中低速磁浮快線車-軌耦合振動(dòng)源強(qiáng)特性試驗(yàn)*

李秋義 羅 偉 魏高恒

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢;2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430063，武漢∥第一作者，正高級工程師)

中低速磁浮快線具有安全性高、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，且具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，是一種極具競爭力的軌道交通型式[1-2]。

由于世界范圍內(nèi)已建成通車的中低速磁浮線路十分稀少，因此目前有關(guān)中低速磁浮線的研究大多偏重于理論方面，而基于實(shí)際運(yùn)營線路的現(xiàn)場試驗(yàn)資料相對匱乏。文獻(xiàn)[3-4]采用仿真的方法研究了長沙磁浮快線提速后低置結(jié)構(gòu)和橋梁的動(dòng)應(yīng)力分布及動(dòng)力特性；文獻(xiàn)[5]對中速磁浮的軌道梁選型及溫度對車橋耦合振動(dòng)的影響進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[6]以長沙磁浮快線為對象，研究了磁浮列車速度及荷載對軌道梁動(dòng)力響應(yīng)的影響；文獻(xiàn)[7-8]對長沙磁浮快線軌道梁的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了測試，但測試速度較低，小于80 km/h。

中低速磁浮快線由于車-軌耦合作用實(shí)測資料的匱乏，一方面制約了其軌道結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化和完善，另一方面其車致環(huán)境振動(dòng)預(yù)測無可靠的源強(qiáng)取值參考，不利于準(zhǔn)確評價(jià)磁浮列車運(yùn)行對沿線環(huán)境的振動(dòng)影響。本文基于長沙中低速磁浮快線，選取橋梁地段Ⅲ型井字型接頭(以下簡稱“Ⅲ型接頭”)和軌排中部斷面，進(jìn)行軌道-橋梁系統(tǒng)車致振動(dòng)的線上試驗(yàn)研究，以期為后續(xù)同類型軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境影響評價(jià)工作提供技術(shù)參考。

1 現(xiàn)場測試

1.1 測試斷面概況

以軌排中部為基本工況，選取該處1個(gè)斷面作為測試斷面。同時(shí)，考慮到軌排接頭部位為中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)最薄弱的部位之一，而Ⅲ型接頭處的軌縫最大，因此，再選擇Ⅲ型接頭的1個(gè)斷面作為一種不利的工況作對比。兩個(gè)測試斷面概況如表1所示。

表1 測試斷面概況Tab.1 Overview of test section

1.2 測點(diǎn)布置

中低速磁浮快線軌道由軌排單元整體拼裝而成，自上而下主要由感應(yīng)板、F軌、H型鋼枕、扣件、承軌臺等部分組成，如圖1所示。本研究分別在承軌臺中部、H型鋼枕螺栓連接處腹板(以下簡稱“鋼枕端部”)、H型鋼枕枕中腹板(以下簡稱“鋼枕中部”)安裝振動(dòng)加速度傳感器，每個(gè)斷面各布置3個(gè)豎向測點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 兩個(gè)斷面測點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Measuring points layout diagram of two sections

在HJ 453—2018《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》中，城市軌道交通高架線振動(dòng)源強(qiáng)測點(diǎn)要求布于地面距線路中心線7.5 m處。然而，考慮到中低速磁浮快線橋梁結(jié)構(gòu)較其他城市軌道交通存在一定的差異，且車致振動(dòng)自橋梁到地面的傳播模式尚不清楚，同時(shí)，文獻(xiàn)[9]的研究顯示，車致振動(dòng)的地面測量結(jié)果離散性較大，橋上測量結(jié)果更具穩(wěn)定性。因此，在橋上布置(承軌臺)環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)測點(diǎn)，更加有利于中低速磁浮快線高架地段振動(dòng)源強(qiáng)測試結(jié)果的推廣應(yīng)用。

1.3 測試儀器

兩個(gè)斷面均安裝INV 9828 型中低頻加速度傳感器，其頻響范圍為0.2～2 500.0 Hz，量程為10g(g為重力加速度)。

1.4 數(shù)據(jù)采集概況

借助長沙中低速磁浮列車提速試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，進(jìn)行了時(shí)速100 km、110 km、120 km、130 km、140 km、150 km等 6種列車運(yùn)行速度的工況測試，其數(shù)據(jù)采集情況如表2所示。

