張永福,李 斌,白廣明,羅貫霄,范祥輝,劉 花,張文強(qiáng)

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與測繪工程分院,陜西咸陽 712100；3.中鐵一局集團(tuán)有限公司,西安 710054)

近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高速鐵路給人們的日常生活帶來了諸多便利，但同時也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，如環(huán)境振動。高速列車引起的沿線環(huán)境振動問題已經(jīng)受到越來越多部門和學(xué)者的重視。美國聯(lián)邦鐵路運(yùn)輸部門通過分析振動的傳播規(guī)律和鐵路的環(huán)境振動源，對高速鐵路引起的振動和噪聲提出了新的評估方法。馬莉[1]結(jié)合項目“武廣高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試長沙南站振動噪聲試驗”，研究了高速列車通過高架車站時對候車廳環(huán)境的影響。夏禾等[2]實測了北京地鐵5號線高架橋上運(yùn)行列車對周邊的環(huán)境振動，得出地面橫向振動的衰減規(guī)律。馬利衡等[3]通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析的方法，分析了滬寧城際高速鐵路路堤段的周邊地面振動特性。李小珍等[4]在津秦高鐵32 m簡支梁橋區(qū)段對橋上列車高速運(yùn)行時引起的地面振動進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究。陳洪運(yùn)等[5]利用試驗研究和數(shù)值分析的方法，研究了高鐵濱海北站路基段的環(huán)境振動特性和衰減規(guī)律。王祥秋等[6]測試分析了武廣高鐵金沙洲路段的環(huán)境振動以及周圍建筑物的二次振動。馬骙骙，李斌等[7-8]通過建立列車-軌道-地基系統(tǒng)模型，結(jié)合寶蘭高鐵實測數(shù)據(jù)，分析研究了覆蓋層厚度和覆蓋層與下臥層模量比對地面振動的影響規(guī)律。隨著我國深入實施《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2016—2030)及新時代西部大開發(fā)戰(zhàn)略，西北黃土地區(qū)的高速鐵路建設(shè)迎來了廣闊的發(fā)展前景，黃土地區(qū)的鐵路環(huán)境振動問題也比較突出[9]?？v觀國內(nèi)外學(xué)者對鐵路環(huán)境振動問題的研究，針對黃土地區(qū)高速鐵路路堤段和路塹段環(huán)境振動的現(xiàn)場測試及兩者的對比分析較少。

因此，以寶蘭高鐵K933+110處路堤段和K1002+170處路塹段為工程背景，現(xiàn)場實測高速列車通過路堤和路塹時的周邊地面垂向振動響應(yīng)，并將響應(yīng)數(shù)據(jù)從時域、頻域和振級方面進(jìn)行對比分析與評價，以期為黃土地區(qū)高速鐵路路基段隔振減振機(jī)理的建立和減振措施的研發(fā)提供幫助。

1 試驗概況

1.1 線路特征與列車條件

寶蘭高鐵線路全長400.644 km，設(shè)計速度為250 km/h，軌道結(jié)構(gòu)形式為CRTSⅠ 型雙塊式無砟軌道。路堤段和路塹段的測試斷面分別位于里程K933+110處和K1002+170處，測試區(qū)周邊地勢平坦，地面堅實，環(huán)境干燥，無其他振動源，測試條件符合TB/T 3152—2007《鐵路環(huán)境振動測量》要求。兩處測試場地的地層巖性均以第四系風(fēng)積砂質(zhì)黃土為主，無地表水[10-11]。圖1(a)和圖1(b)分別為高速列車通過路堤段和路塹段的測試現(xiàn)場。

圖1 高速列車通過時的測試現(xiàn)場

此次現(xiàn)場試驗在路堤段和路塹段共采集了50列高速列車通過時的地面垂向振動加速度數(shù)據(jù)，其中路堤段30列，路塹段20列，列車型號有CRH5G、CRH2G、CRH380B等，列車運(yùn)行速度在200～245 km/h之間。

