客、货列车通过既有线路曲线段的振动响应测试分析

孙晓静,马　蒙, 刘维宁,王文斌,姜博龙

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京　100044；2.中国铁道科学研究院 城市轨道交通中心，北京　100081)

近年来，铁路运输引起的铁路沿线环境振动问题逐渐引起关注。相比高速铁路振动及地铁振动的研究，铁路既有线路上货车、客车振动及其对环境影响的研究较少，国内、外在振动标准、传播衰减特性、控制措施等方面均处于起步阶段。在国外，Smith等[1]通过实验室研究分析了夜间货车振动对人体的影响；Peris，Woodcock等[2-4]研究了考虑振动暴露量—人体反应关系的重载铁路振动及普通客车振动对人体的影响及评价方式，为制定重载铁路振动对人体影响的评价标准提供了研究基础；Vanhonacker[5]在比利时和波兰进行了客货混跑线路的环境振动测试，发现在20 Hz以下的低频段货车比客车的振动大约15 dB。在国内，雷晓燕等[6]通过计算发现货车引起的轨道动力响应比客车的作用大；陈建国等[7]通过现场测试也证实货车引起的地面加速度振级在各方向上明显大于客车，差值约为10 dB，在附近建筑物内测得的相同车速的货车比客车引起的加速度振级大5～15 dB[8-9]。

上述研究均针对直线线路的情况，而关于铁路既有线曲线段客、货列车振源的对比测试几乎未见报道。列车在通过曲线线路时，由于横向力作用、钢轨磨耗等原因，会产生比在直线线路上更大的振动。因此，了解货车通过曲线段的振源特性及环境振动响应规律对货车振动控制措施的合理制定具有较强的工程意义。为此，本文选择在一处客货混跑线路的曲线区间进行现场测试，以分析客、货列车的振动特性。

1　测试概况

图1　测试断面示意图

测试断面选择在下行线圆曲线中点处，测点布置如图2所示。在轨道系统处共布置5个测点，即在下行线内、外轨上分别布置测点R1和R2，同时测试钢轨垂直和水平2个方向的振动；在轨枕中心处布置测点S，测试轨枕的垂向振动；道床坡脚处布置测点G1和G2，测试该处地表的垂向振动。由于我国评价环境振动影响的指标为Z振级，因此本次测试中还测试了自由场地地表的垂向振动，即在上、下行线间的自由场地地表共布置8个测点G3—G10，它们距下行线外轨道床坡脚的水平距离分别为5，10，15.3，20，25，27.5，29.4和34 m。钢轨测点R1和地表测点G7的布置如图3所示。

图2　测点布置图

图3　钢轨(R1)及地表(G7)测点布置图

测试时使用2台INV3018C型24位高精度数据采集仪，其中1台记录振源数据(测点R1，R2，S，G1和G2)，1台记录地表振动响应数据(测点G3—G10)；当下行线通过列车时，同时测试振源和地表振动；当上行线通过列车时，仅测试地表振动。钢轨振动加速度测试采用Lance AS0123T系列振动加速度传感器，量程为200g；轨枕振动加速度测试采用Lance AS0105系列振动加速度传感器，量程为20g；地表振动加速度测试采用Lance AS0115系列振动加速度传感器，量程为1g。

2　测试结果及分析

2.1　轨道系统

2.1.1时域分析

图4和图5分别为客、货列车通过时轨道系统的典型垂向振动加速度时程图(从钢轨响应时程曲线来看，内、外轨区别不大，因此图中仅给出外轨的时程响应)。由图4和图5可见：钢轨的振动加速度出现明显的冲击效应，这种冲击效应经轨枕、道床逐渐衰减；坡脚的振动响应明显低于轨枕的振动响应，表明振动能量在道砟中明显衰减；客车通过时，各车辆引起的轨道系统垂向振动加速度较为均匀，体现出比较稳定的周期性振动响应，而货车通过时，由于各车辆装载的货物重量不一致，导致轨道系统垂向振动加速度的差异较大，其中钢轨振动加速度峰值的差异甚至超过900 m·s-2，这意味着，在评价既有线通过货车时对环境振动的影响时，应重点考虑轨道系统垂向振动加速度峰值的影响，而不能仅仅考虑其平均值；客车引起的坡脚振动加速度时程最大值由机车决定；由于货车采用长编组，故经过测点的通行时间明显长于客车，引发的轨道系统振动响应时间也远长于客车。

图4　客车通过时轨道的典型垂向振动加速度时程图

图5　货车通过时轨道的典型垂向振动加速度时程图

图6为统计得到的下行线振源各测点振动加速度的时域有效值，图中同时给出各测点的最大值、最小值和平均值。由图6可见：货车引起的轨道系统振动加速度的平均值明显大于客车的；统计数据中货车的轨道系统振动加速度时域有效值样本的离散程度也大于客车(如货车与客车通过时振源振动加速度有效值离散程度之比，钢轨的最大为4，轨枕的为3.6，道砟外坡脚的约为1.5)，这是因为客车载客后各节车厢的实际轴重差异不大，而货车由于各节车厢的装载质量差异大且编组情况复杂等，从而引起其实际轴重差异大。

