本文简单论述了国内外关于环境振动控制的标准、测量方法以及我国铁路环境振动特征。详细阐述了国内外铁路交通的各种减振措施及其减振性能,包括轨道交通系统中振动源控制措施、传播途径控制和受振对象被动隔振措施。振动源控制措施主要是车辆振动控制措施、降低轨道不平顺和钢轨振动控制措施。车辆振动控制措施主要是关于轻型化设计、轴距合理设计、车辆悬挂系统的合理设计、弹性车轮、阻尼车轮以及车轮镟修等优化动力学特性的减振措施。轨道不平顺和钢轨振动控制措施是关系到重型钢轨的使用、钢轨科学打磨策略、钢轨接头处理和阻尼钢轨的使用。振动传播途径控制措施涉及到减振扣件、弹性垫层、弹性减振轨枕、多种减振轨道结构和大地传播隔振措施。受振对象被动隔振主要在建筑物基础进行隔振处理。相关内容可为铁路交通减振措施的选择提供借鉴和参考。<br/ > This paper gives a brief introduction to the standard measurement methods of environmental vibration at home and abroad, and characteristics of railway environmental vibration in China. Various mitigation measures for railway vibration are presented in detail. They include vibration source control, route control of vibration transmission and vibration isolation measures for protected objects near rail transport systems. Vibration source control mainly con-tains vehicle vibration control, reducing the track irregularity and rail vibration control. Vehicle vibration control mainly indicates the design of light-weight vehicle, rational wheelbase, suspension system, and resilient wheel, damped wheel, wheelset-turning repair, and optimizing the dynamic characteristics. Track irregularity and rail vibration control are re-lated to the use of heavy rail, scientific strategies of rail grinding, treatment of rail joint and the use of damped rail. Route control of vibration transmission is involved in damping fastening, elastic pad, elastic damping sleeper, various vibration damping track structures and ground vibration isolation measures. The vibration isolation measures for the protected objects are mainly to consider setting their foundation isolation. The present paper provides the references and guides for how to choose mitigation measures for railway vibration.