1.2 測量儀器

現(xiàn)場測試采用的儀器為INV3062T型24位采集儀，其工作模式為FPGA、DSP、ARM三CPU協(xié)同工作，同時配有4個24位高精度AD采集通道，在進(jìn)行現(xiàn)場測試時配有加速度傳感器和速度傳感器。研究鐵路振動問題一般以鉛垂向振動為主，所以現(xiàn)場設(shè)置垂向加速度傳感器，采樣頻率為1 024 Hz，采集儀器如圖2所示。

圖2 采集儀器

1.3 測點布設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場實際情況和《鐵路環(huán)境振動測量》中測點布設(shè)原則和要求[12-15]，在路堤段，測點距鐵路外軌中心線最近為10 m，最遠(yuǎn)為42 m，各測點位置如圖3所示。在路塹段，測點距鐵路外軌中心線最近為12.5 m，最遠(yuǎn)為40 m，各測點位置如圖4所示。

圖3 路堤段試驗測點布置斷面(單位：m)

圖4 路塹段試驗測點布置斷面(單位：m)

2 試驗結(jié)果分析

前期對比分析了50列高速列車通過測試區(qū)間時的振動信號，發(fā)現(xiàn)不同車次所產(chǎn)生的振動加速度具有很高的相似性。限于篇幅，選取編組為8節(jié)車廂，全長211.5m的CRH5G列車的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，該列車通過路堤段和路塹段試驗區(qū)間時的速度均約為230 km/h，列車運(yùn)行方向為蘭州—西安(近軌通過)。

2.1 時域分析

為分析黃土地區(qū)高速鐵路路堤段和路塹段周邊環(huán)境振動特性，CRH5G動車組通過路堤段和路塹段時的垂向振動加速度時程曲線分別如圖5和圖6所示，并將路堤段和路塹段距鐵路外軌中心線不同距離處的地面垂向振動加速度峰值進(jìn)行了對比，如圖7所示。

圖5 路堤段垂向加速度時程曲線

圖6 路塹段垂向加速度時程曲線

圖7 不同距離處峰值加速度變化規(guī)律

路堤段和路塹段測點1處的垂向加速度峰值量級為10-1，而測點1處的背景振動加速度峰值量級為10-3，兩峰值相差2個數(shù)量級，說明外界干擾對現(xiàn)場測試結(jié)果影響很小，保證了測試結(jié)果的有效性。在距鐵路外軌較近范圍內(nèi)，列車通過測試斷面的總時間(t)與列車運(yùn)行速度(v)和列車總長(L)有關(guān)，本文中L為211.5 m，v為230 km/h，則總時間為：t=L/v=3.31 s。由圖5(a)和圖6(a)可知，計算振動持續(xù)時間與實測振動持續(xù)時間較吻合，說明測試數(shù)據(jù)的正確性。

從圖5(a)和圖6(a)可看出8個明顯的加速度峰值，這是由8節(jié)車廂的周期性加載所引起。隨著距鐵路外軌中心線的距離越來越大，加速度周期性峰值越來越不明顯，振動持續(xù)時間逐漸變長，圖5(d)和圖6(d)中已經(jīng)觀測不到這種周期性峰值，且列車經(jīng)過時的地面振動與背景振動較接近，說明距鐵路外軌中心線40 m附近的地面垂向振動已經(jīng)變得特別小。

由圖7可知，隨著距鐵路外軌中心線的距離增加，路堤段和路塹段的周邊地面振動加速度峰值均減小。路堤段在距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內(nèi)垂向振動加速度衰減迅速，30 m之后振動加速度衰減變緩；路塹段在距鐵路外軌中心線12.5～20 m范圍(即路塹坡面)垂向振動加速度衰減迅速，20 m之后(路塹頂部)振動加速度衰減變緩，且同一測點范圍內(nèi)路塹段的周邊地面振動加速度始終高于路堤段的周邊地面振動加速度。這是由于當(dāng)振源產(chǎn)生的面波和體波傳至路塹邊坡坡腳時，邊坡坡腳各點將作為新的振源，新振源立即產(chǎn)生新的振動沿坡面?zhèn)鬟f。

2.2 譜分析

譜分析可以反映振動能量的分布情況和振動頻率的成分。現(xiàn)將路堤段和路塹段各測點的垂向加速度時程數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)運(yùn)算，得到路堤段和路塹段的加速度頻譜曲線，分別如圖8和圖9所示。

