趙 勇(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)
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重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究
趙勇1,2
(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081)
摘要:利用瓦(塘)日(照)鐵路30 t軸重重載綜合試驗(yàn)段對(duì)隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道相比,彈性支承塊式無(wú)砟軌道由于采用了雙層彈性墊層設(shè)計(jì),剛度系數(shù)更加均勻,其軌道結(jié)構(gòu)對(duì)低頻和高頻振動(dòng)的減振效果較為顯著,對(duì)于衰減輪軌沖擊力和隧道基礎(chǔ)振動(dòng)、降低隧道基底的應(yīng)力水平、避免或減輕一些基底病害的發(fā)生和發(fā)展較為有利。
關(guān)鍵詞:重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道振動(dòng)衰減性能剛度系數(shù)
重載鐵路的運(yùn)量和列車軸重較大,為適應(yīng)重載鐵路列車荷載的特點(diǎn),確保行車安全,應(yīng)采用配套的軌道結(jié)構(gòu)。有砟軌道和無(wú)砟軌道作為軌道結(jié)構(gòu)的兩種基本形式,各有利弊[1]。有砟軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彈性好,在一定的養(yǎng)護(hù)維修條件下具有較好的輪軌接觸狀態(tài),減振、降噪效果好,維修較方便,造價(jià)相對(duì)較低[2]。而無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)則具有穩(wěn)定性好、平順性高、軌道狀態(tài)長(zhǎng)期保持能力強(qiáng)、維修工作量較少等突出優(yōu)點(diǎn)[3]。重載鐵路速度相對(duì)較低,在普通地段可采用經(jīng)濟(jì)性好、方便維修的有砟軌道結(jié)構(gòu),但對(duì)于長(zhǎng)大隧道地段,在保證下部基礎(chǔ)條件及施工質(zhì)量的前提下,采用少維修的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)[4-6]。
國(guó)內(nèi)新建30 t重載鐵路主要為煤運(yùn)鐵路,從線路的穩(wěn)定性、養(yǎng)護(hù)維修等方面考慮,在重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[4],目前已研發(fā)了3種隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式(彈性支承塊式、雙塊式和長(zhǎng)枕埋入式)。但國(guó)內(nèi)外重載鐵路無(wú)規(guī)模鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),故研究隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在30 t軸重重載列車作用下的動(dòng)力性能,尤其是研究振動(dòng)對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)的影響至關(guān)重要。本文結(jié)合瓦日鐵路30 t軸重重載綜合試驗(yàn)段,重點(diǎn)對(duì)隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行研究。
彈性支承塊式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、支承塊、橡膠套靴、塊下彈性墊板、道床板等部分組成?,F(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道包括雙塊式和長(zhǎng)枕埋入式,結(jié)構(gòu)組成見圖1。彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)比見表1。
圖1 隧道內(nèi)重載無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)斷面(標(biāo)高:mm;尺寸:mm)
由于雙塊式與長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)基本相同,均為現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道,因此選取直線地段雙塊式與直線地段彈性支承塊式無(wú)砟軌道進(jìn)行對(duì)比研究。
2.1振動(dòng)時(shí)域特征分析
振動(dòng)時(shí)域特征參數(shù)包括振動(dòng)加速度的時(shí)域幅值和有效值。通過時(shí)域特征分析,可以直觀得出無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的總體趨勢(shì)。以30 t軸重5 000 t編組試驗(yàn)列車通過時(shí)測(cè)試結(jié)果為例,直線地段、不同速度等級(jí)和不同測(cè)點(diǎn)的彈性支承塊式和現(xiàn)澆枕式兩種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度對(duì)比見圖2和圖3。
表1 隧道內(nèi)重載無(wú)砟軌道系統(tǒng)對(duì)比
圖2 振動(dòng)加速度時(shí)域幅值對(duì)比
圖3 振動(dòng)加速度有效值對(duì)比
對(duì)比圖2和圖3可以看出:
