張光明，賀玉龍，梅昌艮，楊立中

（西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031）

隨著列車運(yùn)行速度的提高和高速鐵路的飛速發(fā)展，列車引起的地面振動(dòng)對(duì)人們生產(chǎn)和生活的影響日益突出，國(guó)際上已將振動(dòng)列為七大環(huán)境公害之一。高速鐵路產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)與多種因素有關(guān)，其中軌道作為承載和傳遞列車振動(dòng)荷載的一種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)型式在一定程度上決定了高速鐵路產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)特性。CRTS III型板式無(wú)砟軌道作為一種全新的無(wú)砟軌道系統(tǒng)，近幾年逐漸開(kāi)始應(yīng)用在快速或高速鐵路中，如成灌快速鐵路、成綿樂(lè)客專、武漢城市圈城際鐵路、盤(pán)營(yíng)客專、沈丹客專等，即將開(kāi)通運(yùn)行的西安—寶雞高速鐵路也鋪設(shè)了該種型式的無(wú)砟軌道試驗(yàn)段，其中成灌鐵路首次全線鋪設(shè)了CRTS III型板式無(wú)砟軌道。CRTS III型板式無(wú)砟軌道吸收了CRTS I和CRTS II無(wú)砟軌道的制造和施工工藝，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，具有更高的平順性，減小了軌道的動(dòng)力加速度，有利于減輕軌道的振動(dòng)及噪聲對(duì)周邊環(huán)境的影響。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的I型或II型板式無(wú)砟軌道鐵路引起的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行過(guò)很多測(cè)試研究，如京津城際、滬寧城際、鄭西客運(yùn)專線等[1―5]，為研究I型或II型板式無(wú)砟軌道環(huán)境振動(dòng)積累的不少實(shí)測(cè)資料，而對(duì)III型板式無(wú)砟軌道環(huán)境振動(dòng)的研究卻很少見(jiàn)，對(duì)成灌快速鐵路CRTS III型板式無(wú)砟軌道橋梁段環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析，可為進(jìn)一步研究CRTS III型板式無(wú)砟軌道的環(huán)境振動(dòng)特性提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況

1.1 軌道特征

成灌快速鐵路為雙線鐵路，橋梁段CRTS III型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要由60 kg/m鋼軌、WJ-8型扣件、充填式墊板、C 60雙向預(yù)應(yīng)力軌道板、C 40自密實(shí)混凝土、隔離材料及混凝土底座等軌道部件和結(jié)構(gòu)組成。軌道板與自密實(shí)混凝土之間采用預(yù)埋門(mén)型連接鋼筋連接，軌道板與自密實(shí)混凝土層緊密結(jié)合形成“復(fù)合板”結(jié)構(gòu)。自密實(shí)混凝土層設(shè)有凹形擋槽，與混凝土底座上設(shè)置的凸型擋臺(tái)結(jié)合，凹凸槽四周設(shè)有10 mm厚緩沖橡膠墊板。自密實(shí)混凝土與混凝土底座之間設(shè)有4 mm厚隔離材料。

圖1 成灌快速鐵路橋梁段CRTS III型板式無(wú)砟軌道

1.2 列車參數(shù)

運(yùn)行列車為CRH 1型動(dòng)車組，編組形式為8輛編組，長(zhǎng)度213.5 m，重量420.4 t，轉(zhuǎn)向架固定軸距2.7 m，車輛通過(guò)測(cè)區(qū)運(yùn)行速度約180 km/h。

1.3 測(cè)試條件及測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試的橋梁段的橋墩高3 m，測(cè)試場(chǎng)地平整，無(wú)外界干擾，測(cè)試條件較好，在垂直線路方向距離橋墩中心線10 m、20 m、30 m、40 m布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖2。測(cè)試儀器采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV 3062 t振動(dòng)測(cè)試儀，傳感器采用941 B型加速度傳感器，在傳感器底面放少了橡皮泥，用力按壓傳感器使其與地面充分緊密接觸，見(jiàn)圖3和圖4。ISO2631-1(關(guān)于全身振動(dòng)評(píng)價(jià)指南 第一部分)規(guī)定振動(dòng)評(píng)價(jià)頻率范圍是1～80 Hz，目前對(duì)鐵路環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)和測(cè)量的頻率范圍也是1～80 Hz，因此在傳感器的選用時(shí)應(yīng)考慮能夠重點(diǎn)測(cè)試1～80 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)，若傳感器的測(cè)試頻率范圍過(guò)大則會(huì)弱化1～80 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)，941 B傳感器的使用頻率范圍0.17～100 Hz正好可以滿足環(huán)境振動(dòng)測(cè)試要求。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖3 振動(dòng)測(cè)試儀

圖4 加速度傳感器

2 測(cè)試結(jié)果及分析

本次測(cè)試的對(duì)象為近軌列車，共測(cè)試了4組樣本數(shù)據(jù)。VL90表示在測(cè)量時(shí)間內(nèi)有90%的振動(dòng)超過(guò)該值，因此通常用VL90表示測(cè)試的平均背景振動(dòng)值[6]，本次測(cè)試的背景振動(dòng)值為45 dB。

