车速对曲线段组合式道床系统振动特性影响分析

王善高，崔 越，鲁锦涛，胡若邻，周 信

（1.中交佛山投资发展有限公司，广东 佛山 528000；2.上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620）

近年来我国城市轨道交通建设发展迅猛，目前已有44座城市开通运营城市轨道交通线路，在为居民的日常出行带来方便的同时，轨道交通带来的振动噪声污染问题也越发严重，列车通过产生的轨道振动对沿线建筑安全及居民的健康都有一定影响[1-2]，为了降低轨道振动对周边环境的影响，多种振动控制技术被投入使用，其中应用最广泛的是减振扣件[3-4]和浮置板道床[5-8]。钢弹簧浮置板道床是隔振效果最好的一种，但由于其存在造价高昂，盾构中浮置板轨道结构高度不足（受盾构结构空间狭小限制及施工误差影响）[9]等问题，在实际使用中往往存在一定限制。

组合式道床系统是一种新型道床减振结构，使用减振扣件及道床隔振垫联合减振，并使用基于被动式阻尼动力减振原理设计的阻尼减振器可进一步增强组合道床的减振效果。组合式道床系统的减振性能高达20 dB～30 dB，并且造价较低，对隧道的结构高度要求较低，适用性更好。李元康等[10]对组合道床的减振效果进行仿真及在线测试研究，研究表明组合道床相对普通道床垂向最大减振16.8 dB，横向9.6 dB；王志强等[11]对组合式道床系统进行动态锤击试验，研究表明安装浮轨扣件的组合道床在20 Hz～200 Hz内的平均减振量为25 dB；张力文等[12-13]和李元康等[14]对组合道床的阻尼减振器参数进行研究设计，结果表明合适的阻尼谐振器能进一步加强组合道床在20 Hz～40 Hz 内的减振效果，最高可达15 dB。

已知在曲线段，列车通过往往会引起更大的地面振动[15]，李响等[16]对钢弹簧浮置板道床曲线段钢轨波磨的成因进行分析，推测是由轨道受压向下移动，在钢轨顶面中央产生波磨；王刘翀等[17]通过现场测试分析钢弹簧浮置板轨道曲线段振动特性，结果表明隧道壁横向振动存在振动放大现象，隧道壁横向振动加剧6 dB，主要表现在8 Hz～50 Hz。

从以上研究可以看出，钢弹簧浮置板道床在曲线地段容易表现出较为特殊的振动特性，而目前对于组合式道床系统在曲线段的轨道振动特性研究还是一片空白，当列车以不同速度通过曲线段时，会对轨道振动特性产生何种影响也需明确。针对以上问题，本文基于傅里叶变换，对不同车速列车载荷作用下的曲线段组合式道床系统振动响应进行时频域分析，研究组合式道床系统的曲线段振动特性。对比同一断面下，高轨侧和低轨侧的钢轨、轨道板、隧道壁和谐振盖板的振动加速度，分析车速对各结构的影响及振动的传递规律。

1 现场测试概况

1.1 线路概况

为研究不同车速下，曲线段组合式道床系统的振动特性，在广东某城市地铁盾构隧道内进行现场测试。测试断面组合式道床系统设计图，如图1所示。

图1 测试断面组合式道床系统设计图

由图1可知，组合式道床系统主要由60 kg/m钢轨、双层非线性扣件（静刚度15 kN/mm）、轨道板（C45 混凝土）、单侧凸钉结构道床垫（厚度30 mm，静刚度0.019 N/mm3）、道床基础、九块A型谐振盖板（150.6 kg）、四块B 型谐振盖板（134 kg）和单侧钉柱橡胶谐振垫（厚度9 mm，刚度10 kN/mm）组成。每块A 型谐振盖板使用二块谐振垫支撑，B 型谐振盖板使用四块谐振垫支撑，A 型和B 型谐振盖板的固有频率分别为28.99 Hz 和43.48 Hz，在实际运用中，通过谐振盖板在固有频率谐振吸收轨道板的振动能量，并由谐振垫耗散吸收的振动能量，进而减小轨道板的振动，增加组合式道床系统的减振效果。

测试线路车辆为地铁B 型车，六节编组，全长120 m 左右，满载轴重14 t，由于列车在曲线段实际运营平均速度通常在30 km/h～65 km/h 区间内，故测试车速选取在20 km/h、40 km/h 和60 km/h 左右，测试时，车辆为空载状态。测试断面选择在半径为650 m的圆曲线段中心位置附近，对应超高120 mm，对应设计平衡速度为81 km/h。测试断面的平面位置如图2所示，具体参数如表1所示。

