN/mm，橫向剛度為20kN/mm。常用普通減振扣件的垂向剛度為60kN/mm，橫向剛度為20kN/mm。

（4）軌道不平順模型。實(shí)際的軌道不平順主要是中長(zhǎng)波隨機(jī)不平順。輪軌系統(tǒng)激勵(lì)來(lái)自輪軌組合粗糙度/不平順度R，計(jì)算中假設(shè)四個(gè)車輪處的粗糙度/不平順激勵(lì)的相位相同，采用美國(guó)5級(jí)軌道公路譜。

4.2.2減振計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)比車輛以10km/h的速度運(yùn)行在兩種剛度扣件上時(shí)，等效道床的垂向加速度，從而得到浮軌相對(duì)普通減振扣件的的減振效果。

為了更為清晰的對(duì)比兩者的減振效果，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)為Z計(jì)權(quán)的三分之一倍頻程圖。圖3和圖4分別是車輛運(yùn)行在兩種扣件系統(tǒng)上時(shí)等效道床的垂向和橫向Z振級(jí)三分之一倍頻譜（基準(zhǔn)加速度為1E-6m/s2）。人體感受最敏感的頻率范圍是80HZ以內(nèi)，故分析80HZ以內(nèi)的振動(dòng)效果。

從圖中可以看出，在1-80Hz的范圍內(nèi)，整個(gè)頻率段上浮軌相對(duì)于普通減振扣件都明顯的減振效果。從圖5可知浮軌在1-80Hz范圍內(nèi)道床垂向減振量為10.87dB.

檢查坑處主要振源是車輛行駛時(shí)車輪和鋼軌之間撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)。通過(guò)在檢查坑處設(shè)置高等級(jí)減振扣件（如防松脫浮軌扣件）可以有效的降低輪軌撞擊振動(dòng)向上蓋物業(yè)的傳播。防松脫浮軌扣件設(shè)計(jì)剛度在較低行車速度下任有l(wèi)OdB左右的減振效果。