圖8 路堤段地面測點振動加速度頻譜曲線

圖9 路塹段地面測點振動加速度頻譜曲線

由圖8和圖9可知，隨著距鐵路外軌中心線的距離增大，路堤段和路塹段周邊地面的振動頻率從40 Hz以上的高頻向10～20 Hz的低頻衰減，地面振動加速度幅值亦隨之降低。在路堤段，距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內(nèi)地面振動頻率在3～96 Hz之間，其中能量較集中的主頻約為10，21，42 Hz和95 Hz，而距鐵路外軌中心線30～40 m范圍內(nèi)，地面振動頻率僅在3～11 Hz之間，能量較集中的主頻約為10 Hz；在路塹段，距鐵路外軌中心線12.5～40 m范圍內(nèi)地面振動頻率在3～95 Hz之間，其中12.5 m處有85～95 Hz的高頻成分，但含量較少，能量較集中的主頻約為20 Hz和43 Hz，在40 m處，能量較集中的主頻約為18 Hz，主峰18.4 Hz周圍出現(xiàn)多個大小較為接近的次峰，說明在該位置振動能量較離散。ISO.ISO2631—2[16]指出可用運(yùn)用公式(1)計算列車加載頻率，即

f=v/L

(1)

式中，f為頻率，Hz；v為速度，取63.9 m/s；L為長度，m。CRH5G列車的固定軸距L1=2.7 m，車輛定距L2=19 m，相鄰車輛前后轉(zhuǎn)向架間的距離L3=7.825 m，軌枕間距L4=6.5 m。采用公式(1)計算得到f1=23 Hz，f2=3.3 Hz，f3=8.2 Hz，f4=98.3 Hz。說明圖8和圖9中出現(xiàn)的10 Hz和20 Hz左右的主頻為輪軸的加載頻率，大小與軸重、列車運(yùn)行速度、列車固定軸距和相鄰車輛前后轉(zhuǎn)向架間距離有關(guān)，90 Hz左右的主頻與軌枕間距相關(guān)。

YU Hongbiao，WANG K W[17]將輪軌不平順激勵作用下產(chǎn)生的輪軌力進(jìn)行簡化處理，得出了輪軌力峰值頻率fp的計算公式

(2)

式中，EI為鋼軌抗彎剛度，取6.76×106N·m2；S為鋼軌支承剛度，取3×107N/m；kH為線性化的輪軌赫茲接觸彈簧剛度，取1.35×109N/m；mw為單輪質(zhì)量，取1 000 kg。通過公式(2)計算得到試驗中輪軌力的峰值頻率約為40 Hz，說明圖8和圖9中出現(xiàn)的40 Hz左右的主頻對應(yīng)于輪軌力的峰值頻率。

2.3 1/3倍頻程

在振動測試分析中，常采用1/3倍頻程進(jìn)行頻帶劃分，1/3倍頻程可以用較少的數(shù)據(jù)點來描述振動加速度隨頻率的變化情況，具有頻帶寬、譜線少的特點。本文中路堤段和路塹段周邊地面振動的1/3倍頻程譜曲線分別如圖10、圖11所示。

圖10 路堤段1/3倍頻程曲線

圖11 路塹段1/3倍頻程曲線

由圖10和圖11可知，隨著距鐵路外軌中心線的距離增加，40 Hz以上的高頻成分衰減速率較快，10～20 Hz的低頻成分衰減緩慢。這是因為高頻振動增加了質(zhì)點的振動次數(shù)，使得質(zhì)點間摩擦所消耗的能量增加，地面振動頻率從高頻向低頻靠近，低頻振動在土體中傳播更遠(yuǎn)，說明黃土對高頻振動具有高阻尼效應(yīng)。

由1/3倍頻程曲線可知，各頻段的振動加速度幅值均隨著距鐵路外軌中心線距離的增大而減小，路堤段的主頻帶為8～12.5 Hz，16～25 Hz，31.5～50 Hz和80～90 Hz，出現(xiàn)在距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內(nèi)；路塹段的主頻帶為12.5～25 Hz，31.5～50 Hz和60～90 Hz，出現(xiàn)在距鐵路外軌中心線10～20 m范圍內(nèi)，頻帶為60～90 Hz的含量少，這與譜分析結(jié)果相吻合。

