CRTS III型板式无砟轨道桥梁段环境振动测试分析

张光明，贺玉龙，梅昌艮，杨立中

（西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 610031）

随着列车运行速度的提高和高速铁路的飞速发展，列车引起的地面振动对人们生产和生活的影响日益突出，国际上已将振动列为七大环境公害之一。高速铁路产生的环境振动与多种因素有关，其中轨道作为承载和传递列车振动荷载的一种结构系统，其结构型式在一定程度上决定了高速铁路产生的环境振动特性。CRTS III型板式无砟轨道作为一种全新的无砟轨道系统，近几年逐渐开始应用在快速或高速铁路中，如成灌快速铁路、成绵乐客专、武汉城市圈城际铁路、盘营客专、沈丹客专等，即将开通运行的西安—宝鸡高速铁路也铺设了该种型式的无砟轨道试验段，其中成灌铁路首次全线铺设了CRTS III型板式无砟轨道。CRTS III型板式无砟轨道吸收了CRTS I和CRTS II无砟轨道的制造和施工工艺，并在此基础上进行了改进和创新，具有更高的平顺性，减小了轨道的动力加速度，有利于减轻轨道的振动及噪声对周边环境的影响。目前国内学者对已开通运营的I型或II型板式无砟轨道铁路引起的环境振动进行过很多测试研究，如京津城际、沪宁城际、郑西客运专线等[1―5]，为研究I型或II型板式无砟轨道环境振动积累的不少实测资料，而对III型板式无砟轨道环境振动的研究却很少见，对成灌快速铁路CRTS III型板式无砟轨道桥梁段环境振动进行了现场测试及分析，可为进一步研究CRTS III型板式无砟轨道的环境振动特性提供参考。

1 现场测试情况

1.1 轨道特征

成灌快速铁路为双线铁路，桥梁段CRTS III型无砟轨道结构主要由60 kg/m钢轨、WJ-8型扣件、充填式垫板、C 60双向预应力轨道板、C 40自密实混凝土、隔离材料及混凝土底座等轨道部件和结构组成。轨道板与自密实混凝土之间采用预埋门型连接钢筋连接，轨道板与自密实混凝土层紧密结合形成“复合板”结构。自密实混凝土层设有凹形挡槽，与混凝土底座上设置的凸型挡台结合，凹凸槽四周设有10 mm厚缓冲橡胶垫板。自密实混凝土与混凝土底座之间设有4 mm厚隔离材料。

图1 成灌快速铁路桥梁段CRTS III型板式无砟轨道

1.2 列车参数

运行列车为CRH 1型动车组，编组形式为8辆编组，长度213.5 m，重量420.4 t，转向架固定轴距2.7 m，车辆通过测区运行速度约180 km/h。

1.3 测试条件及测点布置

测试的桥梁段的桥墩高3 m，测试场地平整，无外界干扰，测试条件较好，在垂直线路方向距离桥墩中心线10 m、20 m、30 m、40 m布置4个测点如图2。测试仪器采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV 3062 t振动测试仪，传感器采用941 B型加速度传感器，在传感器底面放少了橡皮泥，用力按压传感器使其与地面充分紧密接触，见图3和图4。ISO2631-1(关于全身振动评价指南 第一部分)规定振动评价频率范围是1～80 Hz，目前对铁路环境振动评价和测量的频率范围也是1～80 Hz，因此在传感器的选用时应考虑能够重点测试1～80 Hz范围内的振动，若传感器的测试频率范围过大则会弱化1～80 Hz范围内的振动，941 B传感器的使用频率范围0.17～100 Hz正好可以满足环境振动测试要求。

图2 测点布置示意图

图3 振动测试仪

图4 加速度传感器

2 测试结果及分析

本次测试的对象为近轨列车，共测试了4组样本数据。VL90表示在测量时间内有90%的振动超过该值，因此通常用VL90表示测试的平均背景振动值[6]，本次测试的背景振动值为45 dB。

2.1 振动加速度时程分析

图5为列车通过时各测点的加速度时程曲线，反映了不同距离处地面振动加速度随时间的变化。通过加速度时程曲线显示列车引起的地面振动持续时间约6 s。加速度随距离增加快速衰减，10 m处振动加速范围在60～60 mm/s2；20 m处振动加速度为25～20 mm/s2；30 m处振动加速为14～14 mm/s2，在40 m处振动加速大小仅为8～10 mm/s2。

由各测点的最大振动加速度得到振动加速度峰值随距离的衰减曲线如图6所示。在本文的测试条件下振动峰值加速度在前20 m衰减较快，从10 m到20 m加速度衰减量为35.8 mm/s2，大于20 m后衰减明显变慢，从20 m到40 m加速度衰减量为14.6 mm/s2。

