近海環(huán)境高架段組合道床系統(tǒng)隔振性能跟蹤分析

張帆，徐寧，王開(kāi)祥，何林浩，高曉剛

（1.洛陽(yáng)雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471003；3.青島地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，山東 青島 266000；4.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

軌道交通運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲給沿線居民的生活帶來(lái)不同程度的影響[1-4]。通常對(duì)軌道采用減隔振措施以減小振動(dòng)噪聲對(duì)居民的影響[5-8]。隨著技術(shù)的發(fā)展，軌道減隔振結(jié)構(gòu)也豐富多樣[9-13]。目前按照等級(jí)劃分，可分為一般、中等、高等和特殊4個(gè)減隔振等級(jí)[14-18]。由隔振理論可知[19]，將隔振系統(tǒng)的固有頻率往低頻方向移動(dòng)，同時(shí)增大系統(tǒng)阻尼是提高隔振能力的有效手段，而實(shí)現(xiàn)上述功能主要依靠黏彈性阻尼材料。由黏彈性失效機(jī)理[20]可知，熱、氧、鹽及動(dòng)態(tài)應(yīng)力等對(duì)高分子鏈具有較強(qiáng)的破壞作用。

北部沿海某城市軌道線路組合道床系統(tǒng)區(qū)間為室外露天高架段，且緊鄰海洋，可見(jiàn)該區(qū)間長(zhǎng)期受高濕度、高鹽霧、長(zhǎng)日照、高溫差、晝夜干濕交替等環(huán)境特征影響。在長(zhǎng)期惡劣環(huán)境的影響下，橡膠材料必然老化，軌道系統(tǒng)也將會(huì)失去最優(yōu)的減隔振效果。目前針對(duì)該區(qū)域環(huán)境下的軌道系統(tǒng)安全性及減隔振性能變化研究較少，缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，不利于后期性能分析。

為研究分析該區(qū)間軌道系統(tǒng)的安全性和減隔振性能變化，本文分別于2017年冬和2021年冬對(duì)組合道床系統(tǒng)進(jìn)行軌道動(dòng)態(tài)變形和軌道系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試分析，并選擇工況基本一致的普通道床區(qū)間進(jìn)行振動(dòng)對(duì)比分析，以研究分析組合道床系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的軌道安全性能和隔振性能變化情況。

1 線路工況及軌道系統(tǒng)

1.1 線路工況

該區(qū)間線路為高架直線線路，線路海岸線平均距離為6 km，橋梁為U型梁結(jié)構(gòu)形式。該區(qū)間組合道床系統(tǒng)遠(yuǎn)離站臺(tái)，軌道系統(tǒng)長(zhǎng)120 m，測(cè)點(diǎn)為其中間位置，普通測(cè)點(diǎn)距離組合道床測(cè)點(diǎn)約280 m。線路運(yùn)行車輛為4節(jié)編組車廂的B型列車，軸的最大質(zhì)量為14 t，軸向架中心距為12.6 m，軸距為2.2 m。

1.2 軌道系統(tǒng)

組合道床系統(tǒng)主要由浮軌扣件、框架式道床板、道床墊、砂漿層、道床基礎(chǔ)和限位凸臺(tái)組成，如圖1所示。其中浮軌扣件垂向靜剛度為5～9 kN/mm，道床墊剛度為0.013～0.02 N/mm3，道床板主要幾何尺寸為4 930 mm×2 400 mm×200 mm（長(zhǎng)×寬×高）。

圖1 組合道床系統(tǒng)Fig.1 Combined track bed system

組合道床系統(tǒng)減隔振結(jié)構(gòu)主要有3方面：1）浮軌扣件隔離由鋼軌傳遞至道床板的振動(dòng)；2）道床墊隔離由道床板傳遞基礎(chǔ)的振動(dòng)；3）水溝蓋板與橡膠彈性件配合，構(gòu)成動(dòng)力吸振器，可將道床板部分振動(dòng)轉(zhuǎn)移至水溝蓋板上?？梢?jiàn)，組合道床減隔振功能是以隔振為主、減振為輔的雙向減隔振系統(tǒng)。其隔振機(jī)理為，通過(guò)調(diào)節(jié)橡膠材料的剛度，降低系統(tǒng)固有頻率，減少高于固有頻率外的頻段區(qū)間振動(dòng)傳遞率。其減振機(jī)理為受交變應(yīng)力時(shí)，由于橡膠材料的阻尼，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散掉[21-22]。綜合下來(lái)，組合道床系統(tǒng)減隔振性能可達(dá)15～30 dB。對(duì)比測(cè)點(diǎn)普通道床為短軌枕整體道床，普通扣件墊板的垂向靜剛度為30～60 kN/mm，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示。

