李 大 成

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

1 概述

為降低城市地鐵運營振動對環(huán)境振動敏感區(qū)域及建筑的影響，越來越多的減振軌道結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于地鐵建設(shè)中[1]，如彈性減振扣件、克隆蛋扣件、Vanguard扣件、彈性支承塊軌道、橡膠及鋼彈簧浮置板等。國內(nèi)外的專家學(xué)者對各種減振軌道結(jié)構(gòu)均進行了深入的研究。

李克飛[2]在北京地鐵5號線通過測試研究了軌道減振器扣件的減振效果。Zhu[3]提出彈性支承塊軌道不僅減振效果良好，還有利于輪軌沖擊振動的吸收，有效延緩輪軌磨損。Eszter L[4]基于現(xiàn)場測試提出，鋼彈簧浮置板在10 Hz～100 Hz頻段內(nèi)鋼彈簧浮置板軌道減振效果明顯，可降低振動約40 dB。Hussein[5,6]基于Euler-Bemoulli梁理論分析了浮置板軌道的力學(xué)特性。

國內(nèi)外針對彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)的研究較少，伍曾、劉學(xué)毅等[7]利用車輛—軌道耦合及哈密頓原理，分析了扣件剛度、彈性墊剛度等參數(shù)指標(biāo)對彈性長枕軌道動剛度的影響規(guī)律。趙磊、高亮[8]充分考慮軌枕實際尺寸及預(yù)應(yīng)力配筋，研究了套靴硬化對彈性長軌枕的影響。曾向榮等[9]在通過在鋪設(shè)彈性長枕的段落開展落軸試驗，分析了減振效果。

針對彈性長枕軌道的研究多為理論研究。本文擬通過開展現(xiàn)場測試，同時結(jié)合理論分析，研究彈性長枕的振動特性及傳遞特性，并驗證彈性長枕的減振效果，為相關(guān)研究提供參考。

2 彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)

彈性長枕軌道是彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。將彈性支撐塊的軌枕設(shè)計成長枕，軌排整體性、軌道的穩(wěn)定性得以增強。長枕軌枕兩端由開啟式的“撮箕”型橡膠套靴包裹，在道床中央設(shè)置排水溝，既便于養(yǎng)護維修，又利于排出套靴內(nèi)的積水，有利于提高服役性能。彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

彈性長枕以其便于施工、利于運維的技術(shù)特點，越來越多的應(yīng)用于地鐵建設(shè)中，如北京地鐵機場線、上海地鐵7號線、9號線及15號線等。

3 測試設(shè)備及方法

振動傳遞測試多采用錘擊法進行。本文以振動傳遞函數(shù)作為指標(biāo)，研究彈性長枕軌道的振動傳遞特性。本測試所需儀器如表1所示。

表1 振動傳遞測試所需設(shè)備

儀器用途數(shù)量分布式數(shù)據(jù)采集儀采集加速度、力等信號1力錘施加激勵信號1計算機數(shù)據(jù)采集、處理、分析1加速度傳感器鋼軌振動加速度采集1軌枕振動加速度采集1地面振動加速度采集6

傳遞函數(shù)是系統(tǒng)的固有屬性，反映系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)對振動的傳遞特性。傳遞函數(shù)幅值的大小與輸入、輸出信號強弱無關(guān)。

若系統(tǒng)的輸入和輸出分別為x(t),y(t)，則傳遞函數(shù)定義為輸出信號的傅立葉變換Sy(f)與輸入信號的傅立葉變換Sx(f)之比，也可利用輸出與輸入信號的互功率譜Pxy(f)與輸入的自功率譜Pxx(f)之比得到傳遞函數(shù)，其數(shù)學(xué)定義為[10]：