图2 组合式道床系统测点平面示意图

表1 测试断面线路参数

1.2 测点布置

组合式道床系统断面总计六个测点，包含六个振动加速度传感器和四个位移传感器，测试断面的测点布置如图3所示[18]。

图3 测点布置示意图

测点1 和测点4 分别位于高轨侧和低轨侧的钢轨跨中位置，该测点分别设置一个位移传感器和一个加速度传感器，三向加速度传感器设置在轨腰处，量程500 g 精度2 %，用于测量钢轨垂向及横向振动，位移传感器设置在安装于钢轨轨底的工装上，量程±10 mm精度0.1%，用于测量钢轨垂向位移；测点2和测点5分别位于高轨侧和低轨侧的轨道板边缘位置，这两个测点分别设置一个位移传感器和一个加速度传感器，三向加速度传感器量程50 g 精度1.2%，用于测量轨道板垂向加速度，位移传感器用于测量轨道板垂向位移；测点3和测点6分别设置在高轨侧和低轨侧距轨顶面1.25 m 高度的隧道壁上，这两个测点分别设置一个三向加速度传感器，量程5 g精度2%，用于测量隧道壁的垂向和横向加速度；测点7 位于B 型谐振盖板中央位置，该测点设置一个加速度传感器，加速度传感器量程50 g 精度1.2%，用于测量谐振盖板垂向加速度。现场布置情况如图4所示。

图4 现场测点布置情况

2 现场测试结果时域分析

2.1 钢轨和轨道板垂向位移结果

平均车速20 km/h、40 km/h 和60 km/h 下，低轨侧和高轨侧钢轨相对于轨道板的垂向位移如表2所示。

表2 钢轨相对于轨道板垂向位移/mm

由表2可知，随着车速的增加，高轨侧钢轨垂向位移变化不明显，在3%以内，低轨侧的钢轨垂向位移逐渐减小，在40 km/h速度下要比60 km/h速度下大11.43%。

平均车速20 km/h、40 km/h 和60 km/h 下，低轨侧和高轨侧轨道板相对于道床基础的垂向位移如表3所示。

表3 轨道板相对于道床基础垂向位移/mm

由表3可知，随着车速增加，高轨侧轨道板的垂向位移同样变化不大，在3%以内，低轨侧轨道板垂向位移表现出逐渐变小的趋势，在20 km/h速度下要比60 km/h速度下大4.48%。

由测试结果可得出以下结论：

（1）在曲线段，低轨侧的钢轨和轨道板垂向变形表现出随着车速增加，变形量逐渐减小的趋势，但是车速并非影响组合式道床系统钢轨和轨道板垂向变形的主要因素。

（2）组合式道床系统在曲线段的钢轨和轨道板垂向位移，均符合《浮置板轨道技术规范》（CJJ/T 191—2012）限值要求[19]（钢轨垂向位移不超过4 mm，轨道板垂向位移不超过3 mm）。

2.2 钢轨、轨道板、隧道壁和谐振盖板振动加速度结果

测试时记录了组合式道床系统测试断面63 辆列车通过所引起的轨道振动数据，不同速度下各测点的垂向振动加速度幅值如表4 所示，横向振动加速度幅值如表5所示。

表4 各测点垂向振动加速度幅值/dB（ref×10-6 m/s2）

表5 各测点横向振动加速度级/dB（ref×10-6 m/s2）

由表4 和表5 可知，钢轨、轨道板和隧道壁在低轨侧的垂向振动和横向振动幅值均大于高轨侧，且随着车速的增加，除谐振盖板外的各测点振动幅值均表现出单调增大的趋势，当车速从20 km/h提升至60 km/h 时，低轨侧钢轨、轨道板和隧道壁的垂向振动加速度幅值分别提升14.7 dB、7.6 dB和8.6 dB，高轨侧幅值分别提升12.2 dB、8 dB和8.4dB；低轨侧钢轨和隧道壁的横向振动加速度幅值分别提升11.6 dB 和6.8 dB，高轨侧幅值分别提升10 dB 和6.2 dB，可见车速提高对低轨侧振动幅值的影响要大于高轨侧，对道床结构垂向振动幅值的影响要大于横向振动，其中对钢轨振动幅值的影响最为剧烈。