圖2 普通道床現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Ordinary track bed site

2 測(cè)試項(xiàng)目與測(cè)試設(shè)備

2.1 測(cè)試項(xiàng)目

普通道床系統(tǒng)和組合道床系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目均包括軌道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變形和振動(dòng)兩大類，其中除組合道床單塊板兩端橫向和縱向變形外，其他所有傳感器均在道床中心兩扣件跨度的1/2處橫截面上[23-24]。其整體測(cè)點(diǎn)如圖3所示，其中鋼軌變形測(cè)點(diǎn)如圖4所示。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)為左軌垂向振動(dòng)、左軌橫向振動(dòng)、道床垂向振動(dòng)和高架基礎(chǔ)垂向振動(dòng)，測(cè)點(diǎn)如圖5所示。

圖3 組合道床系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)Fig.3 Schematic diagram of measuring points for combined track bed system

圖4 鋼軌動(dòng)態(tài)變形測(cè)試Fig.4 Schematic diagram of dynamic deformation test of steel rail

圖5 振動(dòng)測(cè)試Fig.5 Schematic diagram of vibration test

2.2 測(cè)試設(shè)備

線路測(cè)試設(shè)備主要有：INV3060V數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCB公司352C03型加速度計(jì)（500g）、393A03型加速度計(jì)（5g）、393B12型加速度計(jì)（0.5g）、AML公司SGD-50 mm位移傳感器。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 軌道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變形分析

軌道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變形選取典型早晚高峰時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，普通道床區(qū)間和組合道床區(qū)間測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

表1 普通道床區(qū)間鋼軌動(dòng)態(tài)變形Tab.1 Dynamic deformation of rail in ordinary track bed section

表2 組合道床區(qū)間軌道動(dòng)態(tài)變形Tab.2 Dynamic deformation of rail in combined track bed section

由表1、表2可見(jiàn)，同等車速下，2021年軌道各結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形與2017年相同，表明軌道各結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。相對(duì)于普通道床，組合道床鋼軌垂向變形和道床垂向變形大幅增加，鋼軌相對(duì)于基礎(chǔ)的垂向平均變形為3.63～3.72 mm，小于《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》[25]規(guī)定的最大變形量4 mm，表明組合道床系統(tǒng)具有較大的隔振性能，并符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范的安全要求。此外，組合道床橫向變形和縱向變形均在較小的范圍內(nèi)變化，表明軌道系統(tǒng)的軌距擴(kuò)張、橫向偏移和縱向滑移等方面具有較高的穩(wěn)定性。

由于組合道床系統(tǒng)中的浮軌扣件隔離由鋼軌傳遞至道床板的振動(dòng)，振動(dòng)在鋼軌和道床上的變形均較小，軌道各結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能優(yōu)異，可以最大限度保證列車的行車安全。

3.2 軌道系統(tǒng)振動(dòng)分析

3.2.1鋼軌

鋼軌垂向和橫向振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖分別如圖6和圖7所示，圖中“普通道床-17年”為17年普通道床區(qū)間鋼軌振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。2種道床區(qū)間鋼軌加速度總振級(jí)見(jiàn)表3。

表3 鋼軌加速度總振級(jí)Tab.3 Total steel rail acceleration vibration level

圖6 鋼軌垂向振動(dòng)頻譜Fig.6 Vertical vibration spectrum of steel rail

圖7 鋼軌橫向振動(dòng)頻譜Fig.7 Spectrum of lateral vibration of steel rail

由圖6、圖7可見(jiàn)，不同軌道系統(tǒng)之間，鋼軌垂向振動(dòng)整體上變化趨勢(shì)一致，普通道床區(qū)間鋼軌橫向振動(dòng)相對(duì)較大。不同時(shí)間段，除鋼軌垂向振動(dòng)在12.5～315 Hz有一定的差距，其他頻段差別不大。2種軌道系統(tǒng)垂橫向振動(dòng)均在400 Hz出現(xiàn)峰值，同時(shí)在800 Hz處出現(xiàn)谷值。由表3可見(jiàn)，普通道床區(qū)間鋼軌垂向振動(dòng)總振級(jí)略低于組合道床區(qū)間，而橫向振動(dòng)則高于組合道床區(qū)間，與圖6和圖7基本吻合。這是因?yàn)榻M合道床中的鋼軌與列車輪轂間振動(dòng)較大，大量能量聚集在鋼軌上，從而使得組合道床的鋼軌垂向振動(dòng)大于普通道床，而傳遞到組合道床中的剩余振動(dòng)能量則大大減少。

