雙塊式點(diǎn)支撐浮置板環(huán)境振動影響研究

耿天霜 黃慧超 任樹文

1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210036；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055

鋼彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度低的特點(diǎn)，是一種優(yōu)異的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，具有顯著的減振效果［1］，是目前我國城市軌道交通線路建設(shè)中最主要的特殊減振措施。鋼彈簧浮置板道床因結(jié)構(gòu)的特殊性，主要采用混凝土短軌枕方案，軌底坡保持精度較差且軌枕不易放正，容易造成輪軌接觸關(guān)系不良，出現(xiàn)異常波磨現(xiàn)象，導(dǎo)致振動噪聲加劇，環(huán)境評價(jià)難以達(dá)標(biāo)，并給后期運(yùn)營維護(hù)帶來極大困難。

為了充分發(fā)揮其優(yōu)異的減振效果，需要對浮置板道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。借鑒高速鐵路的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，將雙塊式軌枕與點(diǎn)支撐道床結(jié)合起來，通過對各軌道系統(tǒng)在使用條件、結(jié)構(gòu)形式、功能上的差異進(jìn)行詳細(xì)研究分析，本文提出適用于地鐵、輕軌列車的雙塊式點(diǎn)支撐浮置板道床結(jié)構(gòu)，并通過數(shù)值模擬對其減振效果進(jìn)行評價(jià)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙塊式點(diǎn)支撐浮置板道床結(jié)構(gòu)主要由雙塊式軌枕、浮置道床板、隔振器、浮置板基底、浮置板間剪力鉸等組成。

浮置道床板長度采用25 m（含板縫）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，厚400 mm，寬3 m；板間伸縮縫寬30 mm，并采用剪力鉸協(xié)調(diào)不同板間相對位移；隔振器橫向布置間距為2 m，縱向布置按間距2?3?2?3 m和2?2?2 m兩種方式，實(shí)際縱向間隔通過鋪設(shè)地段設(shè)置的扣件間距計(jì)算得到；隔振器采用鋼彈簧阻尼隔振器、橡膠彈簧阻尼隔振器，通過混凝土基底適應(yīng)不同下部基礎(chǔ)。

雙塊式點(diǎn)支撐浮置板道床結(jié)構(gòu)主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為：

1）有利于軌底坡保持。具有較高鋪設(shè)精度，能較好保持軌底坡，保證浮置板減振降噪效果并降低波磨發(fā)生的概率或減緩波磨發(fā)生。

2）便于軌排的組裝。雙塊式軌枕與點(diǎn)支撐浮置板有效結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)軌排的組裝以及鋼筋網(wǎng)的架設(shè)，既可提高施工效率，也可增加道床結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，提升道床耐久性。

3）改善輪軌受力。相較于短枕，雙塊式軌枕可有效改善輪軌受力和軌道橫向力，降低輪載分配系數(shù)，更好地控制動態(tài)變形，避免非設(shè)計(jì)因素對浮置板系統(tǒng)整體減振降噪效果的影響。

2 仿真分析

建立車輛-軌道和隧道-土體有限元模型［2-3］，分析車輛通過雙塊式點(diǎn)支撐浮置板道床時(shí)線路周圍環(huán)境振動情況，并與普通道床進(jìn)行對比，對雙塊式點(diǎn)支撐浮置板道床結(jié)構(gòu)的減振效果進(jìn)行評價(jià)。

2.1 模型建立

2.1.1 車輛-浮置板動力耦合模型

單塊浮置板模型長度為25 m，點(diǎn)支撐隔振器垂向剛度取8 kN/mm。為消除邊界效應(yīng)的影響，共建立長125 m的點(diǎn)支撐浮置板有限元分析模型，主要參數(shù)見表1。

表1 點(diǎn)支撐浮置板模型主要參數(shù)

點(diǎn)支撐浮置板道床及普通整體道床的車輛-道床耦合模型見圖1。

圖1 耦合模型

2.1.2 軌道不平順

為了更準(zhǔn)確地模擬列車通過時(shí)的環(huán)境振動影響，在分析模型中加入美國五級不平順譜［4-6］。圖2為峰值優(yōu)化后模擬生成的長波高低不平順。

圖2 美國五級譜長波高低不平順

2.1.3 隧道-土體耦合模型

為研究列車通過對環(huán)境的影響，建立隧道-土體耦合模型，沿土體縱向及底部設(shè)置黏彈性邊界，上表面不設(shè)置約束［5，7］。建立點(diǎn)支撐浮置板和普通整體道床兩種模型。