图6　振源振动加速度的时域有效值

2.1.2频域分析

图7和图8分别为客、货列车通过时典型的钢轨垂向振动加速度频谱，该典型样本的振动响应与图6所示的平均值最为接近，具有代表性。由图7和图8可见：对比由列车轴重引起的10 Hz以下振动的准静态分量，货车的低频振动明显高于客车的，这与欧洲的测试结果[5]是一致的；客车和货车均在18 Hz频率处出现1个小的振动峰值，这一频率与列车以39 km时速通过0.6 m轨枕间距时的特征频率相对应，但在18 Hz频率处货车的振动响应要明显大于客车的，说明同一特征波长对应特征频率处的振动幅值大小取决于列车轴重；在100～2 000 Hz频段的振动响应很大，这与整个轨道的不平顺有关，其中外轨的高频振动响应大于内轨的，这与外轨出现的剥离掉块现象密切相关，钢轨的剥离掉块会显著加剧振动的高频成分。

图7　客车通过时钢轨的典型垂向振动加速度频谱

图8　货车通过时钢轨的典型垂向振动加速度频谱

2.2　自由场地

2.2.1时域分析

经常会有父母带着自己的宝宝因为O型腿或X型腿前来就诊或咨询。必须要指出的是轻微的O型腿或X型腿是小儿三岁前正常发育的过程。在不是特别严重的情况下，到5～6岁时都会变得正常。

图9和图10分别为测试到的客车和货车通过时地表部分测点的典型垂向振动加速度时程图。由图9和图10可见：土层对垂向振动有明显的衰减作用，随距振源距离的增加，列车车轮引起的振动冲击效应逐渐减小，地表25 m处的振动加速度响应相比地表5 m处的振动加速度响应衰减了1个数量级；与轨道的测试结果相同，自由场地的振动加速度时程表现为客车通过时更均匀，但响应时间较货车的短；客车引起的距外轨道床坡脚5 m处地表振动加速度时程最大值由机车决定，但地表其他测点的加速度响应值比较均匀。

图9客车通过时距振源不同距离处地表的典型垂向振动加速度时程图

图11为上行线和下行线过车时地表振动加速度有效值衰减的统计结果。由图11可见：由于列车出站通过上行线时的车速较低(10～20 km·h-1)，故振动响应明显低于通过下行线时；在所分析的0～34 m范围内，货车引起的自由场地振动明显大于客车引起的；列车通过上、下行线时均在G5测点处出现1个振动衰减的回弹区域，此测点距离下行线道砟外坡脚15.3 m，距离上行线道砟外坡脚18.7 m，这说明此处出现的振动衰减回弹与列车低频振动分量的体波、瑞利波在此处叠加无关，而与该测点位置处土层局部性质的差异有关；上行线过货车时振动比下行线衰减的更为缓慢，这是由于列车通过上行线时的车速低，由准静态分量引起的低频成分能量会相对较大，而低频振动较高频振动衰减慢。

图10货车通过时距振源不同距离处地表的典型垂向振动加速度时程图

图11　地表垂向振动加速度有效值衰减曲线

2.2.2频域分析

客车、货车通过时自由场地地表垂向振动加速度有效值的1/3倍频程频谱如图12所示。由图12可见：2种列车引起的自由场地振动在1/3倍频程上表现出的变化趋势基本相同，均在63～80 Hz频段内出现峰值，随后极速下降，并且这种规律与距振源的距离无关，这说明63～80 Hz频段内的振动峰值是由轨道系统引起的，在自由场地的传播过程中不改变此特性；在10 Hz以下频段内，货车引起的自由场地振动明显大于客车的，而在其他频段内两者的量值比较接近，说明土层的存在也无法消除这种由列车准静态分量引起的低频振动差异。

图12　地表垂向振动加速度有效值的1/3倍频程频谱

2.2.3振级衰减分析

上行线和下行线过车时自由场地地表的最大Z振级衰减曲线如图13所示。由图13可见：在0～34 m范围内，客车和货车作用下的最大Z振级相差并不大(最大平均值约为2～3 dB)，这是因为最大Z振级的计算方法仅与列车中轴重最大的机车或车辆通过时的振动能量有关，而与列车的通行时间无关；而由图4和图5可见，由于货车的编组长，且其通行时间远远大于客车，而现行以Z振级为指标的环境评价方法并不能反映货车通行时间较长、对环境振动影响的持续时间也较长这一特点。

