羅 偉,李秋義,張世杰,楊尚福

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063; 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

溫州市域鐵路S1線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“S1線”)西起甌海區(qū)潘橋鎮(zhèn)，東至靈昆半島二站，全長(zhǎng)53 km，線路經(jīng)過(guò)甌海、鹿城、龍灣等人口稠密地區(qū)，加之后期配套物業(yè)開(kāi)發(fā)較多，對(duì)軌道減振有著較高要求，根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告，S1線需要鋪設(shè)中等減振扣件共計(jì)約48單線公里[1-3]。S1線設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為120 km/h，較地鐵設(shè)計(jì)速度高，其運(yùn)營(yíng)車(chē)輛為市域D型動(dòng)車(chē)組，軸重達(dá)17t，因此，S1線在運(yùn)營(yíng)模式、荷載特征等方面與地鐵存在較大的差異。在S1線建設(shè)過(guò)程中，中等減振地段所用減振扣件在繼承地鐵中等減振扣件成熟技術(shù)的同時(shí)，進(jìn)行了系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化研究[4-5]。

溫州市域鐵路S1線是“國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)示范工程”，承擔(dān)了市域鐵路先行先試、示范引領(lǐng)、復(fù)制推廣的功能[4-8]，在S1線試運(yùn)行期間，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)S1線減振扣件的減振性能進(jìn)行了測(cè)試分析，以期為我國(guó)市域鐵路減振設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 S1線減振扣件設(shè)計(jì)概況

根據(jù)市域鐵路運(yùn)量大、速度快、軸重大的特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外地鐵減振扣件的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，S1線設(shè)計(jì)了新型的減振扣件，通過(guò)軌下彈性墊板和中間彈性墊雙層彈性元件實(shí)現(xiàn)扣件減振，由上、下彈性墊合理的剛度分配達(dá)到減振效果，扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)靜剛度為(17±3) kN/mm。為增強(qiáng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)中與普通地段扣件的通用性和互換性，S1線減振扣件在彈條、預(yù)埋套管、螺旋道釘及與軌枕的接口等方面保持了與普通地段扣件(WJ-7B扣件)一致性。如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)組裝的S1線減振扣件

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 斷面概況

S1線減振扣件主要鋪設(shè)于橋梁地段，橋上采用了無(wú)底座雙塊式無(wú)砟軌道[6-11]，自上而下由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板等組成，結(jié)構(gòu)高度為560 mm，如圖2、圖3所示。

圖2 S1線橋上新型無(wú)底座雙塊式無(wú)砟軌道橫斷面

圖3 S1線橋上雙塊式無(wú)砟軌道

結(jié)合減振扣件鋪設(shè)地段、線路、行車(chē)、橋梁等設(shè)計(jì)資料，選取了6個(gè)斷面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分成3組典型工況對(duì)比試驗(yàn)，各斷面概況見(jiàn)表1。其中，第1組試驗(yàn)評(píng)估的工況為：半徑700 m的小半徑曲線地段，行車(chē)速度約85 km/h；第2組試驗(yàn)評(píng)估的工況為：半徑700 m的小半徑曲線地段，行車(chē)速度105～110 km/h；第3組試驗(yàn)評(píng)估的工況為：半徑6 000 m的大半徑曲線地段，行車(chē)速度75～80 km/h。

表1 各測(cè)試斷面概況

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

本研究測(cè)試內(nèi)容為橋梁梁面垂向加速度，測(cè)點(diǎn)布置于兩線之間中間處的梁面，如圖4所示。

圖4 垂向加速度測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：m)

2.3 測(cè)試儀器

數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)采用24位精度智能信號(hào)采集儀。傳感器采用INV9828型中低頻加速度傳感器，頻響范圍0.2～2 500 Hz，量程為10g，分辨率為0.000 4 m/s2。所用加速度傳感器經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢定為合格品。梁面振動(dòng)傳感器安裝現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖5。

圖5 梁面振動(dòng)傳感器安裝現(xiàn)場(chǎng)

2.4 數(shù)據(jù)采集概況

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基于S1線正常運(yùn)營(yíng)條件開(kāi)展，線路開(kāi)行列車(chē)為市域D型車(chē)，4節(jié)編組，車(chē)輛軸距2.5 m，軸重17 t，測(cè)試期間各斷面扣件系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)組裝狀態(tài)完好無(wú)異常。各測(cè)試斷面采集到的加速度信號(hào)樣本數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各斷面加速度信號(hào)樣本數(shù) 組

2.5 測(cè)量量

對(duì)標(biāo)HJ453—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》、GB10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》、GB10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》，測(cè)量量采用列車(chē)通過(guò)過(guò)程中Z振級(jí)VLz的最大值，即VLzmax，如圖6所示。分析的頻率范圍1～80 Hz，計(jì)權(quán)因子采用ISO2631/1—1985《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第一部分 一般要求》規(guī)定的全身Z計(jì)權(quán)因子，見(jiàn)表3。

圖6 列車(chē)通過(guò)過(guò)程中Z振級(jí)VLz時(shí)程曲線

表3 ISO2631/1—1985規(guī)定的Z計(jì)權(quán)因子

針對(duì)一個(gè)過(guò)車(chē)事件的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，將其劃分為若干個(gè)1 s長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)段落(可考慮一定的重疊系數(shù))，計(jì)算每一段落數(shù)據(jù)Z振級(jí)VLz的方法詳述如下。

對(duì)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)時(shí)程數(shù)據(jù)做傅里葉變換，找出各中心頻率對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)的振動(dòng)分量，對(duì)找出的振動(dòng)分量做傅里葉逆變換，進(jìn)而可按式(1)求得各中心頻率對(duì)應(yīng)的加速度有效值aw。

