羅天靖,鄭緯奇,盛興旺,李 輝

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410075)

1 概述

高速鐵路帶來的振動(dòng)問題日漸突出，由于速度快，引起的高頻振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲污染，并通過橋梁結(jié)構(gòu)傳遞至地基與附近建筑物，會(huì)顯著影響周圍醫(yī)院、高校以及科研單位等精密儀器設(shè)備，干擾周圍居民的正常生活、工作和學(xué)習(xí)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致建筑物開裂[1]。

國內(nèi)已有團(tuán)隊(duì)針對高速鐵路無砟軌道在路基、箱梁、隧道上的振動(dòng)特性[2-7]進(jìn)行了研究，然而針對大跨度橋梁上，以及基于減振軌道結(jié)構(gòu)的研究仍有不足?；谮M江橋的足尺節(jié)段模型，通過錘擊試驗(yàn)研究了大跨度橋梁上，不同隔離層下軌道與橋面間的振動(dòng)傳遞情況與時(shí)-頻衰減特征。

新建鐵路南昌至贛州客運(yùn)專線贛江特大橋是昌吉贛客運(yùn)專線跨越贛江的控制性工程。全橋長2155.440 m，分孔布置為：22×32 m簡支梁+(35+40+60+300+60+40+35) m結(jié)合梁+4×32 m簡支梁+2×24 m簡支梁+11×32 m簡支梁。贛江特大橋跨贛江主跨采用雙塔斜拉橋、主梁為結(jié)合梁(圖1)，位于直線、平坡地段，該橋是目前高速鐵路上跨度最長的混合梁斜拉橋，并且首次在高速鐵路斜拉橋上鋪設(shè)無砟軌道，是世界上首座時(shí)速在350 km、300 m大跨度斜拉橋上鋪設(shè)無砟軌道的混合梁斜拉橋[8-12]。

圖1 贛江特大橋主橋立面布置(單位：cm)

2 振動(dòng)錘擊試驗(yàn)

為了研究大跨度斜拉橋與無砟軌道的適應(yīng)性，對贛江橋進(jìn)行足尺節(jié)段模型試驗(yàn)?？紤]試驗(yàn)室條件等因素，節(jié)段模型簡化為一跨連續(xù)帶懸臂結(jié)構(gòu)，使用剛性支點(diǎn)(支墩A)與彈性支點(diǎn)(支墩C)模擬斜拉索的彈性效應(yīng)，等效跨中節(jié)段的大撓曲變形狀態(tài)。跨度布置為6.0 m(懸臂段)+12.0 m+6.0 m(懸臂段)，共計(jì)24 m，試驗(yàn)梁高為1.5 m，斷面與斜拉橋鋼箱主梁大小相同(不考慮風(fēng)嘴)，并在該模型上開展落錘振動(dòng)等試驗(yàn)[13]。節(jié)段模型布置見圖2，激振點(diǎn)示意見圖3。

圖2 節(jié)段模型布置(單位：m)

圖3 激振點(diǎn)示意(單位：m)

通過力錘激振試驗(yàn)，通過加速度傳感器獲取鋼軌、不同類型軌道板、底座板與橋面板的振動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)，研究節(jié)段模型中軌道系統(tǒng)與橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)加速度衰減與變化，進(jìn)而研究節(jié)段模型系統(tǒng)振動(dòng)傳遞規(guī)律與不同隔振墊層的減振效果。其中減振板采用新型橡膠隔離層[14]，非減振板采用土工布隔離層。為了達(dá)到寬頻帶高振幅的激振效果，選擇鋁制錘頭進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置兩種激振工況。

工況1：非減振板中央處對外側(cè)鋼軌激振；

工況2：減振板中央處對外側(cè)鋼軌激振；

兩種工況分別用于研究振動(dòng)通過不同隔離層軌道板從上往下的豎向傳遞情況，與振動(dòng)沿鋼軌在不同隔離層軌道板上的縱向傳遞情況，測點(diǎn)匯總?cè)绫?所示。