2.1.4 列車荷載

通過車輛-道床耦合模型計(jì)算得到列車荷載作用下浮置板道床隔振器或普通道床扣件處受力情況，將軌道板所受荷載施加在隧道-土體耦合模型中，進(jìn)行進(jìn)一步的分析計(jì)算。

2.1.5 計(jì)算工況

共考慮3種計(jì)算工況。

工況1：輕軸重車輛通過點(diǎn)支撐浮置板地段。

工況2：重軸重車輛通過點(diǎn)支撐浮置板地段。

工況3：輕軸重車輛通過普通整體道床地段。

3種工況均考慮美國五級不平順譜的影響。

2.2 計(jì)算結(jié)果

工況1、工況2下，提取垂直線路方向、距線路中心水平距離0~80 m處的地面振動加速度及振級，結(jié)果見圖3。

圖3 沿垂直線路方向的地面振動加速度及振級

從圖3可以看出：①在列車荷載作用下，周圍環(huán)境的振動加速度隨著距線路中心距離的增加呈減小趨勢；在距離線路中心0~20 m區(qū)間，加速度的減小幅度較大，可達(dá)60%以上，但在距離線路中心40 m處出現(xiàn)了豎向振動加速度小幅增加的現(xiàn)象，之后又逐漸減小。②重軸重車輛引起的振動加速度比輕軸重車輛大30%以上，但不同車重引起沿垂直線路方向振動傳播規(guī)律相同。

通過實(shí)測與理論計(jì)算［8-10］，道床面以上1.5 m處的車輛運(yùn)行振動噪聲對周圍環(huán)境的影響最大。因此，選取模型縱向中部、道床面以上1.5 m處盾構(gòu)壁的豎向加速度對點(diǎn)支撐浮置板系統(tǒng)的減振效果進(jìn)行評價(jià)。提取輕軸重車輛通過時(shí)點(diǎn)支撐浮置板道床及普通整體道床地段的道床面以上1.5 m高處盾構(gòu)壁上源強(qiáng)點(diǎn)的豎向振動加速度并分析其頻域，結(jié)果見圖4。

圖4 隧道壁處豎向振動加速度

由圖4可知，在列車荷載作用下，鋪設(shè)兩種道床的隧道壁處豎向加速度頻域分布相似，但點(diǎn)支撐浮置板道床地段各個(gè)頻域加速度峰值只有普通整體道床地段的10%，減振效果優(yōu)異。

2.3 點(diǎn)支撐浮置板加速度振級分析

列車行駛時(shí)速為80 km時(shí)，計(jì)算工況1、工況3下隧道壁最大Z振級的差值ΔVLz，max以及分頻振級均方根差值，得到計(jì)權(quán)振動加速度級，見圖5?？芍浩胀ǖ来舱駝蛹铀俣燃墳?3.56 dB，雙塊式點(diǎn)支撐浮置板系統(tǒng)為65.23 dB，降低了18.33 dB，減振效果可達(dá)特殊減振級別。

圖5 隧道壁處豎向振動加速度振級

綜上，從總體變化趨勢來看，隨著距線路中心距離的增加，對環(huán)境的振動影響會逐漸降低。不同車重引起沿垂直線路方向振動傳播規(guī)律相同，但重車條件下列車引起的振動加速度顯著大于輕車條件下的振動加速度?？梢?，雙塊式點(diǎn)支撐浮置板系統(tǒng)減振效果良好。

3 線上減振效果試驗(yàn)

通過鋪設(shè)試驗(yàn)段，對比測試普通整體道床和雙塊式點(diǎn)支撐浮置板對周圍環(huán)境的振動影響情況，評價(jià)雙塊式點(diǎn)支撐浮置板系統(tǒng)在不同速度條件下的減振效果［11］。

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

在室內(nèi)澆筑和試鋪雙塊式點(diǎn)支撐浮置板道床，每塊板長25 m，厚400 mm，寬3 m，浮起高度30 mm，分別采用內(nèi)置式剪力鉸、外置式剪力鉸兩種方式聯(lián)接，共計(jì)8塊板，隔振器2/3布置。試驗(yàn)段嚴(yán)格按照鋪設(shè)工序完成并驗(yàn)收合格，整體美觀，雙塊式軌枕施工精度控制較好。

試驗(yàn)參數(shù)包括兩側(cè)鋼軌垂向、橫向加速度，浮置板道床垂向、橫向加速度，基底垂向、橫向加速度。

3.2 測試方法

振動加速度傳感器參照GB/T 14412—2005《機(jī)械振動與沖擊加速度計(jì)的機(jī)械安裝》、GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》相關(guān)規(guī)定及要求進(jìn)行安裝。

