運(yùn)營(yíng)地鐵鋼彈簧浮置板軌道減振降噪性能研究

郭 享 張靈熙 何繼平 李俊璽 郭 驍

(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司,蘇州 215002; 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100055)

城市軌道交通線路往往穿越居民區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等環(huán)境敏感點(diǎn),根據(jù)環(huán)境保護(hù)要求,需要在這些地段采取特殊減振措施。鋼彈簧浮置板軌道是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的特殊減振措施,由鋼筋混凝土道床板和鋼彈簧隔振器共同組成質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)。相較于普通軌道,其減振效果可達(dá)15dB以上[1],另外,其對(duì)降低敏感建筑物室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲也有非常明顯的作用。

然而,對(duì)于一些特殊工況,即使振動(dòng)和噪聲均滿足國(guó)家規(guī)范規(guī)定的限值要求,也有部分敏感人群能夠感受到列車(chē)通過(guò)的振動(dòng)或聲音,對(duì)他們的正常生活造成一定的影響[2-3]。為進(jìn)一步降低噪聲,劉加華從設(shè)計(jì)施工一體化角度研究預(yù)制浮置板方案[4];楊寶鋒等對(duì)“拼裝一體化”鋼彈簧浮置板的施工設(shè)備及機(jī)具開(kāi)展設(shè)計(jì)與改造[5];朱家坤等對(duì)普通整體道床改造為浮置板道床實(shí)現(xiàn)減振降噪的施工技術(shù)進(jìn)行研究[6];丁德云等對(duì)鋼彈簧浮置板的參數(shù)、力學(xué)特性開(kāi)展了分析[7-10],以往研究從浮置板的力學(xué)特性、設(shè)計(jì)、制造、施工精度控制等方面出發(fā),對(duì)提高浮置板軌道減振性能取得一定效果,但是沒(méi)有在運(yùn)營(yíng)線路上開(kāi)展浮置板減振降噪效果研究。

為進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)線路上的振動(dòng)和噪聲影響,采用在鋼彈簧浮置板道床上增設(shè)配重裝置的方式來(lái)降低既有浮置板軌道的固有頻率,從而提升浮置板軌道的減振降噪效果,并選取100m試驗(yàn)段,對(duì)配重裝置提高浮置板減振降噪性能方面的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 配重裝置方案研究

1.1 建模分析和計(jì)算

以蘇州軌道交通4號(hào)線線路下穿某小區(qū)采用的鋼彈簧浮置板為研究對(duì)象,車(chē)輛采用6節(jié)編組B型車(chē),鋼彈簧浮置板為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),每塊板厚度為0.34m,長(zhǎng)度為25m,總質(zhì)量約69.5t,按質(zhì)量增加10%、15%和20%3種工況進(jìn)行研究。

采用有限元軟件,建立車(chē)輛-軌道-隧道-土體-建筑物動(dòng)力耦合分析模型,見(jiàn)圖1。模型中,通過(guò)在浮置板道床上表面增加寬1m、不同高度的貫通實(shí)體部件來(lái)增加配置,該段現(xiàn)狀采取了限速措施,運(yùn)行速度取40km/h,扣件和鋼彈簧隔振器均采用彈簧阻尼單元模擬,剛度分別為30MN/m和6.66MN/m。

圖1 車(chē)輛-軌道-隧道-土體-建筑物空間耦合動(dòng)力分析模型

根據(jù)以上模型計(jì)算既有和增設(shè)配重裝置的鋼彈簧浮置板道床軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),其中鋼軌和浮置板位移變化對(duì)比見(jiàn)圖2,鋼軌、浮置板和隧道壁振動(dòng)加速度對(duì)比見(jiàn)圖3,相關(guān)指標(biāo)和計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