表1 測點(diǎn)匯總

測點(diǎn)布置原則：R1F(J)1至R1F(J)5距離激振點(diǎn)由近到遠(yuǎn)各間距1.5 m，沿縱向設(shè)置在鋼軌上表面。S1F(J)1設(shè)置在緊挨R1F(J)1相同縱向位置處軌道板表面上，Q1F(J)設(shè)置在緊挨S1F(J)1相同縱向位置處橋面板表面上，F(xiàn)BF(J)設(shè)置在緊挨Q1F(J)相同縱向位置處鋼箱梁腹板外側(cè)中央，DBF(J)設(shè)置在緊挨FBF(J)相縱向位置處鋼箱梁底板底側(cè)。

3 不同隔離層振動(dòng)的時(shí)-頻分析

由于工況1、工況2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，且激振軌道的工況規(guī)律相似，限于篇幅本文僅選取各工況的典型測點(diǎn)進(jìn)行分析，時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域展開則能獲得詳細(xì)的頻域變化情況，再對級(jí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行Savitzky-Golay濾波(最小二乘平滑濾波)擬合，可以在離散數(shù)據(jù)中得到統(tǒng)計(jì)上的衰減規(guī)律；而對時(shí)程數(shù)據(jù)疊加小波變換，可以得到時(shí)-頻域三維變化情況，揭示振動(dòng)的各頻段組成、沿時(shí)間軸的變化情況[15-20]，研究振動(dòng)在各板型的傳遞規(guī)律與減振效果。

3.1 鋼軌縱向傳遞時(shí)-頻分析

取工況1非減振板被激振鋼軌測點(diǎn)R1F1、R1F3、R1F5，工況2減振板被激振鋼軌測點(diǎn)R1J1、R1J3、R1J5時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT傅里葉變換得到頻域圖，并對R1F5、R1J5的時(shí)程數(shù)據(jù)疊加小波變換，得到三維時(shí)-頻域圖(Z軸為加速度)。因鋼軌振動(dòng)波形比較相似，僅展示該三測點(diǎn)的圖形。如圖4～圖6所示。

圖4 R1F(J)1測點(diǎn)頻域圖5 R1F(J)3測點(diǎn)頻域圖6 R1F(J)5測點(diǎn)頻域

由圖4～圖6可知：(1)R1F1處鋼軌在2.5～3 kHz頻段幅值最大達(dá)到3 m/s2；R1J1處鋼軌則集中在2～2.5 kHz頻段，幅值達(dá)到5.5 m/s2。(2)振動(dòng)傳到R1F3后，激振頻段保持在2.5～3 kHz，幅值減小至1.5 m/s2；R1J3處激振頻段漂移至2.5 kHz，幅值大幅減小為0.5 m/s2，與其他頻段幅值接近。(3)振動(dòng)傳遞到R1F5后，發(fā)生輕微漂移至2.8 kHz，峰值繼續(xù)下降至0.7 m/s2，下降趨勢與距離呈正相關(guān)；R1J5處激振頻段繼續(xù)向高頻漂移至3 kHz，峰值進(jìn)一步下降為0.7 m/s2，與R1F5接近。

由圖7、圖8可知：R1F5測點(diǎn)在2.6～2.8 kHz頻段的激振時(shí)間較長，達(dá)到0.05 s，在低頻段500 Hz以下的激振時(shí)間更長，達(dá)到0.08 s；R1J5處測點(diǎn)在3 kHz頻段的激振時(shí)間較長，達(dá)到0.05 s，同樣在低頻段500 Hz以下的激振時(shí)間達(dá)到0.08 s。

由圖9的R1F(J)1->R1F(J)3振動(dòng)級(jí)差對比可知，振動(dòng)從的R1F(J)1傳遞至R1F(J)3：(1)在低頻段(0～1.5 kHz)下，減振板與非減振板衰減趨勢基本一致，可認(rèn)為隔離層對低頻振動(dòng)的衰減無明顯影響。(2)對于中頻段2～3 kHz的振動(dòng)，減振板衰減最大，最高處達(dá)到28 dB，非減振板只有11 dB，相差17 dB。(3)3 kHz以上高頻段減振板與非減振板僅相差5 dB。