2.4 Z振級分析

選用TB/T 3152—2007[18]規(guī)定的Z向計權(quán)因子修正后的振動加速度級作為衡量鐵路環(huán)境振動問題的標(biāo)準(zhǔn)，對黃土地區(qū)高速列車誘發(fā)的路堤段和路塹段周邊環(huán)境振動進(jìn)行定量的分析與評價[19-20]，圖12和圖13給出了路堤段和路塹段不同測點處Z向振動加速度級的變化規(guī)律。提取圖12和圖13中不同距離處的最大Z振級，繪制出路堤段和路塹段距鐵路外中心線不同距離處最大Z振級變化規(guī)律，并將變化規(guī)律進(jìn)行了曲線擬合，如圖14所示。我國GB10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》中將80 dB作為“鐵路外軌30 m外兩側(cè)”區(qū)域的垂向Z振級限值。

圖12 路堤段不同距離處Z振級變化曲線

圖13 路塹段不同距離處Z振級變化曲線

圖14 不同距離處Z振級變化規(guī)律

由圖12和圖13可得，路堤段距鐵路外軌中心線10 m范圍內(nèi)振級超出80 dB，Z振級最大值為82.04 dB，出現(xiàn)在頻率為40 Hz處；路塹段距鐵路外軌中心線12.5m范圍內(nèi)振級超出80 dB，最大值出現(xiàn)在頻率為20 Hz和40 Hz處，對應(yīng)振級分別為83.92 dB和81.93 dB，Z振級符合《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》中的限值要求。從圖14可以看出，隨著距鐵路外軌中心線距離的增大，路堤段和路塹段周邊地面的Z振級衰減特性呈對數(shù)規(guī)律。路堤段和路塹段距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內(nèi)，Z振級衰減較快，30 m以外范圍，Z振級衰減趨于平緩，說明在實際現(xiàn)場，時速230 km/h列車經(jīng)過路堤段和路塹段時，對距鐵路外軌中心線30 m以外范圍的Z振級影響不明顯。同時，在距鐵路外軌中心線相同范圍內(nèi)，路塹段Z振級高于路堤段。

3 結(jié)論

結(jié)合黃土地區(qū)寶蘭高鐵路堤段和路塹段的周邊地面振動實測數(shù)據(jù)，并將實測數(shù)據(jù)進(jìn)行時域和頻域的對比分析，得出以下結(jié)論。

(1)黃土地區(qū)路堤段和路塹段分別距鐵路外軌中心線10 m和12.5 m范圍內(nèi)，地面振動信號出現(xiàn)由機(jī)車車輛周期性加載引起的周期性峰值，隨著距離的增大，這種周期性峰值越來越不明顯。在距鐵路外軌中心線相同范圍內(nèi)，路塹段周邊地面振動強(qiáng)度始終高于路堤段。

(2)隨著距鐵路外軌中心線的距離增加，黃土地區(qū)路堤段和路塹段周邊地面40 Hz以上的振動頻率衰減快，10～20 Hz的振動頻率衰減慢，各頻段的振動加速度幅值均隨著距鐵路外軌中心線距離的增大而減小。

(3)黃土地區(qū)路堤段和路塹段出現(xiàn)的約40 Hz主頻與輪軌力峰值頻率對應(yīng)；出現(xiàn)的約10 Hz和20 Hz的主頻與軸重、列車運(yùn)行速度、列車固定軸距和相鄰車輛前后轉(zhuǎn)向架間距離有關(guān)；出現(xiàn)的約90 Hz的主頻與軌枕間距有關(guān)。

(4)隨著距鐵路外軌中心線距離的增大，黃土地區(qū)路堤段和路塹段周邊地面的Z振級衰減特性呈對數(shù)規(guī)律。距鐵路外軌中心線相同范圍內(nèi)，路塹段周邊地面Z振級始終高于路堤段。