1）傳感器安裝前，先清除表面污漬，在其表面采用高強(qiáng)度黏接劑粘貼貼片或三角貼片，待達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行傳感器的安裝。

2）測試時(shí)將電纜線固定，防止由于電纜線屏蔽層和絕緣材料間摩擦產(chǎn)生電荷進(jìn)而產(chǎn)生的噪聲、導(dǎo)線變形產(chǎn)生的線間阻抗變化引起測量誤差。

3）采用無人值守的智能化采集系統(tǒng)，可根據(jù)需要預(yù)設(shè)程序自動觸發(fā)、采集、儲存。

4）為保證振動加速度和頻域分析，加速度傳感器采樣頻率均設(shè)置為2 560 Hz。本次試驗(yàn)由測試人員全時(shí)間段操作并采集測試數(shù)據(jù)，因此無其他設(shè)備偶然因素。

5）各測試斷面的輪軌橫向力與垂向力地面測試按照TB/T 2489—2016《輪軌橫向力和垂向力地面測試方法》進(jìn)行，采用剪應(yīng)力法進(jìn)行輪軌橫向力和垂向力的測試，在現(xiàn)場鋼軌上粘貼應(yīng)變片進(jìn)行測量。其中橫向力和垂向力各8個(gè)應(yīng)變片，共計(jì)16片。

現(xiàn)場測點(diǎn)布置情況見圖6。

圖6 測點(diǎn)布置

3.3 數(shù)據(jù)處理

1）Z振級插入損失

振動測試的測試量、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方法依據(jù)GB/T 23716—2009《人體對振動的響應(yīng)測量儀器》、CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》以及GB 10071—1988進(jìn)行。評價(jià)列車通過時(shí)段振動評價(jià)量選取最大Z振級VLz，max，并分析減振道床和普通道床豎向最大Z振級差值［11］。

2）分頻振級均方根差值

依據(jù)CJJ/T 191—2012，選取1~200 Hz的豎向振動加速度，并對不同道床形式的分頻振級均方根差值ΔLa、分頻振級的最大差值ΔLmax和最小差值ΔLmin進(jìn)行分析對比。

減振效果的評價(jià)指標(biāo)為ΔLa，分頻振級的最大差值ΔLmax為參考量；當(dāng)在浮置板軌道固有頻率附近的某個(gè)頻程出現(xiàn)ΔLmin，并為正值時(shí)，ΔLa和ΔLmax應(yīng)減去該數(shù)值或分析原因后重新測量。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

測試過程中，由于現(xiàn)場條件的制約，采用16節(jié)編組動車（8×CR300AF+8×CR300BF）。其中，CR300AF和CR300BF的軸重均為17 t，列車長度為26.125 m，機(jī)車車長約25 m。

基于20組有效數(shù)據(jù)，根據(jù)兩種道床的最大Z振級VLz，max和分頻振級均方根La，分別得出浮置板的減振效果（評價(jià)指標(biāo)分別為最大Z振級差值ΔVLz，max和分頻振級均方根差值ΔLa），結(jié)果見表2。可知，無論采用ΔVLz，max指標(biāo)還是ΔLa指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，鋼彈簧浮置板試驗(yàn)段的平均減振效果均超過14 dB。

表2 浮置板減振效果評價(jià)結(jié)果

綜上，列車以速度80～120 km/h運(yùn)行時(shí)，雙塊式點(diǎn)支撐鋼彈簧浮置板試驗(yàn)段的減振效果均達(dá)到14 dB以上，雙塊式點(diǎn)支撐鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振效果良好。

4 結(jié)語

新型雙塊式點(diǎn)支撐浮置板軌道結(jié)構(gòu)形式合理高效，軌道行車安全性好，有利于提升減振效果，便于施工，軌道服役能力性能好。經(jīng)仿真模型計(jì)算，雙塊式點(diǎn)支撐浮置板系統(tǒng)減振效果可達(dá)到特殊減振級別，減振效果達(dá)到了18.33 dB。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，車速在80～120 km/h時(shí)雙塊式點(diǎn)支撐鋼彈簧浮置板試驗(yàn)段的減振效果均達(dá)到14 dB以上。

雙塊式點(diǎn)支撐浮置板系統(tǒng)可解決現(xiàn)有浮置板系統(tǒng)存在的問題，達(dá)到減少施工環(huán)節(jié)、提高施工效率和施工精度、減少維修量且維修方便、沉降調(diào)整余量大、平順性好的效果并滿足相關(guān)減振需求。雙塊式點(diǎn)支撐浮置板系統(tǒng)具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，可在國內(nèi)城市軌道交通推廣。