①?gòu)椥灾С袎K式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道相比,鋼軌振動(dòng)加速度幅值和有效值均略小。由于支承塊周圍橡膠套靴和塊下彈性墊板的設(shè)置,使得道床板參振質(zhì)量小于現(xiàn)澆枕式,道床板振動(dòng)加速度幅值和有效值均大于現(xiàn)澆枕式。支承塊下墊板和橡膠套靴的設(shè)置會(huì)使支承塊本身產(chǎn)生一定的振動(dòng),其振動(dòng)加速度量值較小,同時(shí)橡膠套靴的設(shè)置可緩解支承塊與混凝土道床間的剛性接觸,對(duì)支承塊和道床板的受力和振動(dòng)起到緩沖的作用。
②30 t軸重試驗(yàn)列車通過時(shí),兩種軌道結(jié)構(gòu)在同一速度下,鋼軌振動(dòng)能量最大,支承塊次之,隧道邊墻最小,道床板和隧道基底的振動(dòng)能量介于支承塊和隧道邊墻之間,且振動(dòng)強(qiáng)度基本相當(dāng);彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)隧道基底以及隧道邊墻振動(dòng)加速度顯著低于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閺椥灾С袎K式無(wú)砟軌道設(shè)置了軌下墊板及塊下墊板雙層彈性層,故其相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道更有利于減緩下部基礎(chǔ)的振動(dòng)。
2.2插入損失分析
振動(dòng)加速度的有效值(均方根值)是衡量加速度強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo),它表示振動(dòng)加速度在單位時(shí)間內(nèi)的平均功,稱為平均功率。平均功率乘以過程總時(shí)間,就可得出整個(gè)過程(完成運(yùn)量的全壽命期限)的全功。這個(gè)全功可以視為加速度對(duì)軌道總體破壞作用的量度。插入損失L1為
式中:a2R為沒有隔振裝置時(shí)的響應(yīng);a2為有隔振裝置時(shí)的響應(yīng)。
當(dāng)L1>0時(shí),隔振系統(tǒng)起作用;當(dāng)L1<0時(shí),隔振系統(tǒng)沒有衰減作用。
對(duì)式(1)進(jìn)行變換,引入基準(zhǔn)加速度a0= 10-6m/s2,得到
式中:VL2R為無(wú)隔振裝置時(shí)的振動(dòng)加速度級(jí);VL2為有隔振裝置時(shí)的振動(dòng)加速度級(jí)。
式2表明,插入損失即為有無(wú)隔振裝置時(shí)的振動(dòng)加速度級(jí)之差。
本文中統(tǒng)一采用加速度有效值來(lái)計(jì)算彈性支承塊式相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道的插入損失。
30 t軸重重載試驗(yàn)列車以不同速度通過直線段時(shí),彈性支承塊式相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的插入損失統(tǒng)計(jì)見表2,振動(dòng)加速度級(jí)與列車速度關(guān)系見圖4。
表2 彈性支承塊式相對(duì)于現(xiàn)澆枕式插入損失統(tǒng)計(jì) dB
對(duì)比表2及圖4可以看出:
①?gòu)椥灾С袎K式和現(xiàn)澆枕式的鋼軌、支承塊、道床板、隧道基底和隧道邊墻振動(dòng)加速度級(jí)隨列車速度提高有明顯的增大趨勢(shì)。
圖4 振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比
②彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式相比,鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)略小,道床板振動(dòng)加速度級(jí)略大。由于橡膠套靴對(duì)支承塊的約束作用,支承塊本身的振動(dòng)加速度級(jí)值較小,同時(shí)橡膠套靴的設(shè)置可緩解支承塊與混凝土道床間的剛性接觸,對(duì)支承塊和道床板的受力和振動(dòng)起到緩沖的作用。
③對(duì)于隧道基底和隧道邊墻的振動(dòng)加速度級(jí),彈性支承塊式明顯小于現(xiàn)澆枕式,相對(duì)現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道地段其隧道基底和邊墻的插入損失最大值分別為11.10 dB和8.20 dB,彈性支承塊式無(wú)砟軌道由于設(shè)置軌下墊板及塊下墊板雙層彈性墊層,相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道更有利于減緩下部基礎(chǔ)(隧道基底和隧道邊墻)的振動(dòng)。雙層彈性墊層的設(shè)計(jì)減振效果明顯,對(duì)下部基礎(chǔ)的減振效果達(dá)到10 dB左右,故彈性支承塊式比現(xiàn)澆枕式的減振效果更優(yōu)越。
④與剛性道床相比,彈性支承塊式無(wú)砟軌道由于采用了雙層彈性墊層設(shè)計(jì),軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)衰減性能較為顯著,對(duì)于衰減隧道基礎(chǔ)振動(dòng)(尤其在基礎(chǔ)處理不良及地下水發(fā)育地段)、降低隧道基底的應(yīng)力水平,避免或減輕一些基底病害的發(fā)生和發(fā)展較為有利。
2.3振動(dòng)頻域特征分析
30 t軸重試驗(yàn)列車以不同速度通過直線段彈性支承塊式、現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)時(shí),對(duì)不同斷面軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行1/3倍頻程分析。通過振動(dòng)頻域特征分析可以得出無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在不同頻段的振動(dòng)加速度級(jí),1/3倍頻程中心頻率按照ISO標(biāo)準(zhǔn)給出,鋼軌、道床板、隧道基底以及隧道邊墻垂向振動(dòng)加速度頻域?qū)Ρ纫妶D5。