随着我国高速铁路和城市轨道交通的蓬勃发展,而且列车运营速度越来越高,其引起的环境振动问题越来越明显,已逐渐影响到人们的日常生活和工作。人体长时间暴露在振动环境中,会引发各种运动病;而且,铁路及城市轨道交通引起的振动对建筑物的结构、安全以及对精密仪器的正常使用都会有一定的影响[
轮轨表面粗糙度、钢轨接头以及轨枕或扣件的离散支撑引起的各种不平顺,会导致列车在轨道上运行时轮轨系统产生振动,该振动经由扣件传递至轨枕和道砟上,再向更底层的路基和大地中传播,从而传递到沿线附近的建筑物上,对建筑物中的人、结构和精密仪器设备等产生影响。因此,轨道结构类型、扣件、轨枕、轨道板、路基和大地的动态特性,包括质量、刚度和阻尼特性等在铁路交通引起的振动的传播过程中有着非常重要的作用。
针对不同的评价目的,对振动的评价指标可包括振动位移、速度、加速度、振动速度级、加速度级和振动频谱等[
国标GB 10070-88《城市区域环境振动标准》[
我国铁路交通线路有客货共线铁路、重载线路、高速线路,城市轨道交通线路有地铁等,由于各类型线路上列车类型、运行速度不同,它们所引起的环境振动的特征是有所差别的。表2列出了典型线路的环境振动水平。可知,振动水平受到土壤条件的影响,且均随列车速度的提高和轴重的增加而增大,在一定程度上可能会超出表1所示的环境振动限值。
根据典型线路的环境振动测试结果[6-11],普遍地,
表1. 城市各类区域环境振动限值(单位:dB)
表2. 典型线路环境振动水平[6-11]
铁路及城市轨道交通引起的环境振动,其高频成分随距轨道的距离的增加而衰减较快,而低频成分衰减缓慢。
轨道交通地下线(地铁列车速度在60~80 km/h)和既有的普通线路(客车的速度在120~160 km/h), 其环境振动的主要频率范围在10~80 Hz,前者靠近轨道处的振动以60 Hz左右成分为主,远离轨道处以20 Hz左右成分为主[
对应铁路及城市轨道交通交通振动产生和传播的机理,国内外现有常用的减振措施与技术主要可以分为三大类:振源控制、振动传播途径控制和受振对象被动隔振等。
轮轨系统是引起铁路振动的发生源头,控制其振动可以从源头上降低系统的振动强度,达到非常好的减振效果。对轮轨系统的振动控制主要有针对车轮方面的车辆振动控制、针对钢轨方面的钢轨振动控制以及针对轮轨系统激振源的表面不平顺控制三大方面。
对车辆振动控制,主要措施包括车辆轻型化设计、轴距合理设计、车辆悬挂系统的合理设计、弹性车轮、阻尼车轮以及车轮镟修等优化动力学特性的减振措施[1,11]。
日本新干线大量试验研究及调查的结果表明,车辆的总重量(轴重)是引起沿线振动的主要因素,在同一速度情况下,有如下关系:
(1)
式中,W1和W0分别为轻量化后、轻量化前的车辆轴重,为轻量化后Z振级衰减值。300系列(轴重16 T)较0系列(轴重11.3 T),振级平均值在距轨道12.5 m、25 m处降低3 dB左右,30 Hz以下振级衰减基本维持在2~3 dB,而40~53 Hz无效果[
列车的轴重载荷呈几何排列,在轨道上运行时会对轨道产生频率为V/dv的周期性的动力作用,当此频率接近或等于结构固有频率时会发生结构共振,而轴距合理设计可以很好地避免此现象。车辆悬挂刚度和阻尼的合理设计,也是为了避免车辆与轨道发生共振[
弹性车轮主要是在轮毂和辐板之间嵌装橡胶隔离层,它能将轮毂和轮辐的振动解耦,同时也增加整个车轮的阻尼,可降低轮轨之间的动作用力,在15~50 Hz范围内起到减振作用[