3.2.2 道床及高架基礎(chǔ)振動(dòng)分析

道床和高架基礎(chǔ)垂向振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖分別如圖8、9所示。道床及高架基礎(chǔ)加速度總振級(jí)見(jiàn)表4。

表4 道床及高架基礎(chǔ)加速度總振動(dòng)級(jí)Tab.4 Total acceleration vibration levels of track bed and elevated foundation dBZ

圖8 道床振動(dòng)頻譜Fig.8 Spectrum of track bed vibration

圖8中，不同軌道系統(tǒng)之間，普通道床區(qū)間道床垂向振動(dòng)在3.15～250 Hz低于組合道床。不同時(shí)間段，2種軌道系統(tǒng)各自的道床振動(dòng)頻譜曲線基本一致。圖9中，普通道床區(qū)間高架基礎(chǔ)垂向振動(dòng)在整個(gè)頻段內(nèi)高于組合道床，且2種軌道系統(tǒng)的高架基礎(chǔ)振動(dòng)頻譜曲線隨時(shí)間變化不大。

由表4中可知，普通道床區(qū)間道床和高架基礎(chǔ)垂向振動(dòng)總振級(jí)均大于組合道床區(qū)間，與圖8和圖9基本吻合。這是由于組合道床中的水溝蓋板與橡膠彈性件配合，構(gòu)成動(dòng)力吸振器，從而將道床板部分振動(dòng)轉(zhuǎn)移至水溝蓋板上。通過(guò)調(diào)節(jié)橡膠材料的剛度，降低系統(tǒng)固有頻率，減少高于固有頻率外的頻段區(qū)間振動(dòng)傳遞率，由于橡膠材料的阻尼，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散掉。

圖9 高架基礎(chǔ)振動(dòng)頻譜Fig.9 Spectrum of elevated foundation vibration

3.2.3 組合道床隔振性能變化

表4中普通道床區(qū)間高架基礎(chǔ)總振級(jí)與組合道床之間的差值即為隔振性能，組合道床在2017年和2021年的隔振量分別為19.3、18.9 dBZ，變化率為–1.88%，表明組合道床在近海環(huán)境下其具有穩(wěn)定的隔振性能。

在不同時(shí)間段，2種軌道系統(tǒng)各自的道床振動(dòng)頻譜曲線基本一致，高架基礎(chǔ)振動(dòng)頻譜曲線隨時(shí)間變化不大，組合道床橫向變形和縱向變形均在較小的范圍內(nèi)變化，軌道系統(tǒng)的軌距擴(kuò)張、橫向偏移和縱向滑移等方面具有較高的穩(wěn)定性?？梢?jiàn)，該型組合道床在長(zhǎng)期受高濕度、高鹽霧、長(zhǎng)日照、高溫差、晝夜的干濕交替等環(huán)境特征的影響下，仍能保證其安全性、穩(wěn)定性以及良好的隔振性能。

4 結(jié)論

1）相對(duì)于普通道床，組合道床鋼軌相對(duì)于基礎(chǔ)的垂向平均變形為3.63～3.72 mm，符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范的4 mm的安全要求。組合道床橫向變形和縱向變形均在較小的范圍內(nèi)變化，且不同時(shí)間段各結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形差異較小。綜合表明，組合道床系統(tǒng)具有較高的隔振性能和較好的穩(wěn)定性能。

2）除普通道床區(qū)間鋼軌垂向振動(dòng)在12.5～315 Hz的不同時(shí)間段內(nèi)有一定的差距，其他各結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻譜曲線隨時(shí)間變化不大，且在整個(gè)頻段內(nèi)，各軌道系統(tǒng)加速度總振級(jí)隨時(shí)間變化差異較小。組合道床區(qū)間道床垂向振動(dòng)和高架基礎(chǔ)垂向振動(dòng)低于普通道床區(qū)間相應(yīng)振動(dòng)，表明組合道床具有較高的減振性能。

3）高架線組合道床在運(yùn)營(yíng)4 a后隔振量變化率為1.88%，表明組合道床在近海環(huán)境下具有穩(wěn)定的隔振性能。