圖5 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)及下部基礎(chǔ)振動(dòng)加速度頻域?qū)Ρ?/p>
由圖5可以看出:
①直線段彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)相比,鋼軌在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果;道床板在500 Hz頻帶以下存在一定的振動(dòng)放大效果。
②直線段彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)相比,隧道基底在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果,各頻段中心頻率隧道基底振動(dòng)加速度級(jí)之差最大值出現(xiàn)在31.5 Hz,減振效果達(dá)到14.05~18.01 dB;在315~1 000 Hz頻帶上,各頻段中心頻率隧道基底振動(dòng)加速度級(jí)之差較大,最大值出現(xiàn)在500 Hz,減振效果達(dá)到24.77 dB。
③直線地段彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)相比,隧道邊墻在315~1 000 Hz頻帶有一定的減振效果,各頻段中心頻率隧道基底振動(dòng)加速度級(jí)之差最大值出現(xiàn)在1 000 Hz,減振效果達(dá)到15.41~15.60 dB;在50 Hz頻帶以下,各頻段中心頻率隧道基底振動(dòng)加速度級(jí)之差較大,最大值出現(xiàn)在10 Hz,減振效果達(dá)到16.61~27.94 dB。
④30 t軸重編組車輛通過時(shí),彈性支承塊式鋼軌在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果,道床板在500 Hz頻帶以下存在一定的振動(dòng)放大效果。而對(duì)于隧道基底以及隧道邊墻振動(dòng)加速度級(jí),彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)測(cè)試數(shù)據(jù)在低頻和高頻段顯著低于雙塊式無(wú)砟軌道,在中頻段兩者基本相當(dāng)。這是因?yàn)閺椥灾С袎K式無(wú)砟軌道設(shè)置了軌下墊板及塊下墊板雙層彈性墊層,相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道其更有利于減緩下部基礎(chǔ)低頻及高頻段的振動(dòng)。
2.4荷載沖擊振動(dòng)分析
為測(cè)試無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的振動(dòng)特性,利用移動(dòng)加載車進(jìn)行荷載沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)分為150 kN和225 kN兩種沖擊荷載工況,每種工況至少?zèng)_擊6次,測(cè)試鋼軌、道床板、隧道基底以及隧道邊墻的振動(dòng)加速度[7-9]。結(jié)果見表3。表中數(shù)據(jù)為各工況所測(cè)最大時(shí)域幅值的平均值。
表3 定點(diǎn)荷載沖擊試驗(yàn)軌道結(jié)構(gòu)各部件及下部基礎(chǔ)振動(dòng)加速度值 m/s2
由表3可以看出:隨沖擊荷載值增大,軌道結(jié)構(gòu)各部件及隧道基底、隧道邊墻振動(dòng)加速度均有明顯增大。
在相同沖擊荷載作用下,彈性支承塊式無(wú)砟軌道與現(xiàn)澆枕式相比,道床板、隧道基底和隧道邊墻的振動(dòng)加速度量值明顯較小,彈性支承塊式無(wú)砟軌道與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道剛度基本相同,但支承塊下彈性墊板的設(shè)置更有利于緩沖列車振動(dòng)的沖擊,使其具有一定的減振效果。
2.5彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)和振動(dòng)衰減次數(shù)分析
為分析軌道的振動(dòng)傳遞和衰減性能,在實(shí)驗(yàn)室建造實(shí)尺無(wú)砟軌道試驗(yàn)?zāi)P?,采用落軸試驗(yàn)車,對(duì)實(shí)尺軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行落軸試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果表明:
1)在重載彈性支承塊式無(wú)砟軌道(彈性道床)和現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道(剛性道床)進(jìn)行落軸試驗(yàn)時(shí),沖擊位置的變化和落軸高度對(duì)輪軌沖擊力衰減次數(shù)的影響較小,軌道的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)與落軸高度沒有必要關(guān)系。
2)彈性道床扣件支點(diǎn)上剛度系數(shù)為68.3~89.5 kN/mm,阻尼系數(shù)為117.7~118.2 kN·s/m;扣件支點(diǎn)間的剛度系數(shù)為73.1~79.3 kN/mm,阻尼系數(shù)為75.4~80.0 kN·s/m。扣件支點(diǎn)上和支點(diǎn)間的剛度系數(shù)更加均勻,但阻尼系數(shù)有明顯差異。
