李建森，廖英英，孫夢(mèng)穎，張厚貴

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2. 北京市科學(xué)技術(shù)研究院 城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所，北京 100054)

在新城市主義背景下，受到縫合城市、緊湊城市、TOD開(kāi)發(fā)理念等影響，目前對(duì)地鐵車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)已成為軌道交通成功發(fā)展的一個(gè)共識(shí)。雖然地鐵車(chē)輛誘發(fā)的振動(dòng)一般不足以破壞結(jié)構(gòu)的安全，但是會(huì)嚴(yán)重影響上蓋建筑物居住者的舒適感，使居住者出現(xiàn)焦慮、恐慌、失眠等癥狀，降低工作和生活質(zhì)量，如何有效地減少列車(chē)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的環(huán)境振動(dòng)影響已成為不可回避的問(wèn)題[1-2]。目前我國(guó)地鐵車(chē)輛段大都采用有砟軌道碎石道床，而常用的有砟軌道碎石道床減振措施有更換彈性扣件、更換彈性軌枕和使用道砟墊。我國(guó)主要還是采取道砟墊來(lái)進(jìn)行改造。韓鋒等[3]通過(guò)建立有砟軌道3層連續(xù)彈性支撐模型，根據(jù)輪軌力、力傳遞率以及軌道結(jié)構(gòu)各部件的振動(dòng)指標(biāo)對(duì)軌下彈性墊板、道砟墊的剛度進(jìn)行了研究。林家堅(jiān)等[4]建立3層離散點(diǎn)支承梁軌道模型，研究道砟墊面剛度的變化對(duì)輪軌沖擊荷載的影響，研究證明道砟墊可以有效緩解路基的動(dòng)力響應(yīng)。另外國(guó)內(nèi)外還有很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)道砟墊進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)分析[5-7]。目前車(chē)輛段減振設(shè)計(jì)一般流程首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行仿真分析提出設(shè)計(jì)優(yōu)化解決方案，然后待現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證。然而，道砟墊的減振效果僅能在工程完成后進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。一方面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的人力物力成本較高，另一方面，一旦減振需求無(wú)法達(dá)標(biāo)，改造設(shè)計(jì)與施工會(huì)造成工期延誤等影響。而落軸試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)針對(duì)不同剛度的減振墊的減振效果進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)。室內(nèi)開(kāi)展落軸試驗(yàn)既可以驗(yàn)證仿真分析減振效果又可以節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的成本，因此落軸試驗(yàn)也被廣泛應(yīng)用于各種軌道類(lèi)型的減振設(shè)計(jì)中。落軸試驗(yàn)作為一種常用的室內(nèi)試驗(yàn)方法，目前國(guó)內(nèi)的研究已經(jīng)有很多[8-13]，但是落軸試驗(yàn)對(duì)有砟軌道道砟墊還沒(méi)有一個(gè)行之有效的研究。據(jù)此，在室內(nèi)建立道砟墊有砟軌道-路基系統(tǒng)實(shí)尺模型開(kāi)展落軸沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，通過(guò)分析基底位置垂向加速度分頻振級(jí)的重復(fù)性來(lái)篩選有效數(shù)據(jù)。根據(jù)時(shí)域(基底時(shí)域加速度)與頻域測(cè)試結(jié)果(分頻振級(jí)、最大Z振級(jí)、插入損失)對(duì)2種不同類(lèi)型道砟墊減振性能進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)工況

目前國(guó)內(nèi)多采用室內(nèi)落軸試驗(yàn)[7-11]來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)軌道的動(dòng)力響應(yīng)，所以此次建立一個(gè)車(chē)輛段有砟軌道-路基系統(tǒng)實(shí)尺模型來(lái)探究道砟墊的減振性能。選取目前2種減振效果較好的I型道砟墊和II型道砟墊作為研究對(duì)象。試驗(yàn)分為3種工況，分別為無(wú)道砟墊、鋪設(shè)I型道砟墊和鋪設(shè)II型道砟墊。

道砟墊力學(xué)性能的準(zhǔn)確測(cè)試與評(píng)價(jià)會(huì)對(duì)落軸試驗(yàn)效果分析提供重要參考，本文采用高頻動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，并參照韋凱等[14]對(duì)浮置板軌道減振墊測(cè)試方法，以及歐標(biāo)《Railway applications Infrastructure Under ballast mats》(BS EN 17282:2020)[15]對(duì)道砟墊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。其中分別測(cè)試了服役荷載范圍內(nèi)的割線(xiàn)靜剛度、5 Hz割線(xiàn)動(dòng)剛度，以及在軌道自重預(yù)壓條件下的20 Hz切線(xiàn)動(dòng)剛度，試驗(yàn)裝置如圖1所示，測(cè)得結(jié)果如表1所示。