表1 增加配重裝置浮置板動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)最大值匯總

圖2 鋼軌和浮置板位移對(duì)比

圖3 鋼軌、浮置板和隧道壁振動(dòng)加速度對(duì)比

對(duì)以上結(jié)果分析可得出如下結(jié)論。

(1)隨著配重裝置質(zhì)量的增加,鋼軌及浮置板的位移隨之減小,且均滿足CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》中鋼軌豎向位移不大于4mm、浮置板豎向位移不大于3mm的規(guī)定;另外,鋼軌和隧道壁的振動(dòng)加速度也隨之減小,浮置板振動(dòng)加速度略有增加。

(2)配重裝置質(zhì)量增加20%時(shí),相較于既有浮置板,鋼軌振動(dòng)加速度減小11.9%、位移減小10.8%,浮置板振動(dòng)加速度增加10%、位移減小9.3%,隧道壁振動(dòng)加速度減小28.4%。

對(duì)既有浮置板和增設(shè)20%質(zhì)量的配重裝置的隧道側(cè)壁垂向加速度進(jìn)行頻譜分析,其1/3倍頻程垂向振動(dòng)加速度級(jí)見(jiàn)圖4。

圖4 隧道壁1/3倍頻程振動(dòng)加速度級(jí)

根據(jù)GB/T 13441《人體全身振動(dòng)環(huán)境的測(cè)量規(guī)范》,既有浮置板道床經(jīng)過(guò)人體全身振動(dòng)Z計(jì)權(quán)后,隧道側(cè)壁的垂向加速度最大Z振級(jí)為71.69Hz,增設(shè)20%質(zhì)量的配重裝置隧道側(cè)壁最大Z振級(jí)為68.43 dB,減少了3.26dB。

綜合以上理論計(jì)算結(jié)果,推薦配重裝置的質(zhì)量增加20%,即每塊浮置板上設(shè)置配重約為13.9t。

1.2 方案選型和設(shè)計(jì)

根據(jù)既有浮置板軌道的結(jié)構(gòu)和外形尺寸,考慮車(chē)輛限界和設(shè)備限界,以及鋼軌和扣件養(yǎng)修作業(yè)空間的需求,配重裝置安裝在兩鋼軌之間的浮置板道心上表面,高度不超過(guò)軌頂面,寬度不超過(guò)1m。沿浮置板道床縱向,布置浮置板檢查孔、剪力鉸、密封條、信號(hào)應(yīng)答器、計(jì)軸、過(guò)軌線纜等。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選,配重裝置采用膠融鋼板結(jié)構(gòu),同時(shí)鋼板和道床之間鋪設(shè)阻尼墊板,組成帶阻尼的動(dòng)力吸振器,橫斷面見(jiàn)圖5。鋼板材質(zhì)為45號(hào)鋼,外表面硫化一層橡膠層,粘結(jié)強(qiáng)度不小于5MPa,起到絕緣和防腐的作用,每塊膠融鋼板的尺寸為2.2m(長(zhǎng))×0.55m(寬)×0.08m(厚),質(zhì)量約500kg,高度上可以設(shè)置2塊鋼板,形成1組,鋼板與道床面之間設(shè)置阻尼墊板,在鋼板端部采用化學(xué)錨栓安裝兩個(gè)限位座,用于限制膠融鋼板的縱向、橫向以及垂向的位移。根據(jù)板上觀察孔和信號(hào)設(shè)備的布置情況,每塊25m的浮置板上布置9～10組膠融鋼板配重裝置。

圖5 配重裝置橫斷面

增設(shè)膠融鋼板,不僅能夠降低浮置板的固有頻率,而且可降低固有頻率處的振動(dòng);滿鋪方案還起到增加浮置板參振質(zhì)量的作用(質(zhì)量比達(dá)到0.17),對(duì)其他較高頻段的振動(dòng)也能夠起到較好的減振效果,寬頻帶的減振作用傳遞至地面建筑時(shí),有利于降低室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲。

2 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)和試鋪施工

選擇居民樓正下方的鋼彈簧浮置板軌道作為研究對(duì)象,本次試驗(yàn)段里程范圍為SK9+942.942～SK10+042.942,全長(zhǎng)100m,位于半徑500m的圓曲線上,軌道曲線超高為112mm。