3)剛性道床扣件支點(diǎn)上剛度系數(shù)為108.0~124.4 kN/mm,阻尼系數(shù)為74.6~82.3 kN·s/m,扣件支點(diǎn)間的剛度系數(shù)為89.8~96.1 kN/mm,阻尼系數(shù)為63.4~65.9 kN·s/m??奂c(diǎn)上和支點(diǎn)間的剛度系數(shù)略有差異,但阻尼系數(shù)差異不大。
4)同種軌道結(jié)構(gòu)輪軌沖擊力的峰值>15 kN之前的衰減次數(shù)在兩個(gè)沖擊位置且不同落高工況下變化不大,但彈性道床和剛性道床相比具有明顯差異,彈性道床的沖擊衰減次數(shù)平均在3~4次,剛性道床的沖擊衰減次數(shù)平均在9~10次。
5)彈性道床與剛性道床相比,當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)剛度相近時(shí)不同位置處的剛度更加均勻,且雙層減振結(jié)構(gòu)更有利于輪軌沖擊力的迅速衰減[10-11]。
1)彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式相比,鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)略小,道床板振動(dòng)加速度級(jí)略大。由于橡膠套靴對(duì)支承塊的約束作用,支承塊本身的振動(dòng)加速度級(jí)值較小,同時(shí)橡膠套靴的設(shè)置可緩解支承塊與混凝土道床間的剛性接觸,對(duì)支承塊和道床板的受力和振動(dòng)起到緩沖的作用。隧道基底和隧道邊墻的振動(dòng)加速度級(jí),彈性支承塊式無(wú)砟軌道明顯小于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道,減振效果達(dá)到10 dB左右,其具有更優(yōu)越的隔振效果。
2)彈性支承塊式鋼軌在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果,道床板在500 Hz頻帶以下存在一定的振動(dòng)放大效果。相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道其更有利于減緩下部基礎(chǔ)低頻及高頻段的振動(dòng)。
3)彈性道床扣件支點(diǎn)上和支點(diǎn)間的剛度系數(shù)更加均勻,但阻尼系數(shù)有明顯差異;剛性道床扣件支點(diǎn)上和支點(diǎn)間的剛度系數(shù)略有差異,但阻尼系數(shù)差異不大。
4)彈性道床的沖擊衰減次數(shù)平均在3~4次,剛性道床的沖擊衰減次數(shù)平均在9~10次,雙層減振結(jié)構(gòu)更有利于輪軌沖擊力的迅速衰減。
5)與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道相比,彈性支承塊式無(wú)砟軌道由于采用了雙層彈性墊層設(shè)計(jì),其軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)衰減性能較為顯著,對(duì)于衰減輪軌沖擊力和隧道基礎(chǔ)振動(dòng)、降低隧道基底的應(yīng)力水平,避免或減輕一些基底病害的發(fā)生和發(fā)展較為有利。
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(責(zé)任審編葛全紅)
Research on Vibration Performance of Heavy Haul Ballastless Track Structure in Tunnel
ZHAO Yong1,2
(1.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway,Beijing 100081,China)
Abstract:T he vibration characteristics of ballastless track structure in tunnel were studied by experiments of W a(tang)Ri(Zhao)railway 30 t axle load heavy comprehensive test section.T he results showed that the low vibration track(LVT)uses double elastic cushion design and the stiffness coefficient is more uniform compared to cast-in-place pillow ballastless track,the structure of which has a significant effect on vibration damping with low frequency and high frequency,and LVT has the advantages of attenuating wheel-rail impact and tunnel foundation vibration,reducing the stress level of the tunnel base,avoiding or reducing the occurrence and development of some base diseases.
Key words:Heavy haul railway;Ballastless track in tunnel;Vibration;Attenuation performance;Stiffness coefficient
作者簡(jiǎn)介:趙勇(1983—),男,助理研究員。
基金項(xiàng)目:中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2014G002-B)
收稿日期:2015-12-20;修回日期:2016-01-20
文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0136-06
中圖分類號(hào):U213.2+44
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.33