3.2 鋼軌-軌道板-橋面-鋼箱梁豎向傳遞時(shí)-頻分析

取工況1、工況2測點(diǎn)S1F(J)1、Q1F(J)、FBF(J)、DBF(J)時(shí)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域、時(shí)-頻域、級(jí)差分析，與上文處理方法相同。其中FBF(J)、DBF(J)結(jié)果相似，故只展示FBF(J)結(jié)果。

由圖10～圖12可知：(1)S1F1處，軌道板混凝土被寬幅激振，振動(dòng)幅值最大不超過0.04 m/s2；S1J1處激振規(guī)律與S1F1相似，但在2 kHz處出現(xiàn)明顯峰值，達(dá)到0.08 m/s2。(2)振動(dòng)傳遞至Q1F處，在2 kHz處出現(xiàn)峰值，幅值下降至0.006 m/s2；Q1J處在500 Hz以下出現(xiàn)峰值，最高僅0.001 m/s2，且在2 kHz處無峰值，曲線衰減明顯。(3)振動(dòng)傳遞至FBF處，規(guī)律與Q1F處相似，但峰值放大至0.04 m/s2；FBJ處振動(dòng)規(guī)律與FBF相似，2kHz處出現(xiàn)峰值，整體幅值呈放大趨勢，但最高僅為0.005 m/s2。

由圖13、圖14可知：Q1F處振動(dòng)集中在2 kHz處，峰值振動(dòng)僅維持0.004 s，而Q1J處振動(dòng)在整個(gè)頻段上長時(shí)間持續(xù)，2 kHz以上頻段在0.15s左右，低頻段0～500 Hz達(dá)0.3 s以上。

由圖15的S1F(J)1->Q1F(J)振動(dòng)級(jí)差對比可知，振動(dòng)從S1F(J)1傳遞至Q1F(J)：(1)在中低頻段0～3 kHz范圍內(nèi)，非減振板級(jí)差為20～40 dB，減振板為40～60 dB，平均相差20 dB，最高點(diǎn)相差40 dB，減振效果明顯。(2)在3～5 kHz處減振板級(jí)差為30～40 dB，非減振板為25～35 dB，平均相差5 dB。

圖7 R1F5測點(diǎn)時(shí)-頻域圖8 R1J5測點(diǎn)時(shí)-頻域圖9 R1F(J)1->R1F(J)3級(jí)差對比圖10 S1F(J)1測點(diǎn)頻域圖11 Q1F(J)測點(diǎn)頻域圖12 FBF(J)測點(diǎn)頻域圖13 Q1F測點(diǎn)時(shí)-頻域圖14 Q1J測點(diǎn)時(shí)-頻域圖15 S1F(J)1->Q1F(J)級(jí)差對比

4 結(jié)論

(1)從鋼軌的縱向傳遞規(guī)律可知，鋼軌的激振頻率集中在2～3 kHz，振動(dòng)在傳遞中會(huì)向高頻段漂移，非減振板從2.7 kHz漂移至2.8 kHz，減振板從2.5 kHz漂移至3.0 kHz。減振板的漂移現(xiàn)象更為明顯；減振板在2～3 kHz頻段衰減明顯，最大相差28 dB。

(2)從鋼軌的縱向傳遞規(guī)律可知，在2～3 kHz頻段處振動(dòng)從峰值下降至最低值的過程中，非減振板鋼軌振動(dòng)衰減與距離呈正相關(guān)，而減振板在很近距離內(nèi)衰減至最低量級(jí)。

(3)從鋼軌-鋼箱梁的豎向傳遞規(guī)律可知，兩種板型軌道板處的激振頻段均變?yōu)閷挿?～3 kHz，幅值接近，在2 kHz處出現(xiàn)峰值，傳遞到鋼箱梁后振動(dòng)均被放大。

(4)從鋼軌-鋼箱梁的豎向傳遞規(guī)律可知，兩種板型橋面板處的振動(dòng)衰減差異明顯，非減振板振動(dòng)集中在0～500 Hz、2 kHz頻段處，減振板則集中在0～500 Hz頻段處；減振板在0～3 kHz頻段處的級(jí)差平均比非減振板高20 dB，衰減效果明顯。