双块式点支撑浮置板环境振动影响研究

耿天霜 黄慧超 任树文

1.南京地铁建设有限责任公司，南京 210036；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055

钢弹簧浮置板道床结构具有质量大、结构系统刚度低的特点，是一种优异的质量弹簧系统，具有显著的减振效果［1］，是目前我国城市轨道交通线路建设中最主要的特殊减振措施。钢弹簧浮置板道床因结构的特殊性，主要采用混凝土短轨枕方案，轨底坡保持精度较差且轨枕不易放正，容易造成轮轨接触关系不良，出现异常波磨现象，导致振动噪声加剧，环境评价难以达标，并给后期运营维护带来极大困难。

为了充分发挥其优异的减振效果，需要对浮置板道床结构进行优化。借鉴高速铁路的建设经验，将双块式轨枕与点支撑道床结合起来，通过对各轨道系统在使用条件、结构形式、功能上的差异进行详细研究分析，本文提出适用于地铁、轻轨列车的双块式点支撑浮置板道床结构，并通过数值模拟对其减振效果进行评价。

1 结构设计

双块式点支撑浮置板道床结构主要由双块式轨枕、浮置道床板、隔振器、浮置板基底、浮置板间剪力铰等组成。

浮置道床板长度采用25 m（含板缝）标准规格，厚400 mm，宽3 m；板间伸缩缝宽30 mm，并采用剪力铰协调不同板间相对位移；隔振器横向布置间距为2 m，纵向布置按间距2⁃3⁃2⁃3 m和2⁃2⁃2 m两种方式，实际纵向间隔通过铺设地段设置的扣件间距计算得到；隔振器采用钢弹簧阻尼隔振器、橡胶弹簧阻尼隔振器，通过混凝土基底适应不同下部基础。

双块式点支撑浮置板道床结构主要技术优点为：

1）有利于轨底坡保持。具有较高铺设精度，能较好保持轨底坡，保证浮置板减振降噪效果并降低波磨发生的概率或减缓波磨发生。

2）便于轨排的组装。双块式轨枕与点支撑浮置板有效结合在一起，实现轨排的组装以及钢筋网的架设，既可提高施工效率，也可增加道床结构的强度，提升道床耐久性。

3）改善轮轨受力。相较于短枕，双块式轨枕可有效改善轮轨受力和轨道横向力，降低轮载分配系数，更好地控制动态变形，避免非设计因素对浮置板系统整体减振降噪效果的影响。

2 仿真分析

建立车辆-轨道和隧道-土体有限元模型［2-3］，分析车辆通过双块式点支撑浮置板道床时线路周围环境振动情况，并与普通道床进行对比，对双块式点支撑浮置板道床结构的减振效果进行评价。

2.1 模型建立

2.1.1 车辆-浮置板动力耦合模型

单块浮置板模型长度为25 m，点支撑隔振器垂向刚度取8 kN/mm。为消除边界效应的影响，共建立长125 m的点支撑浮置板有限元分析模型，主要参数见表1。

表1 点支撑浮置板模型主要参数

点支撑浮置板道床及普通整体道床的车辆-道床耦合模型见图1。

图1 耦合模型

2.1.2 轨道不平顺

为了更准确地模拟列车通过时的环境振动影响，在分析模型中加入美国五级不平顺谱［4-6］。图2为峰值优化后模拟生成的长波高低不平顺。

图2 美国五级谱长波高低不平顺

2.1.3 隧道-土体耦合模型

为研究列车通过对环境的影响，建立隧道-土体耦合模型，沿土体纵向及底部设置黏弹性边界，上表面不设置约束［5，7］。建立点支撑浮置板和普通整体道床两种模型。

2.1.4 列车荷载

通过车辆-道床耦合模型计算得到列车荷载作用下浮置板道床隔振器或普通道床扣件处受力情况，将轨道板所受荷载施加在隧道-土体耦合模型中，进行进一步的分析计算。

2.1.5 计算工况

共考虑3种计算工况。

工况1：轻轴重车辆通过点支撑浮置板地段。

工况2：重轴重车辆通过点支撑浮置板地段。

工况3：轻轴重车辆通过普通整体道床地段。

3种工况均考虑美国五级不平顺谱的影响。

2.2 计算结果

工况1、工况2下，提取垂直线路方向、距线路中心水平距离0~80 m处的地面振动加速度及振级，结果见图3。

图3 沿垂直线路方向的地面振动加速度及振级

从图3可以看出：①在列车荷载作用下，周围环境的振动加速度随着距线路中心距离的增加呈减小趋势；在距离线路中心0~20 m区间，加速度的减小幅度较大，可达60%以上，但在距离线路中心40 m处出现了竖向振动加速度小幅增加的现象，之后又逐渐减小。②重轴重车辆引起的振动加速度比轻轴重车辆大30%以上，但不同车重引起沿垂直线路方向振动传播规律相同。

通过实测与理论计算［8-10］，道床面以上1.5 m处的车辆运行振动噪声对周围环境的影响最大。因此，选取模型纵向中部、道床面以上1.5 m处盾构壁的竖向加速度对点支撑浮置板系统的减振效果进行评价。提取轻轴重车辆通过时点支撑浮置板道床及普通整体道床地段的道床面以上1.5 m高处盾构壁上源强点的竖向振动加速度并分析其频域，结果见图4。