2.1 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

(1)配重裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配重裝置由膠融鋼板、阻尼減振墊、限位座、緊固鋼夾、錨固件等組成。膠融鋼板由質(zhì)量體和硫化橡膠組成;阻尼減振墊設(shè)置于膠融鋼板底部,以避免鋼板與浮置板道床直接接觸;限位座設(shè)置于膠融鋼板的兩端,用于限制膠融鋼板的位移;限位座采用化學(xué)錨栓固定在浮置板道床上。

(2)配重裝置的縱向布置

每塊浮置板道床長(zhǎng)度為25m,板中心線上設(shè)置有4個(gè)觀察筒,板端設(shè)置有剪力鉸和密封條,配重裝置的布置以每塊板留出2個(gè)觀察筒,不壓在密封條上為原則,同時(shí)避開(kāi)安裝在道床上的軌旁設(shè)備。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,試驗(yàn)段范圍內(nèi)有鋼軌涂油器1臺(tái),信號(hào)應(yīng)答器1臺(tái),道床面過(guò)軌管線2處。

本試驗(yàn)段4塊鋼彈簧浮置板上沿線路縱向共布設(shè)了39組配重裝置。第一塊板上有φ50mm過(guò)軌管2根,避開(kāi)過(guò)軌管,可布置10組配重裝置;第二塊板上有信號(hào)應(yīng)答器1臺(tái),要求配重裝置離開(kāi)應(yīng)答器至少1m,可布置9組配重裝置;第三塊板的鋼軌上有鋼軌涂油器1臺(tái),可布置10組配重裝置;第四塊板上沒(méi)有線纜和軌旁設(shè)備,布置10組配重裝置。

(3)錨固螺栓受力檢算

為保證配重裝置在浮置板振動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)固性和長(zhǎng)期服役性能,更好的發(fā)揮吸振減振作用,對(duì)錨固螺栓的抗剪強(qiáng)度和抗拔力進(jìn)行了受力檢算。

每塊膠融鋼板的質(zhì)量約500kg,1組配重裝置質(zhì)量為1000kg。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,鋼彈簧浮置板垂向和橫向振動(dòng)加速度取20m/s2。

①錨固螺栓抗剪強(qiáng)度

側(cè)向力F

每組鋼板采用8根M16化學(xué)錨栓固定,單根螺栓剪切力為

采用8.8級(jí)錨固螺栓,其抗剪強(qiáng)度=320 MPa,有

因此,錨固螺栓抗剪強(qiáng)度滿足要求。

②錨固螺栓抗拔力

垂向力F

每組鋼板采用8根M16螺栓固定,單根錨固螺栓承受的拉力為

本次采用的化學(xué)錨栓規(guī)格為M16,錨固深度為125mm,設(shè)計(jì)抗拔力為13kN,實(shí)際承受拉力為

因此,錨固螺栓抗拔力滿足要求。

2.2 試驗(yàn)段試鋪施工

以25m鋼彈簧浮置板道床為一個(gè)施工單元,在25m范圍內(nèi),采取間隔式施工方。采用軌道車(chē)運(yùn)輸配重裝置,有效作業(yè)時(shí)間為0∶30～3∶30,共計(jì)3h。

試驗(yàn)段改造施工主要包括錨固件安裝和膠融鋼板的鋪設(shè),具體工藝流程為:施工準(zhǔn)備→既有浮置板道床鋼筋探測(cè)→確定限位座安裝孔位→水鉆鉆孔→化學(xué)劑錨固螺栓→膠融鋼板運(yùn)輸→膠融鋼板鋪設(shè)→限位座安裝→線路檢查與恢復(fù)。

因改造施工是在既有運(yùn)營(yíng)線路上進(jìn)行,前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、安全培訓(xùn)、工機(jī)具加工、場(chǎng)外試裝等都非常重要,人員分工和施工計(jì)劃見(jiàn)表2。