(1)

式中，aw(t)為頻率位于某一中心頻率對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)；T為測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度。

進(jìn)一步地，Z振級(jí)VLz計(jì)算公式為

(2)

式中，Wj為第j個(gè)中心頻率對(duì)應(yīng)的計(jì)權(quán)因子；awj為第j個(gè)中心頻率對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)的加速度有效值；a0為基準(zhǔn)加速度，a0=10-6m/s2。

減振扣件減振效果Δ的計(jì)算公式如下

Δ=VLzmax1-VLzmax2

(3)

式中，VLzmax1為普通軌道地段列車(chē)通過(guò)過(guò)程中Z振級(jí)VLz的最大值；VLzmax2為減振扣件地段列車(chē)通過(guò)過(guò)程中Z振級(jí)VLz的最大值。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 典型時(shí)程數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)獲取的梁面垂向加速度典型時(shí)程數(shù)據(jù)(以第3組試驗(yàn)普通軌道與減振扣件斷面數(shù)據(jù)樣本為例)如圖7所示，可以看出，相較普通軌道斷面，列車(chē)通過(guò)時(shí)刻減振扣件斷面的梁面垂向加速度幅值顯著減小，最大值從1.1g減小至0.3g，減小約73%。

圖7 梁面垂向加速度典型時(shí)程數(shù)據(jù)樣本

3.2 第1組試驗(yàn)減振效果

列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)刻，斷面1與斷面2梁面垂向加速度級(jí)頻域分布對(duì)比如圖8所示。第1組試驗(yàn)中，相較普通軌道，采用減振扣件后35 Hz以下的頻段內(nèi)梁面垂向加速度級(jí)有所放大，35 Hz以上為減振扣件的有效減振頻段，35～80 Hz范圍內(nèi)梁面分頻振級(jí)較普通軌道最大減小19.9 dB，對(duì)應(yīng)頻率63 Hz。

圖8 斷面1、斷面2梁面垂向加速度級(jí)頻域分布曲線

采用奈爾(Nair)檢驗(yàn)法等常用的異常數(shù)據(jù)識(shí)別方法剔除離群數(shù)據(jù)[12-16]，取有效數(shù)據(jù)樣本的均值，斷面1、斷面2梁面VLzmax計(jì)算值見(jiàn)表4，在第1組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況下，減振扣件減振效果的測(cè)試結(jié)果為5.0 dB。

表4 斷面1、斷面2梁面VLzmax計(jì)算值

3.3 第2組試驗(yàn)減振效果

列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)刻，斷面3與斷面4梁面垂向加速度級(jí)頻域分布對(duì)比如圖9所示。第2組試驗(yàn)中，相較普通軌道，采用減振扣件后35 Hz以下的頻段內(nèi)梁面垂向加速度級(jí)有所放大，35 Hz以上為減振扣件的有效減振頻段，35～80 Hz范圍內(nèi)梁面分頻振級(jí)較普通軌道最大減小20.8 dB，對(duì)應(yīng)頻率63 Hz。

圖9 斷面3、斷面4梁面垂向加速度級(jí)頻域分布曲線

斷面3、斷面4梁面VLzmax計(jì)算值見(jiàn)表5，在第2組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況下，減振扣件減振效果的測(cè)試結(jié)果為5.2 dB。

表5 斷面3、斷面4梁面VLzmax計(jì)算值

3.4 第3組試驗(yàn)減振效果

列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)刻，斷面5與斷面6梁面垂向加速度級(jí)頻域分布對(duì)比如圖10所示。第3組試驗(yàn)中，相較普通軌道，采用減振扣件后42 Hz以下的頻段內(nèi)未見(jiàn)顯著的減振效果，該范圍內(nèi)局部頻率梁面垂向加速度級(jí)有所放大，42 Hz以上為該減振扣件的有效減振頻段，42～80 Hz范圍內(nèi)梁面分頻振級(jí)較普通軌道最大減小18.8 dB，對(duì)應(yīng)頻率63 Hz。

圖10 斷面5、斷面6梁面垂向加速度級(jí)頻域分布曲線

斷面5、斷面6梁面VLzmax計(jì)算值見(jiàn)表6，在第3組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況下，減振扣件減振效果的測(cè)試結(jié)果為6.0 dB。

表6 斷面5、斷面6梁面VLzmax計(jì)算值

4 結(jié)論

溫州市域鐵路S1線中等減振地段鋪設(shè)了減振扣件，通過(guò)選取典型斷面開(kāi)展試驗(yàn)研究，得出主要結(jié)論如下。

(1)S1線減振扣件的減振效果實(shí)測(cè)結(jié)果為5～6 dB，其有效減振的起始頻率范圍為35～42 Hz。35～80 Hz范圍內(nèi)，減振扣件地段梁面分頻振級(jí)較普通軌道地段最大減小18～21 dB，對(duì)應(yīng)頻率為63 Hz。

(2)小半徑曲線地段，35 Hz以下的低頻振動(dòng)減振扣件斷面較普通軌道斷面存在顯著放大，鑒于線路兩側(cè)建筑物的自振頻率一般為低頻，建議加強(qiáng)減振扣件地段低頻振動(dòng)誘因(如軌面長(zhǎng)波不平順)的核查和管理，減小低頻振動(dòng)向外傳播對(duì)沿線建筑物的影響。

(3)行車(chē)速度、線路直曲線要素對(duì)梁面VLzmax及減振扣件減振效果的影響顯著，因此，在軌道減振產(chǎn)品性能后評(píng)估項(xiàng)目中，應(yīng)充分考慮行車(chē)速度、線路直曲線要素特征，合理設(shè)置測(cè)試工況、斷面。