表1 道砟墊參數(shù)Table 1 Ballast mat parameters

1.2 場(chǎng)地布置

試驗(yàn)在西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，有砟軌道試驗(yàn)場(chǎng)地如圖2所示。試驗(yàn)場(chǎng)地由2根4 m長(zhǎng)50 kg/m鋼軌、6根2.5 m長(zhǎng)的II型混凝土枕、30 cm厚道砟組成。輪軸放置于6根軌枕中央，車(chē)輪上部連接升降裝置，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)升降裝置兩側(cè)抬升滑輪將鋼軌升至20 mm[11]，接通升降裝置中電磁鐵電源，將輪軸吸附于電磁鐵上，待輪軸靜止之后，然后依次進(jìn)行輪對(duì)對(duì)中、測(cè)量及復(fù)核落軸高度，確認(rèn)無(wú)誤后，關(guān)閉電磁鐵電源，使輪軸自由下落，沖擊鋼軌，每種工況重復(fù)多次，保證至少5組可利用數(shù)據(jù)。

傳感器位置分別放于左右鋼軌、左右軌枕與左右基底位于輪軸下方位置處，傳感器位置簡(jiǎn)圖如圖3所示。評(píng)價(jià)時(shí)以基底加速度傳感器信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，其余的加速度傳感器信號(hào)作為參考，在本文中不做分析。數(shù)據(jù)采集儀使用的東方所的INV3062，鋼軌與軌枕處采用量程為1 000g，靈敏度為5 mV/g的INV9824磁吸傳感器，基底處采用量程為10g，靈敏度為500 mV/g的INV9828的磁吸傳感器。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 加速度分析

比較3種工況下右側(cè)基底的時(shí)域圖，因?yàn)槊拷M工況基底加速度較為穩(wěn)定，如表2所示，所以每組工況隨機(jī)選取一組基底加速度進(jìn)行對(duì)比，可以直觀(guān)比較2種道砟墊對(duì)基地振動(dòng)加速度的影響，以此來(lái)比較道砟墊的減振效果，如圖4所示。

表2 基底處垂向加速度大小Table 2 Vertical acceleration at the base

由圖4可知，無(wú)道砟墊時(shí)垂向加速度最大可達(dá)9.8 m/s2，鋪設(shè)I型道砟墊最大垂向加速度為0.48 m/s2，鋪設(shè)II型道砟墊最大垂向加速度為0.92 m/s2，從基底垂向加速度方面分析，I型道砟墊的減振效果要優(yōu)于II型道砟墊，即相同條件下I型道砟墊可大大降低基底的垂向加速度，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 分頻振級(jí)分析

振動(dòng)加速度級(jí)VAL的表達(dá)式為：

式中：arms為加速度有效值；a0為基準(zhǔn)加速度，一般取為10-6m/s2。

1/3倍頻程各中心頻率的振動(dòng)加速度級(jí)可采用頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到，稱(chēng)為分頻振級(jí)，其可反映某一頻段內(nèi)振動(dòng)水平，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 170—2009)[16]，Z振級(jí)的分析頻段取4～200 Hz，其中，頻率計(jì)權(quán)因子參考《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1部分：一般要求》(GB/T 13441.1 2007)[17]。

每種工況都重復(fù)多次試驗(yàn)，并通過(guò)漢寧窗[18]輸出落軸試驗(yàn)的結(jié)果，輸出每組試驗(yàn)的右側(cè)基底的垂向加速度分頻振級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選，得到圖5。

由圖5(a)所示，每組試驗(yàn)的基底位置垂向加速度振級(jí)在5～200 Hz范圍內(nèi)與平均值相差最大僅為6.5%，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確每組數(shù)據(jù)都為有效數(shù)據(jù)；由圖5(b)所示，第3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他各組數(shù)值偏差較大，所以分析數(shù)據(jù)時(shí)舍棄該組試驗(yàn)；由圖5(c)所示，每組試驗(yàn)的基底位置垂向加速度振級(jí)在5～200 Hz范圍內(nèi)與平均值相差最大僅為2.4%，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確每組數(shù)據(jù)都為有效數(shù)據(jù)。并且由圖5可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率小于4 Hz時(shí)每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)差距比較大，加上低頻對(duì)振級(jí)結(jié)果影響很小，所以分析時(shí)選擇4～200 Hz。