2.1 振動(dòng)加速度時(shí)程分析

圖5為列車通過(guò)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線，反映了不同距離處地面振動(dòng)加速度隨時(shí)間的變化。通過(guò)加速度時(shí)程曲線顯示列車引起的地面振動(dòng)持續(xù)時(shí)間約6 s。加速度隨距離增加快速衰減，10 m處振動(dòng)加速范圍在60～60 mm/s2；20 m處振動(dòng)加速度為25～20 mm/s2；30 m處振動(dòng)加速為14～14 mm/s2，在40 m處振動(dòng)加速大小僅為8～10 mm/s2。

由各測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)加速度得到振動(dòng)加速度峰值隨距離的衰減曲線如圖6所示。在本文的測(cè)試條件下振動(dòng)峰值加速度在前20 m衰減較快，從10 m到20 m加速度衰減量為35.8 mm/s2，大于20 m后衰減明顯變慢，從20 m到40 m加速度衰減量為14.6 mm/s2。

圖5 列車通過(guò)橋梁段地面各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

圖6 振動(dòng)峰值加速度衰減曲線

2.2 振動(dòng)加速度頻譜分析

振動(dòng)頻譜曲線主要反映了地面振動(dòng)頻率成分以及振動(dòng)能量的分布情況。圖7顯示，隨著距離增加，各頻率的振動(dòng)都在不斷衰減。10 m處的振動(dòng)頻率分布范圍較廣，主要在20～90 Hz之間，并且50～90 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)能量大于20～50 Hz的能量；20 m處50～90 Hz振動(dòng)能量略小于20～50 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)能量；30 m處50～90 Hz內(nèi)的振動(dòng)明顯小于20～50 Hz的振動(dòng)；在40 m，相對(duì)于20～50 Hz的振動(dòng)，50～90 Hz內(nèi)的振動(dòng)基本可忽略不計(jì)?？梢?jiàn)，50～90 Hz的振動(dòng)比20～50 Hz的振動(dòng)衰減的更快，說(shuō)明高頻振動(dòng)衰減速度要高于低頻振動(dòng)。

2.3 1/3倍頻程分析

圖7 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜曲線

圖8 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的1/3倍頻程分析曲線

對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析，可以更加清楚的考察各頻段內(nèi)振動(dòng)的特征及隨距離的衰減特性。圖8為各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程振動(dòng)分析曲線，圖中可以看到10 m處振動(dòng)能量主要集中在20～90 Hz，這與前面頻譜分析結(jié)論一致。20 m、30 m和40 m處振動(dòng)主頻范圍在15～45 Hz。從10 m到20 m處，1～8 Hz和20～90 Hz兩個(gè)范圍內(nèi)的振動(dòng)衰減較多；由20 m到40 m處，振動(dòng)衰減主要發(fā)生在20～90 Hz，1～20 Hz的振動(dòng)衰減很少。

2.4 Z振級(jí)分析

Z振級(jí)作為振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，反映了振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響大小，其計(jì)算式為

式中ae為經(jīng)頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動(dòng)加速度有效值，m/s2；aref基準(zhǔn)加速度，取值10-6m/s2；a i是頻率為f i的振動(dòng)加速度有效值，m/s2；C i為頻率f i對(duì)應(yīng)的計(jì)權(quán)因子，dB。

現(xiàn)行《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070－1988）[7]在振級(jí)的定義上引用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631-1：1985的Z頻率計(jì)權(quán)曲線，但該計(jì)權(quán)曲線已于1997年被ISO廢除，因此我國(guó)擬頒布的最新《環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見(jiàn)稿）[8]中采用了最新的ISO 2631-1：1997規(guī)定的Wk頻率計(jì)權(quán)曲。

本文中分別采用Z計(jì)權(quán)和Wk計(jì)權(quán)得到各測(cè)點(diǎn)Z振級(jí)VLZ如圖9所示，10 m處Z計(jì)權(quán)和Wk計(jì)權(quán)振級(jí)分別為62 dB和65.9 dB，30 m處分別為55.9 dB和59.6 dB，兩種記權(quán)振級(jí)均滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》要求，本文中Wk計(jì)權(quán)振級(jí)比Z計(jì)權(quán)振級(jí)高約4dB。隨著距離增加Z振級(jí)不斷衰減，對(duì)各測(cè)點(diǎn)兩種計(jì)權(quán)Z振級(jí)進(jìn)行回歸擬合分析，得到擬合衰減如式（2）、（3），可見(jiàn)Z振級(jí)符合對(duì)數(shù)衰減規(guī)律

3 結(jié)語(yǔ)

（1）成灌鐵路CRTS III型板式無(wú)砟軌道橋梁段列車通過(guò)時(shí)的地面振動(dòng)持續(xù)時(shí)間約6 s，振動(dòng)加速度隨距離增加不斷衰減，在大于20 m后振動(dòng)衰減速度變慢。

圖9 Z振級(jí)隨距離的衰減

（2）在近場(chǎng)振動(dòng)能量分布的頻率范圍較廣，10 m處振動(dòng)能量主要分布在20～90 Hz頻率范圍內(nèi)。高頻振動(dòng)比低頻振動(dòng)衰減更快，在大于20 m后主要以15～45 Hz的振動(dòng)為主。

（3）列車通過(guò)CRTS III型板式無(wú)砟軌道橋梁段引起的環(huán)境振動(dòng)的Z振級(jí)符合對(duì)數(shù)衰減規(guī)律。

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