阻尼车轮最常用的是在车轮上敷设约束阻尼结构,也可以外挂TMD装置,起到降低并耗散车轮振动能量的作用,有较好的减振降噪效果。直线线路上运用可降低轮轨噪声2 dB,在小半径曲线上可降低高频啸叫噪声5~15 dB,阻尼车轮在普通车轮的基础上附加的费用约500~1000美元/个[
对现有大量车辆进行修改是非常昂贵的,而对新设计车辆进行修改将会增大成本,同时还可能遭到一些不愿改变已验证设计的人们之强烈反对。车辆振动控制中,弹性车轮和阻尼车轮具有一定的减振降噪效果,且设计安装相对较为方便、相对于车辆修改性价比更高,值得进一步完善其使用安全性,进而进行推广使用。
对钢轨振动控制,主要措施包括重型钢轨、钢轨接头处理及钢轨阻尼处理。
重型钢轨可以提高钢轨的垂向抗弯刚度,其抗枕性能对软土路基更为有效。通过将50 kg/m的钢轨更换成60 kg/m的钢轨,其抗弯刚性比约为1.58,可降低振动级2~4 dB[
钢轨接头处引起的冲击振动是非接头处的3倍,其频率约在20~100 Hz、521~1042 Hz。无缝钢轨可以最大限度地减少列车车轮对钢轨接头的冲击振动,振动强度可降低5 dB左右[
此外,在道岔区段,采用可动心辙叉可消除固定辙叉的有害空间,降低轨道振动。瑞士的使用经验表明:可动心辙叉在频率16~80 Hz频率范围内可降低
图1. 减振接头夹板[
振动速度级0~3 dB,减振效果较小,且价格昂贵。而澳大利亚的使用经验表明:可动心辙叉在频率8~63 Hz频率范围内可降低振动速度级3~6 dB,减振效果更大,这可能与道岔区段的轨道的维护相关[
目前的轨道结构通常都会采用减振扣件及垫层进行减振,它们通常能较好地将钢轨的振动与下部基础隔离,下部基础得到较好的保护,而振动的能量却仍集中在钢轨上,并没有耗散,加剧钢轨的伤损,缩短钢轨的使用寿命。添加约束阻尼和钢轨动力吸振器可以增加钢轨的阻尼,提高其振动衰减率,更好地耗散列车运行引起的钢轨振动的能量。前者主要是在钢轨轨腰两侧粘贴阻尼材料和约束层钢板,当钢轨发生弯曲振动时,带动阻尼材料内部摩擦和相互错动,以及约束层钢板的拉压和剪切变形来耗散振动能量。文献[18,19]对该措施有过研究,其对100 Hz以上的高频加速度减振效果比较明显,并且对轨腰的振动控制最为明显,振动加速度级可以降低约5~6 dB[
图2. 钢轨动力吸振器[
护,适用于铁路交通和城市轨道交通,值得推广使用。
车辆运行过程中轮轨表面可能出现不平顺,如钢轨波磨、轮轨接触疲劳、裂纹和磨耗等,它们是轮轨系统相互激扰,引起钢轨振动,产生滚动(轰鸣)噪声的主要因素,而车轮镟修、钢轨打磨可以将其打磨光滑,降低轮轨间作用力,从源头上减小振动强度。
车轮出现不圆及扁疤等缺陷或钢轨发生波磨等轮轨表面较为不平顺的情况下,可使振动强度增加10~15 dB[
此外,增加钢轨轨头硬度,可以减缓钢轨运行表面波磨的形成,有利于降低轨道结构的振动[
列车在钢轨上运行产生的振动,要通过扣件、垫层、轨枕、道床等轨下基础结构以及大地土壤组成的传播途径进行传播,相对应地采取一定的减振措施,可以起到明显的减振效果。
扣件减振主要是通过降低扣件的垂向刚度,提供较大的弹性,缓冲列车荷载对钢轨的冲击振动,并且使钢轨的振动能够较好地与轨下基础部分隔离。扣件根据其垂向刚度,可分为一般减振扣件(20~60 kN/mm)和柔性扣件(10~25 kN/mm)。前者减振效果较小,而后者用于减振要求相对较高地段。表3列出了国内外各种类型减振扣件的结构特点、性能、价格及应用情况,其中我国的Ⅰ型、Ⅱ型轨道减振器扣件,是参考“科隆蛋”扣件(图3)设计基础上进行的,但轨道减振器扣件及Vanguard扣件在我国地铁中的应用并不理想,诱发了严重的钢轨波磨。柔性扣件的刚度过低,将大部分振动能量与下部基础隔离,振动能量集中在钢轨上,对钢轨的损伤较大,因此,采用柔性扣件对轨道进行减振需要谨慎,或辅助采用其他的降低钢轨振动的措施。目前柔性扣件主要适用于城市轨道交通。