Hxy(f)=Sy(f)/Sx(f)=Pxy(f)/Pxx(f)。

4 單根彈性長枕振動傳遞測試

基于上述實驗方法，在室內(nèi)組裝單根彈性長枕、扣件、鋼軌，振動傳遞函數(shù)測點布置如圖2所示，地面加速度傳感器每隔0.5 m布置一組。測試工況分為彈性長枕下鋪設(shè)、未鋪設(shè)彈性墊層兩種。測試時以力錘垂直激勵鋼軌，各測點的振動傳遞函數(shù)如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，在距軌枕0.5 m處，未鋪設(shè)彈性墊層時傳遞函數(shù)峰值分布于200 Hz～250 Hz，最大0.002 79 m/s2/N，而鋪設(shè)彈性墊層時最大值6.12×10-4m/s2/N，對應(yīng)頻率230 Hz，振動幅值明顯小于未鋪設(shè)墊層工況。距軌枕1.0 m,1.5 m位置處振動傳遞幅值較0.5 m位置均有減小，對應(yīng)頻率均為172 Hz左右。由此說明，振動隨傳遞距離的增加逐漸衰減，對比可知，鋪設(shè)彈性墊層對降低振動效果明顯。

5 彈性長枕軌道振動傳遞現(xiàn)場測試

由于邊界條件一定程度上影響著結(jié)構(gòu)的振動傳遞特性。彈性長枕軌道系統(tǒng)的邊界條件與單根軌枕不同，因此為研究軌道系統(tǒng)的振動傳遞，有必要開展現(xiàn)場測試實驗。本文選擇鋪設(shè)彈性長枕軌道的某地鐵隧道內(nèi)開展測試，同時選擇相同條件下的普通整體道床路段進行對比測試，激振點及各測點布置如圖4所示，鋼軌、軌枕、道床及隧道壁的振動傳遞函數(shù)幅值如圖5所示。

由彈性長枕軌道及普通整體道床軌道的振動傳遞函數(shù)幅值對比可知：

1)由于普通整體道床與彈性長枕軌道兩種軌道型式鋪設(shè)的扣件的支撐剛度不同，因此鋼軌振動傳遞幅值方面，前者高于后者，傳遞函數(shù)幅值最大值分別為0.118 m/s2/N和0.070 m/s2/N。由圖5a)可知，前者鋼軌傳遞函數(shù)在2 500 Hz～3 000 Hz較寬頻段內(nèi)的幅值較高，而后者幅值在2 500 Hz之后迅速降低，由此說明彈性長枕軌道在頻域上能夠更有效的抑制鋼軌振動。

2)由圖5b)可知，由于彈性長枕軌道為軌枕道床分離式結(jié)構(gòu)，軌枕在荷載作用下可通過彈性墊層的振動而振動。而整體道床軌枕與道床整體澆筑，邊界限制更為嚴(yán)格。因此前者軌枕振動更大，最大值振動幅值為0.002 6 m/s2/N，而后者則為0.001 44 m/s2/N。

3)由圖5c)，圖5d)可知，二者道床與隧道壁振動傳遞函數(shù)分布頻率均在1 000 Hz以內(nèi)，且后者道床的振動較高，前者道床的振動最大幅值為3.134×10-4m/s2/N，而后者8.474×10-4m/s2/N。隧道壁振動方面，前者2.891×10-5m/s2/N，后者9.532×10-5m/s2/N，進一步說明彈性長枕軌道具有良好的減振效果。

6 結(jié)語

本文基于室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，測試了彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)的振動傳遞特性，研究結(jié)論如下：

1)室內(nèi)測試結(jié)果表明，振動幅值隨著距激振點距離的增加而逐漸降低，鋪設(shè)彈性墊層能夠有效降低振動傳遞。

2)現(xiàn)場測試對比了普通整體道床與彈性長枕軌道的振動傳遞。由于彈性長枕軌道軌枕與道床為分離式結(jié)構(gòu)，因此相對于普通整體道床，彈性長枕軌道軌枕振動幅值較大。

3)根據(jù)軌道道床及隧道壁的振動幅值，對比發(fā)現(xiàn)，彈性長枕軌道的振動更低，說明鋪設(shè)彈性長枕可有效降低道床、隧道壁的振動，可應(yīng)用于地鐵線路中具有相應(yīng)減振需求的段落。