U形梁桥与轨道结构的振动匹配性分析

王永冠，查国涛，卜继玲，李心

(株洲时代新材料科技股份有限公司技术中心，湖南株洲412007)

U形梁桥与轨道结构的振动匹配性分析

王永冠，查国涛，卜继玲，李心

(株洲时代新材料科技股份有限公司技术中心，湖南株洲412007)

通过对匹配不同轨道结构的U形梁振动测试，研究不同轨道结构对U形梁的隔振效果。研究对象包括:安装轨道减振器的支撑块承轨台;安装WJ-2A扣件的梯形轨道;两种结构略有差异的U形梁，但匹配的轨道结构同为安装WJ-2A扣件的支撑块承轨台，共计4种不同的U形轨道高架桥梁。测试分析结果表明，匹配合理的轨道结构能有效降低U形梁桥本身的振动，保护梁体结构及附属设备。

U形梁桥 轨道减振器 梯形轨道 轨道结构

U形梁属于一种下承式的开口薄壁结构，梁体由底板、两侧的腹板和腹板顶部的翼缘板连成U字形横截面的通道，底板的上表面连接承轨台。与传统的上承式梁相比，U形梁降低了轨道标高和桥梁的整体高度，减小了对周边环境的影响;两侧腹板可根据荷载的大小做成不同的结构形式，有利于美化周边环境并达到降噪的作用，同时防止列车脱轨后冲出桥梁。因此，U形梁在高架城轨得到越来越广的应用。图1为U形梁桥外观。

图1 U形梁桥外观

大部分的U形梁匹配的轨道结构为支撑块承轨台，扣件主要使用普通扣件，如WJ-2A。2003年建成通车的广州地铁2号线的高架结构，2007年上海轨道交通8号线，2009年南京地铁2号线均采用了这样的轨道结构搭配U形梁，有大量的应用实践;搭配梯形轨道的U形梁结构也有少部分应用，如2014年初试运营的上海地铁16号线部分高架段。U形梁搭配两种不同的轨道结构如图2所示。

图2 U形梁与不同的轨道结构匹配使用现场

国内部分U形梁经过多年的运营，出现一些病害，主要集中发生在匹配的轨道结构为支撑块承轨台、扣件为普通扣件的U形梁上。

U形梁病害表现为:U形梁跨中的接触网柱螺栓容易松动;U形梁梁端钢轨扣件容易松动;部分承轨台与现浇底座结合部位出现裂缝等。这些病害显著说明桥梁本身的振动过大。为此研究U形梁桥和不同轨道结构的匹配关系，开展了一系列针对U形梁桥的在线振动测试工作，意义重大。可惜相关内容文献资料很少，类似文献［1］也只是测试了U形梁的环境振动而不是梁体本身。本文从桥梁振动方面研究U型梁桥与轨道结构的匹配关系，对测试结果做了初步的分析，为城市轨道建设合理控制U形梁振动以及线路设计提供参考。

1 U形梁测试情况介绍

本次测试对象为某地铁公司的A号线路和B号线路的U形梁桥，共4种梁跨，两种轨道结构、两种扣件类型的多种组合工况，具体测试对象如表1所列。

表1 被测对象基本信息

测试内容为列车通过时的桥梁振动。其中U梁a、U梁b、U梁c结构相同，它们之间不同的地方在于轨道结构;而U梁d的梁体和前三种除了跨度不一样外，截面局部也有细微尺寸上的差异。A号线和B号线测试情况略有区别:A号线是在营线路，B型车;B号线是新线，A型车。但都是6辆编组配重在不同速度下做的振动测试。各测点布置如图3所示，V1—V12为各加速度传感器的布置点。

图3 U形梁的截面和测点布置示意

目前国内外还没有专门针对城市轨道高架桥梁振动测量及评判的相关标准［2］。本文桥梁动力响应测试采用与文献［3］一致的测量手段与分析方法。

2 测试结果分析

2.1 相同扣件不同轨道结构下U形梁的动力响应

对相同扣件不同轨道结构的U梁b和U梁d进行3种车速行车工况的动力响应测试，对原始测试数据在1～200Hz内做振级均方根值Z计权处理，结果分析如图4、图5所示。除了U梁b振级比U梁d大致降低10 dB左右，其它总体上两者的结果基本趋于一致:承轨台在60 Hz附近出现一个响应峰值，且峰值频率不受车速的影响，峰值量级随着车速的增加而增加;承轨台在20 Hz附近的振动响应受车速影响不明显，3种车速下的振动量级接近。

从图4、图5明显发现两点:①同是WJ-2A扣件，梯形轨道匹配U梁的隔振效果显著优于支撑块承轨台匹配U梁;②无论匹配何种轨道结构，由轮轨作用振源激起的U梁振动，在60 Hz左右有个明显的峰值，表明梁体发生了共振。这是由U梁桥固有的特性和振源特性共同决定的，靠U形梁的结构调整，如跨度变化、截面优化等措施很难根除。

1．加强马克思恩格斯经典作家的共享思想研究。十八届五中全会以来，国内学术界和理论界从习近平共享发展理念的理论来源、习近平共享发展理念内涵、习近平共享发展理念实践基础以及习近平共享发展理念的实践思路等方面进行了全方位多角度的研究，为习近平共享发展理念的贯彻落实给予理论参考。但学术界和理论界对马克思主义经典著作的共享发展思想剖析还比较少，马克思主义理论作为我国社会主义政治、经济、文化等方面建设的指导思想，必须大力挖掘经典作家们的共享思想，才能更加准确地把握习近平共享发展理念，更好地运用习近平新时代中国特色社会主义思想武装我们的头脑，更好地运用习近平共享发展理念服务于新时代。

