深圳地铁轨道减振性能测试与分析

王 媛,曹广忠,匡如华

深圳地铁轨道减振性能测试与分析

王 媛1,2,曹广忠1,2,匡如华3

(1.深圳大学自动化研究所,广东深圳 518060;2.深圳大学传感器技术重点实验室,广东深圳 518060; 3.深圳地铁集团有限公司,广东深圳 518000)

为了掌握深圳地铁列车在不同轨道结构上运行时的相关振动性能,对深圳地铁1号、2号线试车线列车运行时引起的地面振动进行在线实测,并对相应测试数据进行时域和频域分析,比较有砟轨道和铺设有橡胶隔振垫的轨道轨枕处及地面的振级。结果表明:列车在铺设有橡胶隔振垫的轨道上运行时,引起的地面振动有明显的减小,轨枕处的减振效果为4.05 dB,距轨道中心线6.0m处地面的减振效果为6.08 dB,距轨道中心线7.5m处地面的减振效果为8.70 dB,橡胶隔振垫减振效果明显,采用橡胶隔振垫是一项有效的地铁减振措施。

地铁;橡胶隔振垫;轨道结构;减振措施

1 概述

随着城市轨道交通的快速发展,地铁引起的振动和噪声问题得到国内外的重视,如何采用有效的减振降噪措施降低振动的环境影响成为热点问题之一,各国根据不同的减振要求,对传统的碎石道床和整体道床作了大量的改进研究工作,各种减振型轨道也应运而出。日本和欧洲地铁广泛采用在轨枕下和道砟底下加设橡胶垫的方法,根据日本新干线测定,在高架桥上铺道砟可使振动加速度减少1/2～1/3,减振效果显著[1];瑞士联邦铁路和国际铁路联盟(UIC)实验研究所(ORE)共同执行了一项计划,以A.Zach和G. Rutishauser为首的研究小组研究了地铁列车和隧道结构的振动频率和加速度特征,从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构振动影响的途径;美国G.P.Wilson等针对铁路车辆引起的噪声和振动,提出了通过改善道床结构形式(采用浮板式道床)和改革车辆转向架构造以减少轮轨接触力的方法,降低地铁车辆引起的噪声和振动的建议。国内学者也做了大量研究,铁道科学研究院的王澜、宣言等建立了列车-轨道结构耦合系统有限元模型,将轨道不平顺作为列车-轨道结构耦合系统的激励源,对普通碎石道床轨道结构和浮置板式轨道结构的列车-轨道结构耦合系统动力学性能进行仿真研究,对比分析这2种类型的轨道结构系统振动响应与系统振动传递函数,评价浮置板式轨道结构的隔振效果[2];陈建国,于秀梅等通过对国内外城市轨道交通对环境影响的分析,指出轨道交通对环境振动影响研究的必要性和紧迫性,对轨道交通振动的3个部分即车结构相互作用,振动的传播,振动对建筑物的影响的国内外研究现状分别进行阐述,并对该领域需要研究的问题提出建议[3];周虎利根据城市轨道交通的特点,通过对城市轨道交通运营特征的分析,提出城市轨道交通轨道结构选型的基本要求[4];辜小安、任京芳等通过对北京、上海、广州等城市既有地铁线路两侧环境振动实测结果及理论分析比较了我国地铁既有振动控制措施效果[5];张玉娥,牛润明等讨论地铁周围环境振动分析方法及存在问题,提出振动控制措施,并指出需进一步研究的问题[6];丁德云等基于地表低频响应测试数据,结合“钢弹簧浮置板轨道-隧道-地层”和“普通轨道-隧道-地层”耦合的三维有限元数值模拟结果,采用回归分析的方法,研究地表低频响应受激振频率(1～20 Hz)、距轨道水平距离(0～100 m)和轨道埋深(10～30m)等因素的影响,推导出地表低频响应量分析公式[7-8]。基于前人研究成果,本文结合深圳地铁1、2号线试车线,对地铁列车在普通轨道以及橡胶浮置板轨道运行时的振动量级进行实测、比较,考察橡胶浮置板的隔振效果。

