温州市域铁路S1线减振扣件减振性能试验研究

罗 伟,李秋义,张世杰,杨尚福

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063; 2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室,武汉 430063)

温州市域铁路S1线(以下简称“S1线”)西起瓯海区潘桥镇，东至灵昆半岛二站，全长53 km，线路经过瓯海、鹿城、龙湾等人口稠密地区，加之后期配套物业开发较多，对轨道减振有着较高要求，根据环评报告，S1线需要铺设中等减振扣件共计约48单线公里[1-3]。S1线设计速度目标值为120 km/h，较地铁设计速度高，其运营车辆为市域D型动车组，轴重达17t，因此，S1线在运营模式、荷载特征等方面与地铁存在较大的差异。在S1线建设过程中，中等减振地段所用减振扣件在继承地铁中等减振扣件成熟技术的同时，进行了系统的改进和优化研究[4-5]。

温州市域铁路S1线是“国家战略新兴产业示范工程”，承担了市域铁路先行先试、示范引领、复制推广的功能[4-8]，在S1线试运行期间，笔者所在的研究团队对S1线减振扣件的减振性能进行了测试分析，以期为我国市域铁路减振设计提供技术参考。

1 S1线减振扣件设计概况

根据市域铁路运量大、速度快、轴重大的特点，结合国内外地铁减振扣件的设计和运营经验，S1线设计了新型的减振扣件，通过轨下弹性垫板和中间弹性垫双层弹性元件实现扣件减振，由上、下弹性垫合理的刚度分配达到减振效果，扣件系统设计静刚度为(17±3) kN/mm。为增强运营维护中与普通地段扣件的通用性和互换性，S1线减振扣件在弹条、预埋套管、螺旋道钉及与轨枕的接口等方面保持了与普通地段扣件(WJ-7B扣件)一致性。如图1所示。

图1 现场组装的S1线减振扣件

2 现场测试

2.1 断面概况

S1线减振扣件主要铺设于桥梁地段，桥上采用了无底座双块式无砟轨道[6-11]，自上而下由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板等组成，结构高度为560 mm，如图2、图3所示。

图2 S1线桥上新型无底座双块式无砟轨道横断面

图3 S1线桥上双块式无砟轨道

结合减振扣件铺设地段、线路、行车、桥梁等设计资料，选取了6个断面开展现场测试，分成3组典型工况对比试验，各断面概况见表1。其中，第1组试验评估的工况为：半径700 m的小半径曲线地段，行车速度约85 km/h；第2组试验评估的工况为：半径700 m的小半径曲线地段，行车速度105～110 km/h；第3组试验评估的工况为：半径6 000 m的大半径曲线地段，行车速度75～80 km/h。

表1 各测试断面概况

2.2 测点布置

本研究测试内容为桥梁梁面垂向加速度，测点布置于两线之间中间处的梁面，如图4所示。

图4 垂向加速度测点布置示意(单位：m)

2.3 测试仪器

数据采集和存储采用24位精度智能信号采集仪。传感器采用INV9828型中低频加速度传感器，频响范围0.2～2 500 Hz，量程为10g，分辨率为0.000 4 m/s2。所用加速度传感器经第三方检测机构检定为合格品。梁面振动传感器安装现场见图5。

图5 梁面振动传感器安装现场

2.4 数据采集概况

现场测试基于S1线正常运营条件开展，线路开行列车为市域D型车，4节编组，车辆轴距2.5 m，轴重17 t，测试期间各断面扣件系统现场组装状态完好无异常。各测试断面采集到的加速度信号样本数见表2。

表2 各断面加速度信号样本数 组

2.5 测量量

对标HJ453—2018《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》、GB10070—88《城市区域环境振动标准》、GB10071—88《城市区域环境振动测量方法》，测量量采用列车通过过程中Z振级VLz的最大值，即VLzmax，如图6所示。分析的频率范围1～80 Hz，计权因子采用ISO2631/1—1985《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》规定的全身Z计权因子，见表3。

图6 列车通过过程中Z振级VLz时程曲线

表3 ISO2631/1—1985规定的Z计权因子

针对一个过车事件的振动加速度数据，将其划分为若干个1 s长度的数据段落(可考虑一定的重叠系数)，计算每一段落数据Z振级VLz的方法详述如下。

对振动加速度数据时程数据做傅里叶变换，找出各中心频率对应频带内的振动分量，对找出的振动分量做傅里叶逆变换，进而可按式(1)求得各中心频率对应的加速度有效值aw。

(1)