表2 各斷面數(shù)據(jù)樣本數(shù)Tab.2 Number of data samples of each section

1.5 環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)HJ 453—2018《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》和GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測量方法》的標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)指標(biāo)采用列車通過過程中鉛垂向Z振級Lvl，z的最大值，即Lvl，z，max，分析的頻率范圍為1～80 Hz。計(jì)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)采用現(xiàn)行GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》仍沿用的ISO 2631-1:1985計(jì)權(quán)曲線。

2 測試結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)傳播的時(shí)域特征

現(xiàn)場獲取的振動(dòng)數(shù)據(jù)典型曲線如圖2所示。不同行車速度工況下的各測點(diǎn)加速度幅值如表3和表4所示。

圖2 Ⅲ型接頭斷面承軌臺豎向加速度Fig.2 Vertical acceleration of rail support in type Ⅲ joint section

由表3和表4可知，Ⅲ型接頭斷面各測點(diǎn)的加速度幅值總體上較軌排中部斷面的大，兩個(gè)斷面鋼枕端部的加速度幅值分別位于0.8～2.3 m/s2和0.7～1.5 m/s2，鋼枕中部均位于0.7～1.4 m/s2，承軌臺分別位于0.3～0.6 m/s2和0.3～0.4 m/s2。

表3 Ⅲ型接頭斷面加速度幅值的樣本均值

表4 軌排中部斷面加速度幅值的樣本均值

2.2 振動(dòng)傳播的頻域規(guī)律

對比鋼枕端部、鋼枕中部、承軌臺測點(diǎn)的振動(dòng)加速度級，如圖3和圖4所示。從鋼枕端部(較鋼枕中部更靠近F軌)到鋼枕中部，以及從鋼枕端部到承軌臺，車致振動(dòng)均有所衰減。其中從鋼枕端部到承軌臺這一過程的衰減明顯，在其衰減幅度方面，Ⅲ型接頭斷面較軌排中部斷面的大，其中20 Hz以下低頻范圍兩斷面減幅的差別最為顯著，可見接頭對低頻振動(dòng)從鋼枕到承軌臺的傳播具有“路徑阻斷”效應(yīng)。

圖3 Ⅲ型接頭斷面豎向振動(dòng)1/3倍頻程譜(時(shí)速100 km)

圖4 軌排中部斷面豎向振動(dòng)1/3倍頻程譜(時(shí)速100 km)

2.3 Ⅲ型接頭影響振動(dòng)的頻域規(guī)律

對比Ⅲ型接頭斷面、軌排中部斷面的振動(dòng)加速度級，如圖5—圖7所示。鋼枕端部、鋼枕中部兩個(gè)測點(diǎn)，2～200 Hz范圍Ⅲ型接頭斷面的全部振動(dòng)加速度級均較軌排中部斷面的大，兩個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)加速度級的最大差值分別為20.6 dB和17.0 dB；承軌臺測點(diǎn)，20 Hz以下的低頻范圍軌排中部斷面的振動(dòng)加速度級較Ⅲ型接頭斷面的大，但20 Hz以上的頻率范圍軌排中部斷面的振動(dòng)加速度級較Ⅲ型接頭斷面的小(最大差值為10.0 dB)。這進(jìn)一步表明接頭對振動(dòng)從鋼枕到承軌臺傳播的“路徑阻斷”效應(yīng)主要表現(xiàn)在20 Hz以下的頻率范圍。

圖5 鋼枕端部豎向振動(dòng)加速度級對比(時(shí)速100 km)

圖6 鋼枕中部豎向振動(dòng)加速度級對比(時(shí)速100 km)

圖7 承軌臺豎向振動(dòng)加速度級對比(時(shí)速100 km)

2.4 行車速度影響振動(dòng)的頻域規(guī)律

對比不同行車速度工況下承軌臺的振動(dòng)加速度級，如圖8和圖9所示。承軌臺振動(dòng)的優(yōu)勢頻段為63～125 Hz。大約以63 Hz為界，低于63 Hz的頻率范圍承軌臺振動(dòng)受行車速度的影響不明顯，高于63 Hz的頻率范圍受行車速度的影響顯著，隨行車速度增加而逐漸增大。