2 地铁轨道结构与振动测试方案

有砟轨道结构包括钢轨、扣件、轨枕、道床、各垫层及其他相关设备。其中钢轨、扣件和各垫层与减振的关系最为密切。轨道结构的减振主要通过对这些部件的相关参数进行优化,以达到减振的目的。有砟轨道的道砟提供了很好的弹性,沿着钢轨振动传递衰减较大(即道砟的吸音作用),对减振降噪有利[9]。浮置板轨道结构系统采用3层水平垫板(钢轨下橡胶垫板、铁垫板下橡胶垫板、板下橡胶垫板)和1层侧向垫板,其基本原理是在轨道上部建筑与基础间插入一固有振动频率远低于激振频率的线性谐振器,即将具有一定质量和刚度的混凝土道床板浮置在橡胶或者弹簧隔振器上,利用浮置板质量惯性来平衡列车运行引起的动荷载,仅有没有被平衡的动荷载和静荷载才通过钢弹簧元件传到路基或者隧道结构上,达到减振的目的。其成功应用及测试结果表明,浮置板轨道结构在共振频率下的放大倍数很低,减振降噪效果非常显著,是降低地铁传振和传声的最有效方法。橡胶支撑浮置板轨道无需并联液压阻尼器,所采用的防振橡胶具有三向弹性,橡胶分子之间及橡胶分子和填充剂之间的相互作用而产生的内摩擦比金属弹簧大1 000倍以上,可以通过内摩擦衰减振动[10-11]。

2.1 测试仪器与设备

振动测试采用东方振动与噪声技术研究所研制的INV3018A型24位多通道信号采集分析仪、ICP型振动加速度传感器,以及与INV3018A信号采集仪配套的DASP智能数据采集和信号处理软件。

测试仪器与设备组成如图1所示。

图1 测试仪器与设备组成

现场测试采用压电加速度传感器采集垂向振动加速度信号,压电传感器直接将机械能变成电能,并通过信号电缆把采集到的信号传输到采样频率达51.2kHz的INV3018A高速数据信号采集仪上,INV3018A采集仪适合高精度的振动信号采集,采用24位ΔΣ方式的AD转换器,4通道并行、性能稳定可靠,采集仪与PC机相连,利用DASP数据采集和信号处理软件对实测数据进行时域和频域分析。

2.2 测点布置

测点的布置主要基于3个方面的考虑[12]:①地铁振动敏感建筑物的位置;②尽量选择周边地面交通影响小的场所;③现场的布线及布点的条件可行。根据深圳地铁实际运行路况信息,选择在深圳地铁1、2号线的试车线进行振动测试实验,各布置3个测点,分别布置在:

测点1,轨道轨枕上表面;

测点2,距线路中心线6.0m的水泥地面上;

测点3,距线路中心线7.5m的水泥地面上。

2.3 测试条件

实验测试条件:地铁列车空载,门窗关闭,广播关闭,空调手动挡21℃,照明设备正常运行。

3 测试结果分析

3.1 时域分析

对地铁列车有关振动的时域分析,主要考察其振动振级,振动振级定义为

式中 a——垂向加速度值;

a0——加速度标准值,a0=10-5m/s2。

基于本文构建的测试方案,对深圳地铁1、2号线试车线上列车运行时引起的振动进行了测试,其中深圳地铁1号线试车线为普通有砟轨道,深圳地铁2号线试车线为铺有橡胶隔振垫的有砟轨道。测试时试车线上列车运行在其最大允许速度60 km/h,对获得的测试数据进行分析,获得普通有砟轨道各测点的时域波形分别如图2所示,获得铺有橡胶隔振垫的有砟轨道各测点的时域波形分别如图3所示。

图2 普通有砟轨道各测点的时域波形

图3 橡胶浮置板有砟轨道各测点的时域波形

对实测数据进行计算,获得2种轨道结构情况下相应3个测点的Z振级,如表1所示。

表1 车速为60 km/h时各测点的Z振级dB

比较不同轨道结构、相同测点的Z振级可知,橡胶浮置板有砟轨道对应测点的Z振级均小于普通有砟轨道对应测点的Z振级。相对于普通有砟轨道,计算可得铺有橡胶隔振垫的橡胶浮置板有砟轨道的减振效果如表2所示。

