重载铁路列车运行引起的环境振动试验分析

陈迎庆

（中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京100081）

重载铁路列车运行引起的环境振动试验分析

陈迎庆

（中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京100081）

列车以不同速度通过某重载铁路桥梁区段时，测试得到距离铁路线路不同距离处的环境振动振级水平及频域特性。应用MATLAB软件分析得到环境振动水平与距离、速度的变化关系公式。考虑时间累计对环境振动的影响，使用四次方振动剂量值探讨速度和距离对振动的影响，并分析其与Z计权振级变化的关系。试验结果表明：列车速度60～100 km/h时重载列车运行速度每增加10 km/h，最大Z振级增加1～2 dB；距离线路120 m内距离加倍最大Z振级增加2～3dB；重载列车通过桥梁区段在25～50 Hz频带间出现特征频率；用四次方振动剂量值可对不同位置处的环境振动进行评价。

重载铁路；环境振动；频域特性；四次方振动剂量值

1　概述

重载铁路由于采用了增加轴重、增大单列编组长度的运输方式，显著提高了机车车辆的运转效率，降低了牵引能耗，提升了线路的运能和整体效率［1］。美国、加拿大、澳大利亚等国重载铁路的轴重普遍达到32.5～40.0 t。瑞典、巴西的重载铁路轴重已提高到30 t。我国重载铁路轴重从11 t发展到21～23 t，大秦铁路升级改造后轴重达到25 t［2］。列车沿轨道运行，移动的轴荷载、轮轨接触面不平顺激发列车、轨道结构振动，经轨道传入大地，引起大地振动波，此振动波到达建筑物基础时，进一步诱发建筑物的振动和二次噪声［3］。人体能感知的振动频率在1～1 000 Hz。对于环境振动，人体反应特别敏感频率在1～80 Hz，人体各种组织的共振频率集中在此范围［4］。由于列车通过时各车轮会对定点产生间歇性瞬间冲击，在列车轮距及长度均固定的条件下，列车行驶于轨道上时所产生的振动可视为有限长度的线振源，当传达至高架结构底端时各结构柱则视为点振源［5］。振动的衰减特征不仅受到场地条件的影响，还与振动频率紧密相关，相对来说，高频振动衰减快，低频振动衰减慢［6-7］。

《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值及治理原则指导意见》（铁计〔2010〕44号）中只是针对21 t轴重的列车振动源强给出了数值参考，尚未对更高轴重的重载列车振动源强加以规定。随着重载铁路发展，30 t轴重的机车会逐步投入到中国货运铁路线路中，因此亟需补充相关噪声振动源强数据。本文针对某重载铁路试验线开展相关研究。该线路是国家Ⅰ级双线电气化铁路，设计年运量2亿t，设计速度目标值120 km/h，牵引质量分别为5 000 t和10 000 t，最小曲线半径一般为1 200 m，困难区段800 m［8］。通过在该重载铁路线路进行环境振动源强及振动衰减规律测试，得到30 t轴重重载铁路列车运行引起的环境振动源强及振动随距离衰减特性，并综合考虑时间累计对环境振动的影响，引入四次方振动剂量法［9］对测试结果予以分析。

2　试验概况

试验选择在有砟轨道、典型T梁桥梁区段，桥梁高度为7.5 m。牵引机车为HXD1F，HXD2F型车，货车为新型C96型货车，列车根据不同牵引质量由机车、货车编组而成。试验列车牵引质量分别为5 000，8 000，12 000 t。机车采用8轴，轴重30 t。列车分别以60，70，80，90，100 km/h共5个速度级运行。分别在距离铁路线路中心线0，7.5，15，30，60，120 m的地面布设垂直于铁路线路的振动加速度传感器进行现场测试。

3　试验结果与分析

1）重载列车环境振动源强分析

分别对5 000，8 000，12 000 t牵引质量列车通过桥梁区段时，距离线路30 m处的地表振动源强利用MATLAB软件进行回归分析，得到列车运行速度分别为60，70，80，90，100 km/h时最大Z振级VLz，max与速度间的关系式：VLz，max=27 log（v/v0）+63。式中v0= 60 km/h。回归分析相关系数R2=0.909 9。当重载列车运行速度在60～100 km/h时，速度每增加10 km/h，最大Z振级增加1～2 dB。

2）重载列车环境振动频率特性分析

5 000 t牵引质量距离轨道中心线30 m处、不同列车速度时垂向振动加速度频谱特性见图1。

图1　5000t牵引质量不同列车速度时垂向振动加速度频谱特性

由图1可知，在桥梁区段，随着列车速度的增加，30 m处的振动加速度在25～50 Hz频带间出现峰值。该频带对应于列车通过有砟轨道时轨枕间激励引起的振动；而在6.3～8 Hz频带间的次峰值频率主要是由于机车及货车车轴引起的。

3）重载列车环境振动距离衰减特性分析

试验结果表明：距离线路中心线0，7.5，15，30，60，120 m的地面处，最大Z振级随距离的衰减特性可用VLz，max=alog（x/x0）+b表示。其中x为距离，x0= 7.5 m；a，b为拟合参数。不同速度的拟合参数及相关系数见表1。可见，距离重载铁路线路120 m范围内，距离加倍，VLz，max增加2～3 dB。