弹性垫层是增加轨道弹性的重要组成部分,主要是通过采用橡胶等具有弹性的材料制成的垫层,置于轨下、轨枕下或道床下,缓冲列车通过时所产生的振
图3. 科隆蛋扣件
表3. 减振扣件类型及性能统计
图4. GJ-Ⅲ型减振降噪扣件
图5. ALT.1减振扣件
图6. Lord扣件
图7. Vanguard扣件
动和冲击,减少铁路的动态负荷和振动,同时将振动与其下的基础部分隔离,减少振动的传递。
刚度为20~25 kN/mm的轨下弹性垫层较刚度为500 kN/mm的普通垫层,轨下支承块的振动加速度明显减小,最大减幅达60%[
弹性减振轨枕通常采用新型的复合材料制成,既有木枕易加工和便于处理、减振效果好的优点,又有混凝土枕的稳定性能和使用年限长的优点。比利时CDM公司研制的主要由聚氨酯橡胶材料制成的“安静式轨枕”[
表4. 弹性垫层类型及性能统计[
图8. 轨枕垫
图9. 道砟垫
图10. 安静式轨枕
的问题。我国研制的TDZ III型复合弹性轨枕,同时采用TDRⅢ型复合轨下垫板,与普通轨枕和TB60-10- 17型轨下垫板相比,道床竖向加速度较普通混凝土枕线路下降了30%~70% (测试条件:胶济线,CRH2动车组,列车速度173 km/h),起到良好的减振与隔振作用,并且使综合维修周期延长,减少维护成本,其投入产出基本持平,经济上也是可行的[
有砟道床可吸收列车通过时的振动冲击能量,相比于无砟整体式道床可降低振5~8 dB,但碎石道床稳定性较差、养护工作量大。无砟整体道床相比于有砟道床的成本高50%~75%,但因其维护费用远小于有砟轨道(约为其1/5),现代铁路尤其是高速铁路普遍使用了整体式道床。由于整体道床产生的振动更剧烈,因此各种新型的减振轨道结构也应运而生。
1) 弹性支承块轨道与弹性长轨枕轨道
弹性支承块式轨道(LVT,图11)通过在轨下、支承块下加设胶垫得到二次减振,并且在支撑块外设置弹性套靴,振动高频成分得到较大衰减,橡胶套靴和块下胶垫增加了轨道的纵横向弹性,在承载、动力传递和能量吸收等方面弥补了无砟轨道侧向刚度过大的不足。其适用于铁路交通和城市轨道交通。
弹性长枕轨道以弹性短枕轨道为基础,用一特殊的预应力混凝土轨枕(图12)取代短支承块,并在轨枕两端设置开启式的橡胶套靴。较弹性支承块轨道该结构提高了枕距保持能力,更利于排除进入箱内的雨水污泥,枕下胶垫更换调整方便[
2) 减振板式轨道
为解决普通板式轨道的噪声振动问题,减振型板
图11. 弹性支承块[
图12. 弹性长轨枕[
式轨道在普通板式轨道的轨道板下粘贴了一层约20 mm厚的微孔橡胶垫层和泡沫聚乙烯[
3) 轨枕支承式无砟减振轨道
轨枕支承式无砟减振轨道,直接将重型轨枕置于沥青层支承层上,重型轨枕的采用可以减少轨枕自身的振动,因而向下部基础传播的振动也减小。德国GETRAC A3型(图13)和SATO型轨道都属于该轨道类型,均以耐久性和经济性原则为设计基础,建设速度快、施工简单、方便,稳定性好,使用寿命长,几乎不需维护。其适用于铁路交通和城市轨道交通。
4) 埋入式轨道
埋入式轨道(图14)是在混凝土整体道床中设置一个凹槽,钢轨放置在凹槽内,用一种叫Corklast的弹性体敷设至钢轨的轨头下方将钢轨固定[
图13. GETRAC A3型轨道[
图14. 埋入式轨道
市轨道交通。但对其中的钢轨位置、钢轨损伤的维护比较困难,这也是该轨道结构的限制所在。
5) 纵向混凝土梁式板式轨道与梯形轨道
纵向混凝土梁式板式轨道在混凝土板上设置了两个纵向混凝土梁,钢轨通过扣件固定在该纵向混凝土梁上,适用于铁路交通。类似地,梯形轨道(图15)由梯形轨枕、弹性支墩、混凝土底座构成。梯形轨枕由PC纵梁和钢管连接而成。这样纵向连续的混凝土梁、PC纵梁都降低了传统离散分布的轨枕引起的不平顺性,纵梁承受的载荷能均匀地分布到下部基础上,具有一定的减振效果。此外,梯形轨道是轻量化轨道系统,行车安全,使用寿命长,维护保养方便,特别适用于桥梁、隧道等需要减少构造物振动传递以及维修养护困难地段[