表2 试车线橡胶隔振垫减振效果计算dB

3.2 频域分析

频谱分析是将时域内的观测数据序列通过FFT变换转换到频域内进行分析,以获得信号的频率成分和结构,有助于确定时间序列的准确周期并判别隐蔽性和复杂性的周期数据。本文对振动信号的频谱分析,主要进行幅频分析,即加速度大小和频率的关系,峰值大意味着相应频率信号在该时间序列中占主地位。

根据对地铁列车以速度为60 km/h在不同结构轨道的试车线上运行时测得的振动数据,计算获得各测点振动信号的频谱对比分别如图4～图6所示,其1/3倍频程振级对比分别如图7～图9所示。

图4 轨枕上表面测点的振动频谱对比

图5 距线路中心线6.0m处地面测点的振动频谱对比

图6 距线路中心线7.5m处地面测点的振动频谱对比

由图4～图6可知,轨枕上表面测点1的频率成分复杂,距线路中心线6.0m地面测点2的频率成分主要集中在100 Hz以下,而距线路中心线7.5m地面测点3的频率成分主要也集中在100 Hz以下;橡胶浮置板有砟轨道轨枕上表面测点1、距线路中心线6.0m处地面测点2和距线路中心线7.5m处地面测点3的绝大部分频率处振动量小于普通有砟轨道的相应量,存在个别频率处振动量放大的情况。

分析图7～图9各测点的分频振级可知,橡胶浮置板有砟轨道轨枕测点在12.5Hz以下和125 Hz以上频段的振级小于普通有砟轨道轨枕测点的振级,在16～100 Hz有局部放大现象;橡胶浮置板有砟轨道距线路中心线6.0m处地面测点各频段的振级均小于普通有砟轨道对应测点的振级,在中心频率40 Hz和50 Hz处存在局部放大的情况;橡胶浮置板有砟轨道距线路中心线7.5 m处地面测点的分频振级均小于普通有砟轨道对应测点的振级。

图7 轨枕上表面测点的分频振级比较

图8 距线路中心线6.0m处地面测点的分频振级比较

图9 距线路中心线7.5m处地面测点的分频振级比较

4 结 论

(1)列车在铺设有橡胶隔振垫的轨道上运行时,引起的地面振动有明显的减小,橡胶隔振垫具有明显的减振效果。

(2)铺设有橡胶隔振垫的深圳地铁2号线试车线轨道,相比未铺设有橡胶隔振垫的深圳地铁1号线试车线轨道,轨枕处的振动减小4.05 dB,距线路中心线6.0 m处地面的振动减小6.08 dB,距线路中心线7.5m处地面的振动减小8.70 dB。

(3)采用橡胶隔振垫是一项有效的地铁减振降噪措施,对未来的深圳地铁轨道建设具有参考作用。

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Perform ance Test and Analysis of Vibration Attenuation of Tracks on Shenzhen Metro

WANG Yuan,CAO Guang-zhong,KUANG Ru-hua
(1.Institute of Automation,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.Key Laboratory of Sensor Technology, Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;3.Shenzhen Metro Group Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)

In order to investigate relevant vibration performance of different track structures when the train of Shenzhen Metro is running on them,in-situ test of ground vibration caused by train running was carried out along the testing lines of Shenzhen Metro Line 1 and 2,and the corresponding test data were analyzed in both time domain and frequency domain,so that the vibration levels at track sleeper and at ground surface of the track with or without rubber vibration isolation pads could be obtained and compared.The results show that the ground vibration is significantly attenuated when the track is paved with rubber isolation pads.The vibration attenuation values are 4.05 dB,6.08 dB,8.70 dB respectively at sleeper,at the ground surface 6.0m away from the center line of the track,and at the ground surface 7.5m away from the center line of the track.All the results illustrate that,paving rubber vibration isolation pads under the track can give remarkable vibration attenuation effects and can serve as an effective vibration attenuationmeasure formetro.

metro;rubber vibration isolation pad;track structure;vibration attenuation measures

U231

A

1004- 2954(2013)07- 0029- 04

2012- 12- 05;

2012- 12- 17

国家自然科学基金项目(51275312)

王 媛(1987—),女,硕士研究生。