图4 隧道壁处竖向振动加速度

由图4可知，在列车荷载作用下，铺设两种道床的隧道壁处竖向加速度频域分布相似，但点支撑浮置板道床地段各个频域加速度峰值只有普通整体道床地段的10%，减振效果优异。

2.3 点支撑浮置板加速度振级分析

列车行驶时速为80 km时，计算工况1、工况3下隧道壁最大Z振级的差值ΔVLz，max以及分频振级均方根差值，得到计权振动加速度级，见图5。可知：普通道床振动加速度级为83.56 dB，双块式点支撑浮置板系统为65.23 dB，降低了18.33 dB，减振效果可达特殊减振级别。

图5 隧道壁处竖向振动加速度振级

综上，从总体变化趋势来看，随着距线路中心距离的增加，对环境的振动影响会逐渐降低。不同车重引起沿垂直线路方向振动传播规律相同，但重车条件下列车引起的振动加速度显著大于轻车条件下的振动加速度。可见，双块式点支撑浮置板系统减振效果良好。

3 线上减振效果试验

通过铺设试验段，对比测试普通整体道床和双块式点支撑浮置板对周围环境的振动影响情况，评价双块式点支撑浮置板系统在不同速度条件下的减振效果［11］。

3.1 试验内容

在室内浇筑和试铺双块式点支撑浮置板道床，每块板长25 m，厚400 mm，宽3 m，浮起高度30 mm，分别采用内置式剪力铰、外置式剪力铰两种方式联接，共计8块板，隔振器2/3布置。试验段严格按照铺设工序完成并验收合格，整体美观，双块式轨枕施工精度控制较好。

试验参数包括两侧钢轨垂向、横向加速度，浮置板道床垂向、横向加速度，基底垂向、横向加速度。

3.2 测试方法

振动加速度传感器参照GB/T 14412—2005《机械振动与冲击加速度计的机械安装》、GB 10071—1988《城市区域环境振动测量方法》相关规定及要求进行安装。

1）传感器安装前，先清除表面污渍，在其表面采用高强度黏接剂粘贴贴片或三角贴片，待达到一定强度后进行传感器的安装。

2）测试时将电缆线固定，防止由于电缆线屏蔽层和绝缘材料间摩擦产生电荷进而产生的噪声、导线变形产生的线间阻抗变化引起测量误差。

3）采用无人值守的智能化采集系统，可根据需要预设程序自动触发、采集、储存。

4）为保证振动加速度和频域分析，加速度传感器采样频率均设置为2 560 Hz。本次试验由测试人员全时间段操作并采集测试数据，因此无其他设备偶然因素。

5）各测试断面的轮轨横向力与垂向力地面测试按照TB/T 2489—2016《轮轨横向力和垂向力地面测试方法》进行，采用剪应力法进行轮轨横向力和垂向力的测试，在现场钢轨上粘贴应变片进行测量。其中横向力和垂向力各8个应变片，共计16片。

现场测点布置情况见图6。

图6 测点布置

3.3 数据处理

1）Z振级插入损失

振动测试的测试量、数据采集和数据处理方法依据GB/T 23716—2009《人体对振动的响应测量仪器》、CJJ/T 191—2012《浮置板轨道技术规范》以及GB 10071—1988进行。评价列车通过时段振动评价量选取最大Z振级VLz，max，并分析减振道床和普通道床竖向最大Z振级差值［11］。

2）分频振级均方根差值

依据CJJ/T 191—2012，选取1~200 Hz的竖向振动加速度，并对不同道床形式的分频振级均方根差值ΔLa、分频振级的最大差值ΔLmax和最小差值ΔLmin进行分析对比。

减振效果的评价指标为ΔLa，分频振级的最大差值ΔLmax为参考量；当在浮置板轨道固有频率附近的某个频程出现ΔLmin，并为正值时，ΔLa和ΔLmax应减去该数值或分析原因后重新测量。

3.4 试验结果

测试过程中，由于现场条件的制约，采用16节编组动车（8×CR300AF+8×CR300BF）。其中，CR300AF和CR300BF的轴重均为17 t，列车长度为26.125 m，机车车长约25 m。

基于20组有效数据，根据两种道床的最大Z振级VLz，max和分频振级均方根La，分别得出浮置板的减振效果（评价指标分别为最大Z振级差值ΔVLz，max和分频振级均方根差值ΔLa），结果见表2。可知，无论采用ΔVLz，max指标还是ΔLa指标进行评价，钢弹簧浮置板试验段的平均减振效果均超过14 dB。

表2 浮置板减振效果评价结果

综上，列车以速度80～120 km/h运行时，双块式点支撑钢弹簧浮置板试验段的减振效果均达到14 dB以上，双块式点支撑钢弹簧浮置板轨道结构的减振效果良好。

4 结语

新型双块式点支撑浮置板轨道结构形式合理高效，轨道行车安全性好，有利于提升减振效果，便于施工，轨道服役能力性能好。经仿真模型计算，双块式点支撑浮置板系统减振效果可达到特殊减振级别，减振效果达到了18.33 dB。经试验验证，车速在80～120 km/h时双块式点支撑钢弹簧浮置板试验段的减振效果均达到14 dB以上。

双块式点支撑浮置板系统可解决现有浮置板系统存在的问题，达到减少施工环节、提高施工效率和施工精度、减少维修量且维修方便、沉降调整余量大、平顺性好的效果并满足相关减振需求。双块式点支撑浮置板系统具有十分显著的经济和社会效益，可在国内城市轨道交通推广。