图13　自由场地地表的最大Z振级衰减曲线

基于此，采用考虑列车荷载作用持续时间的评价指标——暴露振级(Vibration Exposure Level)，分析列车通过时振动能量的变化。根据文献[10]的研究，暴露振级VEL为

(1)

式中：aw(t)为随时间变化的计权加速度有效值；a0为参考加速度，取10-6m·s-2，与计算加速度级时的参考加速度保持一致。

图14给出了上、下行线过车时自由场地地表的暴露振级衰减曲线。由图14可见：对于同一线路，自由场地地表的暴露振级与通过列车的类型相关，货车的暴露振级明显大于客车的，平均超出约3 dB以上；对比图13与图14不难看出，由于考虑了荷载作用的时间因素，暴露振级能够更加真实地反映列车通过时振动能量的变化，因此在评价货车对环境振动的影响时应综合考虑Z振级和暴露振级这2个指标。

图14　自由场地地表的暴露振级衰减曲线

3　结　论

(1)坡脚的振动响应明显低于轨枕振动响应，表明振动能量在道砟中明显衰减。

(2)客车通过时，各车辆引起的轨道系统垂向振动加速度较为均匀，体现出比较稳定的周期性振动响应；货车通过时，由于编组内各车辆装载的货物重量不一致而导致轨道系统垂向振动加速度的差异较大。因此，在对货车通过既有线路曲线段时对环境振动的影响进行评价时，应重点考虑轨道系统垂向振动加速度峰值的影响。

(3)受准静态分量的影响，货车在10 Hz以下低频段的振动响应大于客车，而土层的衰减作用也无法消除这种低频振动的差异。

(4)受编组辆数影响，货车对环境振动影响的作用时间远大于客车的；客、货列车引起的自由场地Z振级相差不大，但二者的暴露振级差别明显，说明暴露振级能够更加真实地反映客、货列车通过时二者在列车荷载作用时间及所产生振动能量的差异性，因此在评价货车对环境振动的影响时建议综合采用Z振级及暴露振级这2个评价指标。

[1]SMITH M G, CROY I, ÖGREN M, et al. On the Influence of Freight Trains on Humans: a Laboratory Investigation of the Impact of Nocturnal Low Frequency Vibration and Noise on Sleep and Heart Rate[J]. Plos One, 2013,8(2): 1-9.

[2]PERIS E, WOODCOCK J, SICA G, et al. Annoyance from Railway Vibration in Residential Environments: Factors of Importance when Considering Exposure-Response Relationships[C]//Acoustics 2012. Hong Kong:[s.n.]，2012.

[3]WOODCOCK J, SHARP C, SICA G, et al. Human Response to Vibration from Passenger and Freight Railway Traffic in Residential Environments[C]//19th International Congress on Sound and Vibration. Vilnius, Lithuania: [s.n.]，2012.

[4]PERIS E, WOODCOCK J, SICA G, et al. Attitudinal Factors as Determinants of Railway Vibration Annoyance[C]// Inter Noise 2012. New York:[s.n.]，2012.

[5]VANHONACKER P. Attenuation of Ground-Borne Vibration Affecting Residents near Railway Lines, D2.2[R]. Leuven, Belgium: Alfa Products and Technologies, 2013.

[6]雷晓燕, 邓福清. 客货混运铁路专线轨道振动分析[J]. 铁道工程学报，2007(3)：16-20.

(LEI Xiaoyan, DENG Fuqing. Vibration Analysis of Track for Railways with Passenger and Freight Traffic[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2007(3):16-20. in Chinese)

[7]陈建国, 夏禾, 陈树礼, 等. 运行列车引起的周围地面振动规律研究[J]. 工程力学，2010，27(1)：98-103.

(CHEN Jianguo, XIA He, CHEN Shuli, et al. Investigation on Running-Train-Induced Ground Vibrations near Railway [J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(1):98-103. in Chinese)

[8]陈建国, 夏禾, 曹艳梅, 等. 运行列车对周围建筑物振动影响的试验研究[J]. 振动工程学报，2008，21(5)：476-481.

(CHEN Jianguo, XIA He, CAO Yanmei, et al. Experiment on Running Train Induced Vibrations of Nearby Buildings [J]. Journal of Vibration Engineering, 2008，21(5): 476-481. in Chinese)

[9]XIA H, CHEN J G, WEI P B, et al. Experimental Investigation of Railway Train-Induced Vibrations of Surrounding Ground and a Nearby Multi-Story Building[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2009,8(1):137-148.

[10]马蒙, 刘维宁, 王文斌, 等. 考虑持续时间因素的铁路环境振动影响评价[J]. 振动与冲击，2016, 35(10)：217-221.

(MA Meng, LIU Weining, WANG Wenbin, et al. Evaluation of Train-Induced Environmental Vibrations Consi-dering the Factor of Exposure Time[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(10): 217-221. in Chinese)