2.3 分頻振級(jí)插入損失

每種工況選取5組右側(cè)基底4～200 Hz的垂向加速度分頻振級(jí)，然后將5組數(shù)據(jù)平均，如圖6所示。具體數(shù)值如表3所示。

表3 基底位置垂向加速度振級(jí)Table 3 Vibration acceleration levels of the base

由圖6可以得到，沒(méi)有任何減振墊的工況下，基底最大垂向加速度振級(jí)出現(xiàn)在20 Hz，最大為104.48 dB；鋪設(shè)I型道砟墊后基底最大垂向加速度振級(jí)出現(xiàn)在12.5 Hz，最大為92.69 dB；鋪設(shè)II型道砟墊后基底最大垂向加速度振級(jí)出現(xiàn)在16 Hz，最大為90.38 dB。因?yàn)?種道砟墊的靜態(tài)基礎(chǔ)模量與動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)模量不同導(dǎo)致了結(jié)果的差異。

將無(wú)減振墊下的基底位置垂向加速度振級(jí)分別與鋪設(shè)2種道砟墊的基底位置垂向加速度振級(jí)做差，可以得到插入損失，如圖7所示。

由圖7可得，I型道砟墊減振效果在低頻時(shí)優(yōu)于II型道砟墊，但在高頻時(shí)，II型道砟墊減振效果優(yōu)于I型道砟墊。2種類(lèi)型道砟墊均在200時(shí)達(dá)到最大減振效果，減振效果分別為26.75 dB和35.45 dB。

2.4 最大Z振級(jí)分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》(GB10071—88)[19]，為評(píng)價(jià)城市區(qū)域的環(huán)境振動(dòng)水平，測(cè)量鉛垂向Z振級(jí)，采用時(shí)間計(jì)權(quán)常數(shù)為1 s，采用頻率計(jì)權(quán)范圍為1～80 Hz。根據(jù)基底位置垂向加速度振級(jí)圖，在每種工況中選取其中5組Z振級(jí)放到同一圖中(如圖8所示)并取其平均值，最終得到Z振級(jí)差別，具體數(shù)值如表4所示。

由圖9和表4可得，3種工況下右基底最大Z振級(jí)也較為穩(wěn)定，說(shuō)明數(shù)據(jù)是可靠的，無(wú)減振墊時(shí)右基底最大Z振級(jí)平均值為106.36 dB，鋪設(shè)I型道砟墊時(shí)右基底最大Z振級(jí)平均為96.66 dB，鋪設(shè)II型道砟墊時(shí)右基底的最大Z振級(jí)平均為94.58 dB。則2種道砟墊最大Z振級(jí)插入損失為9.7 dB和11. 8 dB。

表4 基底位置垂向加速度最大Z振級(jí)Table 4 Maximum Z-vibration level of the base

3 結(jié)論

1) 在4～200 Hz時(shí)，鋪設(shè)I型道砟墊后基底位置垂向加速度分頻振級(jí)最大減振效果達(dá)26.75 dB，鋪設(shè)II型道砟墊后基底位置垂向加速度分頻振級(jí)最大減振效果達(dá)35.4 dB。

2) 從基底位置垂向加速度最大Z振級(jí)上看，I型道砟墊總振級(jí)減振效果達(dá)9.7 dB，II型道砟墊總振級(jí)減振效果達(dá)11.8 dB，所以目前減振效果較好的道砟墊在車(chē)輛段改造中減振效果可達(dá)(10±2) dB。

3) 鋪設(shè)2種道砟墊可以改變結(jié)構(gòu)的固有頻率以及分頻振級(jí)的峰值，改變的大小和道砟墊的基礎(chǔ)模量相關(guān)。

4) I型道砟墊的靜模型雖然較小，然而在5 Hz及20 Hz的動(dòng)模量均大于II型道砟墊。因此，僅通過(guò)靜模量參數(shù)不足以確定道砟墊的減振效果，應(yīng)充分考慮軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，從高頻振動(dòng)剛度的角度對(duì)道砟墊的減振效果進(jìn)行優(yōu)化。