6) 浮置板轨道
浮置板轨道是在混凝土道床板与基础间插入一固有频率远低于激振频率的线性谐振器,通过增大振动体的振动质量和弹性,利用浮置板质量惯性来平衡列车运行引起的动荷载,从而达到减振的目的。相对于其它减振轨道形式,浮置板轨道固有频率低,减振效果好[
大地振动传播路径隔振也就是在大地中设置某
图15. 梯形轨道
表5. 减振轨道结构减振性能测试结果总结[29,31,34~37]
图16. 钢弹簧浮置板轨道
种类型的屏障,列车在轨道上运行引起的振动波传播到隔振屏障时,会发生透射和反射,并在屏障两端和底部发生波的绕射,一定程度上衰减了振动在大地中的传播。根据隔振屏障的形式可以将屏障分为连续屏障和非连续屏障。此外,阻波块(Wave Impedance Block,简写为WIB)也是一种有效的隔振屏障。大地振动传播路径隔振不涉及车体及轨道结构的改变,适用于铁路交通和城市轨道交通。
连续屏障的主要形式是隔振沟,包括明沟、填充沟(填充物可采用膨润土泥浆、锯屑、沙子、粉煤灰及泡沫材料等)及混凝土墙等。连续屏障的宽度对隔振效果影响不大(除非是非常窄的屏障),其隔振效果主要取决于屏障的深度,通常要求屏障深度要大于一倍的雷利波波长[
连续屏障隔振效果好,但由于土体中瑞利波波长一般较大,要取得好的隔振效果,必然要求较深的沟,因此在实际应用中受到限制,非连续屏障应运而生。非连续屏障类似于在连续屏障上进行截断,形成孔列、桩列等,土壤中传播的雷利波更容易发生绕射。国内外研究结果表明,非连续屏障单体直径必须大于被屏蔽波长的1/6时[
另外,在基岩单一土振动模型中,当简谐线载荷的频率低于土层中波传播的截止频率时,土层中没有波的传播。WIB (图17)正是利用这一现象,在土层中人工设置一个类似于基岩的有限尺寸的板层来进行隔振,它对低频振动隔振效果很好,但对高频振动远场易出现放大现象,且场地性质对隔振效果有显著影响[
受振对象被动隔振,通常也就是对建筑物的基础进行隔振,将建筑物浮置在弹性的基础之上,常用的有钢弹簧和者橡胶块(图18),它们的固有频率非常低,其中钢弹簧支承的固有频率约为4 Hz,隔振效果很好,在国内外迅速发展起来,但价格也比较昂贵。我国上海音乐厅由于受到地铁振动的影响,遂将其一楼观众席置于弹簧阻尼隔振器之上,改造后的振动测试表明,地铁振动信号经过弹簧浮置系统后衰减达70%,在隔离地铁振动影响上达到了满意的效果[
本文系统地阐述了铁路交通环境振动的产生及传播机理,国内既有线敏感地区由于铁路振动引起的
图17. 阻波块
图18. 建筑物隔振基础[
社会及环境影响现状以及我国有关环境振动控制的标准,全面收集并详细介绍了国内外铁路交通减振的相关措施,主要包括其有效工作频率范围及减振效果。
在减振目标值不同的地段,可以根据减振措施相应的工作频率范围及减振效果,且同时考虑减振措施的经济性对减振措施进行选择。如一般减振地段,可采用无缝钢轨、减振接头夹板、一般减振扣件、车轮镟修及钢轨打磨等措施;较高减振地段,可采用柔性扣件、轨枕垫、道砟垫、弹性支承块轨道、弹性长轨枕轨道、梯形轨枕轨道等措施;特殊减振地段,可以采用浮置板轨道、建筑物被动隔振等措施。
目前这些减振措施中,车轮镟修及钢轨打磨可作为铁路及轨道交通中日常维护必须环节,如何有效地进行车轮镟修及钢轨打磨以取得更好的减振降噪效果及经济收益,是今后发展的主要趋势;柔性扣件、梯形轨枕等措施目前在我国的使用效果并不理想,如何使其达到最佳的降噪效果也是今后的研究的一个方向;浮置板轨道、建筑物被动隔振等减振效果好,在我国的使用效果也比较好,但由于其价格昂贵,应根据特殊线路区段减振要求对其进行选择。
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