图4 U梁b跨中承轨台垂向振动1/3倍频程频谱

图5 U梁d跨中承轨台垂向振动1/3倍频程频谱

2.2 相同轨道结构不同扣件下的U梁动力响应

U梁a、U梁c与U梁d均为支撑块承轨台轨道结构，仅扣件不同而已。U梁c和U梁d都是WJ-2A扣件，但U梁c为新扣件，而U梁d为旧扣件。U梁a则采用的是高弹性整体式扣件，又称科隆蛋轨道减振器［4］。

测试分别在40，60和80 km/h车速下，对三者振动进行对比。振动测量按GB 10071—88［5］要求执行。振动对比结果如图6和图7所示。从中分析可以得出:U梁a和U梁c的Z振级分别比U梁d小15.3 dB和6.5 dB，未计权振级分别比U梁d小12.8 dB和2.1 dB。可见U梁a的振动响应要明显小于U梁c和U梁d，U梁d的动力响应略大于U梁c。

图6 承轨台与道床测点的Z振级对比(2～200 Hz)

图7 承轨台与道床测点的未计权振级对比(2～1 000 Hz)

综上得出，同是U梁匹配支撑块承轨台轨道结构，扣件的选择非常关键，如匹配恰当同样能大幅度提高轨道结构的隔振性能。在本次测试中的U梁a选择高弹性的轨道减振器扣件，就使得桥梁的动力响应比选择WJ-2A扣件的要低得多。这样可以大大保护轨道的附属设施，降低桥梁的结构振动和结构噪声。

2.3 分频振级差值评估

分频振级差值测试结果如图8所示，测量位置为梁中中间道床。分析如下:

1)U梁c与U梁a相比，分频振级的最大差值为21.6 dB，最小差值为-6.9 dB，如图8(a)所示。图中反映，从＞10 Hz频域范围的隔振效果上看，U梁a的轨道结构匹配效果比U梁c好，尤其是50～100 Hz频带内，U梁a的轨道匹配的隔振效果显著。安装轨道减振器的支撑块承轨台轨道结构可以有效地隔离容易激起U梁振动的频率成分。

2)U梁c与U梁b相比，分频振级的最大差值为20.9 dB，最小差值为-4.8 dB，如图8(b)所示。数据显示，在10 Hz以内频域范围，U梁b轨道结构匹配的隔振效果和U梁c的基本一致;在40 Hz以后，U梁b轨道结构匹配的隔振效果才明显好于U梁c。而有效隔离的恰恰是60 Hz左右的振动，这部分频率成分容易激起U形梁体的振动，该结果同图4、图5反映的规律一致。这同样也说明:安装WJ-2A扣件的梯形轨道结构可以有效地隔离容易激起U梁振动的频率成分。

3)U梁b与U梁a相比，分频振级的最大差值为8.5 dB，最小差值为-7.7 dB，如图8(c)所示。数据显示，两种不同的轨道结构匹配U型梁的隔振效果基本一致。

以上的测试结果与分析同文献［7-10］的研究结论一致。

图8 梁中中间道床的分频振级和振级差值曲线

3 结论

1)U形梁桥的振动是由其自振特性和振源性质共同决定的，单靠U形梁的结构调整，如长度变化、截面优化等措施，梁体振动的改善效果不明显。本次测试对象的U梁在60 Hz附近容易被激振起来，形成峰值。通过匹配合理的轨道结构系统，可以有效地隔离振源中的这一频率成分，大大降低桥梁的振动。

2)安装WJ-2A扣件的支撑块承轨台轨道结构不能有效地隔离容易激起U梁振动的频率成分。U形梁匹配这样的轨道结构，桥梁本体的振动较大，不但容易引起梁体本身的病害，更容易引起桥梁附属设备的病害。

3)安装轨道减振器的支撑块承轨台轨道结构和安装WJ-2A扣件的梯形轨道结构能够有效地隔离容易激起U梁振动的频率成分，有效降低梁体的振动，从而保护梁体本身结构和附属设备。

［1］王彬力，蒲黔辉，白光亮.新型U型梁车桥耦合环境振动实测与分析［J］.地震工程与工程振动，2012(2):78-85.

［2］伍文祥.轨道交通U型梁中低频振动特性研究［D］.上海:同济大学，2014.

［3］耿传智，孙晓明.地铁轨道结构减振效果的实测分析［J］.环境污染与防治，2011(11):54-62.

［4］江波.城市轨道交通轨道结构噪声分析与减振降噪措施［J］.铁道建筑，2004(2):62-65.

［5］国家环境保护局.GB 10071—88城市区域环境振动测量方法［S］.北京:中国标准出版社，1988.

［6］中华人民共和国住房与城乡建设部.JGJ/T 170—2009城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［7］刘加华.从轨道结构降低城市轨道交通高架结构振动与噪声的研究与应用［D］.上海:同济大学，2006.

［8］邓玉姝，夏禾，善田康雄，等.城市轨道交通梯形轨枕轨道高架桥梁试验研究［J］.工程力学，2011(3):49-54.

［9］马春艳，谷爱军，夏禾.城市高架桥减振器轨道结构振动及传播特性［J］.都市快轨交通，2008(4):40-43.

［10］王惠凤.地铁轨道结构减振性能评价研究［D］.上海:同济大学，2009.

(责任审编孟庆伶)

U443.3+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.08

1003-1995(2015)05-0030-04

2014-08-31;

2015-02-16

王永冠(1976—)，男，四川攀枝花人，高级工程师，硕士。