式中，aw(t)为频率位于某一中心频率对应频带内的加速度数据；T为测量时间长度。

进一步地，Z振级VLz计算公式为

(2)

式中，Wj为第j个中心频率对应的计权因子；awj为第j个中心频率对应频带内的加速度有效值；a0为基准加速度，a0=10-6m/s2。

减振扣件减振效果Δ的计算公式如下

Δ=VLzmax1-VLzmax2

(3)

式中，VLzmax1为普通轨道地段列车通过过程中Z振级VLz的最大值；VLzmax2为减振扣件地段列车通过过程中Z振级VLz的最大值。

3 测试结果分析

3.1 典型时程数据

现场获取的梁面垂向加速度典型时程数据(以第3组试验普通轨道与减振扣件断面数据样本为例)如图7所示，可以看出，相较普通轨道断面，列车通过时刻减振扣件断面的梁面垂向加速度幅值显著减小，最大值从1.1g减小至0.3g，减小约73%。

图7 梁面垂向加速度典型时程数据样本

3.2 第1组试验减振效果

列车经过时刻，断面1与断面2梁面垂向加速度级频域分布对比如图8所示。第1组试验中，相较普通轨道，采用减振扣件后35 Hz以下的频段内梁面垂向加速度级有所放大，35 Hz以上为减振扣件的有效减振频段，35～80 Hz范围内梁面分频振级较普通轨道最大减小19.9 dB，对应频率63 Hz。

图8 断面1、断面2梁面垂向加速度级频域分布曲线

采用奈尔(Nair)检验法等常用的异常数据识别方法剔除离群数据[12-16]，取有效数据样本的均值，断面1、断面2梁面VLzmax计算值见表4，在第1组试验对应的工况下，减振扣件减振效果的测试结果为5.0 dB。

表4 断面1、断面2梁面VLzmax计算值

3.3 第2组试验减振效果

列车经过时刻，断面3与断面4梁面垂向加速度级频域分布对比如图9所示。第2组试验中，相较普通轨道，采用减振扣件后35 Hz以下的频段内梁面垂向加速度级有所放大，35 Hz以上为减振扣件的有效减振频段，35～80 Hz范围内梁面分频振级较普通轨道最大减小20.8 dB，对应频率63 Hz。

图9 断面3、断面4梁面垂向加速度级频域分布曲线

断面3、断面4梁面VLzmax计算值见表5，在第2组试验对应的工况下，减振扣件减振效果的测试结果为5.2 dB。

表5 断面3、断面4梁面VLzmax计算值

3.4 第3组试验减振效果

列车经过时刻，断面5与断面6梁面垂向加速度级频域分布对比如图10所示。第3组试验中，相较普通轨道，采用减振扣件后42 Hz以下的频段内未见显著的减振效果，该范围内局部频率梁面垂向加速度级有所放大，42 Hz以上为该减振扣件的有效减振频段，42～80 Hz范围内梁面分频振级较普通轨道最大减小18.8 dB，对应频率63 Hz。

图10 断面5、断面6梁面垂向加速度级频域分布曲线

断面5、断面6梁面VLzmax计算值见表6，在第3组试验对应的工况下，减振扣件减振效果的测试结果为6.0 dB。

表6 断面5、断面6梁面VLzmax计算值

4 结论

温州市域铁路S1线中等减振地段铺设了减振扣件，通过选取典型断面开展试验研究，得出主要结论如下。

(1)S1线减振扣件的减振效果实测结果为5～6 dB，其有效减振的起始频率范围为35～42 Hz。35～80 Hz范围内，减振扣件地段梁面分频振级较普通轨道地段最大减小18～21 dB，对应频率为63 Hz。

(2)小半径曲线地段，35 Hz以下的低频振动减振扣件断面较普通轨道断面存在显著放大，鉴于线路两侧建筑物的自振频率一般为低频，建议加强减振扣件地段低频振动诱因(如轨面长波不平顺)的核查和管理，减小低频振动向外传播对沿线建筑物的影响。

(3)行车速度、线路直曲线要素对梁面VLzmax及减振扣件减振效果的影响显著，因此，在轨道减振产品性能后评估项目中，应充分考虑行车速度、线路直曲线要素特征，合理设置测试工况、断面。