表1　距离与振级回归分析公式拟合参数及相关系数

环境振动最大Z振级与列车运行速度及距离的关系可用VLz，max=12 log（v/60）-3.4 log（x/30）+71拟合，R2达到0.932。

牵引质量5 000 t重载列车以速度80 km/h通过桥梁区段时不同距离处的振动加速度频谱特性见图2。

图2　不同距离振动加速度频率特性

由图2可知：环境振动加速度频谱特性受距离的变化影响，列车通过轨枕时轮轨激励引起的环境振动幅值随距离衰减较明显；其中7.5 m处衰减0.5倍，从7.5至15.0 m衰减0.3倍，从15至30 m衰减不明显，从30至60 m衰减0.45倍，从60至120 m衰减0.1倍；桥梁上线路因机车及货车车轴激励引起的振动在距离7.5 m处衰减0.5倍，从7.5至120 m衰减不明显。

综合考虑时间累计对环境振动的影响，尝试使用四次方振动剂量值反映速度和距离对振动的影响，分析其与Z计权振级的变化关系。与基本评价方法相比，由于使用加速度时间历程的四次方而不是平方作计算平均值，所以四次方振动剂量值对峰值更为敏感。四次方振动剂量值（VDV）单位用m/s1.75或rad/s1.75表示，其定义式为［9］

式中：aw（t）为瞬时频率计权加速度；T为测量时间长度。

对采集得到的加速度数据加以整理分析，计算出四次方振动剂量值。不同牵引质量列车通过桥梁断面时，四次方振动剂量值与速度和距离的关系见图3，振级与速度和距离的关系见图4。

图3　不同牵引质量四次方振动剂量值与速度和距离的关系

图4　不同牵引质量振级与速度和距离的关系

由图3可知：不同牵引质量列车，四次方振动剂量值随速度的变化趋势一致；同一速度下，不同牵引质量列车四次方振动剂量值随着距离的增大而减小。

由图4可知：不同牵引质量的列车，振级随速度的增大而增大；同一速度下，不同牵引质量列车振级随距离增大而减小。

四次方振动剂量值随速度、距离的变化趋势与振级随速度、距离的变化趋势一致。

4　结论

1）5 000，8 000，12 000 t牵引质量机车通过桥梁线路时，振级与速度和距离的关系式为VLz，max=12× log（v/60）-3.4log（x/30）+71。当重载列车运行速度在60～100 km/h时，速度每增加10 km/h最大Z振级增加1～2 dB；距离重载铁路线路0～120 m范围内，距离加倍最大Z振级增加2～3 dB。该研究成果为重载铁路环境振动源强及其随距离衰减参数的确定提供了依据。

2）重载列车通过桥梁线路时，机车及货车车轴通过有砟轨道等间距轨枕时，25～50 Hz频带间出现峰值频率。

3）用四次方振动剂量值评价不同牵引质量列车以不同速度通过桥梁线路、不同距离处的环境振动，与通过振级以及加速度进行评价相比，结果一致。

［1］卓卉.国外重载铁路运输进展与我国重载铁路运输分析［J］.中国煤炭，2014（10）：331-334.

［2］赵俊军.浅谈重载铁路技术［J］.四川建筑，2013（33）：95-98.

［3］田苗，熊春梅，袁富琼，等.列车引起的环境振动问题研究［J］.噪声与振动控制，2013（1）：143-147.

［4］董霜，朱元清.环境振动对人体的影响［J］.噪声与振动控制，2004（3）：22-25.

［5］夏禾，曹艳梅.轨道交通引起的环境振动问题［J］.铁道科学与工程学报，2004，1（1）：44-51.

［6］中华人民共和国铁道部.铁计〔2010〕44号铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值及治理原则指导意见［S］.北京：中华人民共和国铁道部，2010.

［7］VERHAS H P.Prediction of the Propagation of Train-induced Ground Vibration［J］.Joural of Sound and Vibration，1979，66，371-376.

［8］康熊.山西中南部铁路通道重载综合试验研究总报告：上［R］.北京：中国铁道科学研究院，2015.

［9］中国国家标准化管理委员会.GB/T 13441.1—2007机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第一部分：一般要求［S］.北京：中国标准出版社，2007.

Experimental Analysis on Environmental Vibration Induced by Heavy Haul Railway Train Travelling

CHEN Yingqing
（Energy Saving&Environmental Protection&Occupational Saving and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he environment vibration level and frequency domain characteristics at different distance from railway line were obtained when the train passes through a bridge section of heavy haul railway with different speeds.T he formulation of relation between environment vibration level and the variation of distance and velocity was concluded by M AT LAB software analysis.By considering the effects of time accumulation on environmental vibration，the influence of velocity and distance on vibration was discussed by using the fourth power vibration dose value and the relationship between influence and Z weight vibration level change was analyzed.T he results showed that the maximum Z vibration level VLzvalue increases by 1～2 dB with running speed of the heavy haul train increasing by 10 km/h when the train speed is 60～100 km/h，the maximum Z vibration level VLzvalue increases by 2～3 dB when the distance doubles within 120 m from the heavy haul railway line，the characteristic frequencies appear between 25 Hz and 50 Hz band when the heavyhaul railwaypasses through the bridge section and the environmental vibration at different location should be evaluated through the fourth power vibration dose value.

Heavy haul railway；Environmental vibration；Frequency domain characteristics；T he fourth power vibration dose value

U239.4；TB53

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.37

1003-1995（2016）09-0148-03

（责任审编李付军）

2016-03-17；

2016-05-05

陈迎庆（1984—），男，助理研究员。