圖8 Ⅲ型接頭斷面承軌臺豎向振動(dòng)加速度級

圖9 軌排中部斷面承軌臺豎向振動(dòng)加速度級

2.5 振動(dòng)源強(qiáng)的傳播衰減規(guī)律

振動(dòng)源強(qiáng)Lvl，z，max從鋼枕端部到鋼枕中部再到承軌臺的衰減情況如圖10和圖11所示。Ⅲ型接頭斷面6種行車速度工況的振動(dòng)傳播衰減曲線近乎平行，Lvl，z，max從鋼枕端部到鋼枕中部的衰減量約為1.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺的衰減量約為13.0 dB；軌排中部斷面6種行車速度工況振動(dòng)傳播衰減曲線的平行形態(tài)較Ⅲ型接頭斷面的差，時(shí)速110 km、140 km兩種工況Lvl，z，max從鋼枕端部到鋼枕中部的衰減量約為2.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺的衰減量約為6.5 dB，時(shí)速100 km、120 km、130 km、150 km 4種工況Lvl，z，max從鋼枕端部到鋼枕中部的振動(dòng)衰減量約為2.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺的振動(dòng)衰減量約為3.2 dB。

圖10 Ⅲ型接頭斷面承軌臺Lvl，z，max傳播衰減曲線

圖11 軌排中部斷面承軌臺Lvl，z，max傳播衰減曲線

2.6 行車速度影響振動(dòng)源強(qiáng)的規(guī)律

振動(dòng)源強(qiáng)Lvl，z，max隨行車速度的變化規(guī)律如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可知，兩個(gè)斷面上的3個(gè)測點(diǎn)Lvl,z,max-v曲線均近乎于平行。其擬合公式為Lvl,z,max=A0+B0(v-v0)(A0、B0為擬合相關(guān)變量)。其中：III型接頭斷面中，鋼枕端部、鋼枕中部、承軌臺的A0分別取為96.7 dB、95.2 dB、81.5 dB，B0取為0.056 7 dB/(km/h)；軌排中部斷面中，鋼枕端部、鋼枕中部、承軌臺的A0分別取為88.6 dB、86.1 dB、81.1 dB，B0取為0.039 2 dB/(km/h), 試驗(yàn)初始行車速度v0取為100 km/h。

圖12 Ⅲ型接頭斷面承軌臺Lvl，z，max-v曲線

圖13 軌排中部斷面承軌臺Lvl,z,max-v曲線

2.7 環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)取值

以承軌臺測點(diǎn)的Lvl,z,max為環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)，可使用上述擬合公式對不同行車速度工況下的環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，表5列舉了時(shí)速100 km、110 km、120 km、130 km、140 km、150 km條件下Ⅲ型接頭斷面、軌排中部斷面的環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)計(jì)算結(jié)果。

表5 兩個(gè)斷面環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)取值

3 結(jié)語

本文借助長沙中低速磁浮列車提速試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，開展了中低速磁浮快線車致振動(dòng)傳播規(guī)律、源強(qiáng)取值研究，主要結(jié)論如下：

1) 軌道-橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)隨傳播距離增加而逐漸衰減，以從鋼枕端部到承軌臺這一過程的衰減最為顯著。軌排接頭對20 Hz以下的低頻振動(dòng)從鋼枕到承軌臺的傳播具有“路徑阻斷”效應(yīng)。

2) 鋼枕上兩個(gè)測點(diǎn)2～200 Hz的振動(dòng)分量Ⅲ型接頭斷面較軌排中部的斷面大。

3) 承軌臺振動(dòng)的優(yōu)勢頻段為63～125 Hz，低于63 Hz的頻段受行車速度的影響不明顯，高于63 Hz的頻段受行車速度的影響顯著，并隨行車速度增加而逐漸增大。

4)Lvl,z，max的衰減幅度：時(shí)速為100～150 km時(shí)Ⅲ型接頭斷面從鋼枕端部到鋼枕中部約為1.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺約為13.0 dB；時(shí)速110 km、140 km兩種工況軌排中部斷面從鋼枕端部到鋼枕中部約為2.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺約為6.5 dB；時(shí)速100 km、120 km、130 km、150 km 4種工況從鋼枕端部到鋼枕中部約為2.0 dB，從鋼枕中部到承軌臺約為3.2 dB。

5) 時(shí)速100 km工況下Ⅲ型接頭斷面、軌排中部斷面的環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)Lvl,z,max分別為81.4 dB和81.1 dB；當(dāng)提速至?xí)r速150 km時(shí)，兩個(gè)斷面的環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)均為84.2 dB。

6) 兩個(gè)斷面的環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)均與行車速度呈較顯著的線性關(guān)系，可按本文給出的Lvl,z,max-v表達(dá)式進(jìn)行源強(qiáng)計(jì)算。