图5 列车通过桥梁段地面各测点振动加速度时程曲线

图6 振动峰值加速度衰减曲线

2.2 振动加速度频谱分析

振动频谱曲线主要反映了地面振动频率成分以及振动能量的分布情况。图7显示，随着距离增加，各频率的振动都在不断衰减。10 m处的振动频率分布范围较广，主要在20～90 Hz之间，并且50～90 Hz范围内的振动能量大于20～50 Hz的能量；20 m处50～90 Hz振动能量略小于20～50 Hz范围内的振动能量；30 m处50～90 Hz内的振动明显小于20～50 Hz的振动；在40 m，相对于20～50 Hz的振动，50～90 Hz内的振动基本可忽略不计。可见，50～90 Hz的振动比20～50 Hz的振动衰减的更快，说明高频振动衰减速度要高于低频振动。

2.3 1/3倍频程分析

图7 各测点振动频谱曲线

图8 各测点振动的1/3倍频程分析曲线

对振动数据进行1/3倍频程分析，可以更加清楚的考察各频段内振动的特征及随距离的衰减特性。图8为各测点的1/3倍频程振动分析曲线，图中可以看到10 m处振动能量主要集中在20～90 Hz，这与前面频谱分析结论一致。20 m、30 m和40 m处振动主频范围在15～45 Hz。从10 m到20 m处，1～8 Hz和20～90 Hz两个范围内的振动衰减较多；由20 m到40 m处，振动衰减主要发生在20～90 Hz，1～20 Hz的振动衰减很少。

2.4 Z振级分析

Z振级作为振动评价指标，反映了振动对周围环境的影响大小，其计算式为

式中ae为经频率计权因子修正后得到的振动加速度有效值，m/s2；aref基准加速度，取值10-6m/s2；a i是频率为f i的振动加速度有效值，m/s2；C i为频率f i对应的计权因子，dB。

现行《城市区域环境振动标准》（GB 10070－1988）[7]在振级的定义上引用了国际标准ISO 2631-1：1985的Z频率计权曲线，但该计权曲线已于1997年被ISO废除，因此我国拟颁布的最新《环境振动标准》（征求意见稿）[8]中采用了最新的ISO 2631-1：1997规定的Wk频率计权曲。

本文中分别采用Z计权和Wk计权得到各测点Z振级VLZ如图9所示，10 m处Z计权和Wk计权振级分别为62 dB和65.9 dB，30 m处分别为55.9 dB和59.6 dB，两种记权振级均满足《城市区域环境振动标准》要求，本文中Wk计权振级比Z计权振级高约4dB。随着距离增加Z振级不断衰减，对各测点两种计权Z振级进行回归拟合分析，得到拟合衰减如式（2）、（3），可见Z振级符合对数衰减规律

3 结语

（1）成灌铁路CRTS III型板式无砟轨道桥梁段列车通过时的地面振动持续时间约6 s，振动加速度随距离增加不断衰减，在大于20 m后振动衰减速度变慢。

图9 Z振级随距离的衰减

（2）在近场振动能量分布的频率范围较广，10 m处振动能量主要分布在20～90 Hz频率范围内。高频振动比低频振动衰减更快，在大于20 m后主要以15～45 Hz的振动为主。

（3）列车通过CRTS III型板式无砟轨道桥梁段引起的环境振动的Z振级符合对数衰减规律。

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[2]贺玉龙，周 青，董海山，杨立中.350 km/h高速铁路不同线路形式处环境振动测试分析[J].工业安全与环保，2013，04：56-58.

[3]贺玉龙，周 青，杨立中.350 km/h高速铁路高架桥环境振动的测试分析[J].噪声与振动控制，2012，01：170-173.

[4]王金凤.郑西高速铁路环境振动衰减特性分析[D].西南交通大学，2011.

[5]毛昆明，陈国兴，张 杨，洪小星，阮 滨.高架桥段与路堤段CRH动车组运行引起的地面振动对比测试[J].南京工业大学学报(自然科学版)，2011，05：19-23.

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[7]中华人民共和国国家标准.《城市区域环境振动标准》（GB10070-1988）[S].

[8]《环境振动标准》编制说明（征求意见稿）[EB/OL].http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201011/t 20101124_197899.htm（2010.11.16）.

[9]中华人民共和国国家标准.《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价 第1部分：一般要求 》（GB/T 13441.1-2007/ISO 2631-1：1997）[S].

[10]葛 勇，张希黔，肖正直，华建明，黄 宾.无碴轨列车运行引起的环境振动影响评价[J].环境工程学报，2010，01：235-240.

[11]尹 皓，李耀增，辜小安，李晏良，高速铁路环境振动特性研究[J].铁道劳动安全卫生与环保，2010,01：32-36.

[12]雷晓燕，刘庆杰，朱成九，仲志武.高架轨道诱发环境振动预测与评价研究[J].噪声与振动控制，2008，06：108-112；135.