表2 人員分工和施工計(jì)劃

3 減振降噪性能測(cè)試

為驗(yàn)證配重裝置在提升既有鋼彈簧浮置板軌道減振降噪性能中發(fā)揮的作用,對(duì)隧道內(nèi)振動(dòng)、地面建筑物室內(nèi)振動(dòng)和室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了改造前后測(cè)試對(duì)比。

3.1 隧道內(nèi)振動(dòng)測(cè)試

隧道內(nèi)輪軌振動(dòng)的測(cè)試分別在鋼軌、道床和隧道壁布設(shè)測(cè)點(diǎn),鋼軌垂向測(cè)點(diǎn)位于兩扣件中間處的軌底垂向;道床垂向布設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn),一個(gè)位于兩鋼軌中間的道床中心線上,另一個(gè)位于鋼軌外側(cè)距軌道中心線1.5m處的道床邊緣;隧道壁垂向和橫向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)距軌面垂直高度1.25m。

按照GB 10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》,得到試驗(yàn)段鋼彈簧浮置板道床改造前后隧道壁振動(dòng)測(cè)點(diǎn)VLzmax和振動(dòng)差值ΔVLzmax,為便于分析比較,將其他測(cè)點(diǎn)振動(dòng)情況同樣列出,見(jiàn)表3。

表3 改造前后隧道內(nèi)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)VLzmax對(duì)比 dB

由表3可以看出,鋼彈簧浮置板道床改造后,隧道壁垂向和橫向振動(dòng)均有所減小,其中,隧道壁垂向振動(dòng)減小2.73dB,橫向振動(dòng)減小3.19dB,說(shuō)明配重裝置在提高鋼彈簧浮置板減振效果方面效果明顯。

3.2 室內(nèi)振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試

敏感區(qū)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在鄰近線路的建筑物或受軌道交通影響較大的建筑物,同一建筑物內(nèi)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)同步進(jìn)行測(cè)量。本次測(cè)試選擇53-6室開(kāi)展室內(nèi)振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲的測(cè)試,振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)設(shè)在一樓室內(nèi)地面中央;二次結(jié)構(gòu)噪聲的傳聲器安裝在距地面1.2m處,距墻壁水平距離應(yīng)大于1.0m,且測(cè)點(diǎn)周?chē)鷽](méi)有反射物。在測(cè)量過(guò)程中,測(cè)點(diǎn)所在房間門(mén)窗均應(yīng)保持關(guān)閉。

試驗(yàn)段改造前后室內(nèi)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)VLzmax對(duì)比見(jiàn)表4。根據(jù)JGJT 170—2009《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)量方法標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)改造前后室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 改造前后室內(nèi)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)VLzmax對(duì)比 dB

表5 改造前后室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)比dB(A)

由表4、表5可知,改造后室內(nèi)垂向振動(dòng)減小了2.75dB,二次結(jié)構(gòu)噪聲減小3.58dB(A),說(shuō)明設(shè)置配重裝置的措施提高了鋼彈簧浮置板道床的減振效果,對(duì)降低建筑物內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲效果明顯。

4 結(jié)論

為研究配重裝置在提高鋼彈簧浮置板軌道減振降噪效果的性能,選取100m試驗(yàn)段進(jìn)行建模分析、方案設(shè)計(jì)和試鋪改造,并對(duì)措施試用前后的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)試評(píng)估,主要研究結(jié)論如下。

(1)隨著配重裝置質(zhì)量的增加,鋼軌及浮置板的位移以及鋼軌和隧道壁的振動(dòng)加速度均隨之減小。配重裝置的質(zhì)量增加20%時(shí),隧道壁最大Z振級(jí)減小3.26dB。

(2)綜合考慮結(jié)構(gòu)組成、減振降噪機(jī)理、軌道動(dòng)力響應(yīng)等情況,推薦采用膠融鋼板措施增加配重。

(3)根據(jù)試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,增設(shè)配重裝置后隧道壁垂向振動(dòng)降低2.73dB,室內(nèi)振動(dòng)降低2.75dB,室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲降低3.58dB(A),減振降噪效果明顯。