当车速从20 km/h 提升至40 km/h 时，谐振盖板的垂向振动受振动影响不大，当车速提升至60 km/h时，谐振盖板垂向振动加速度幅值提升1.5 dB。

3 频域内振动加速度级分析

采用1/3 倍频程对组合式道床系统频域下的振动响应规律进行分频段分析。通过MATLAB 软件对振动加速度时域数据进行快速傅里叶变换和1/3倍频程处理，得到轨道结构各频段的振动加速度级，由于本文只讨论组合式道床系统的振动规律，不涉及振动环境评价，故对钢轨、轨道板、隧道壁和谐振盖板均采用不计权的1 Hz～2 500 Hz振动加速度级进行分析。

3.1 钢轨振动

测试断面低轨侧和高轨侧的钢轨垂向和横向振动加速度级1/3倍频程谱，分别如图5和图6所示。

由图5可知，随着车速提高，组合式道床系统低轨侧的钢轨垂向振动加速度在250 Hz 以上频段内有所提升，在振动幅值最大的630 Hz振动加速度级增加16 dB，当车速由40 km/h提升至60 km/h时，25 Hz以下频段内钢轨振动出现较大提升，振动加速度级增加15 dB 左右；高轨侧的钢轨垂向振动随车速增加表现出的振动规律与低轨侧一致，但幅值低于低轨侧，在630 Hz 处振动加速度提升14 dB，在25 Hz以下频段内的振动加速度级增加8 dB左右。

图5 钢轨垂向振动加速度1/3倍频程谱

由图6可知，随着车速提高，低轨侧的钢轨横向振动加速度在400 Hz以上的频段内有所提升，在振动幅值最大的1 250 Hz振动加速度级增加11 dB，当车速由40 km/h 提升至60 km/h 时，在63 Hz 以下频段内的钢轨横向振动出现较大提升，振动加速度级增加15 dB 左右；高轨侧的钢轨横向振动加速度幅值同样低于低轨侧，并且随着车速的提高，在400 Hz以上的频段内有所增加，在1 250 Hz提高了8 dB，当车速由40 km/h 提升至60 km/h 时，在63 Hz 以下频段内的振动加速度级提升6 dB左右。

图6 钢轨横向振动加速度1/3倍频程谱

可见行车速度对曲线段两侧钢轨400 Hz 以上的中高频垂向和横向振动均有较大影响；当车速提升至60 km/h时，对钢轨25 Hz以下的垂向振动和63 Hz以下的横向振动也有较大影响；车速对低轨侧钢轨振动的影响要远高于高轨侧。

3.2 轨道板振动

测试断面低轨侧和高轨侧的轨道板垂向振动加速度级1/3倍频程谱如图7所示。

由图7可知，随着车速提高，低轨侧的轨道板垂向振动加速度级，在8 Hz以下频段和250 Hz以上频段内有较大提升，在幅值最大的630 Hz振动加速度级增加15 dB，相较于车速为20 km/h 时，车速为40 km/h和60 km/h时，组合式道床系统轨道板在40 Hz～160 Hz 频段内垂向振动加速度反而下降6 dB 左右；高轨侧的轨道板垂向振动随车速增加的变化规律与低轨侧一致，在幅值最大的630 Hz振动加速度级增加14 dB，不同于低轨侧，在40 Hz～160 Hz频段内未表现出振动随速度增加而降低的趋势。

图7 轨道板垂向振动加速度1/3倍频程谱

可见行车速度对曲线段两侧轨道板250 Hz 以上的中高频段，以及8 Hz以下频段垂向振动有较大影响；当车速提升至40 km/h 以上时，低轨侧轨道板在40 Hz～160 Hz 频段内垂向振动加速度反而有所下降；车速对低轨侧和高轨侧轨道板振动影响较为相似。

3.3 隧道壁振动

测试断面低轨侧和高轨侧隧道壁的垂向振动加速度级1/3倍频程谱，分别如图8和图9所示。

由图8可知，随着车速提高，低轨侧的隧道壁垂向振动加速度在315 Hz以上频段和40 Hz以下频段有所提升，在对环境影响较大的低频频段内提升5 dB左右，与轨道板垂向振动相似，在63 Hz～200 Hz频段内表现出随着车速提高，振动幅值反而减小的趋势，在该频段内振动加速度级降低4 dB 左右；高轨侧的隧道壁垂向振动随车速增加的变化规律与低轨侧一致，但是高轨侧的隧道壁垂向振动在40 Hz以下频段受车速影响更大，提升了16 dB左右，在该频段内振动幅值要明显高于低轨侧。

图8 隧道壁垂向振动加速度1/3倍频程谱

由图9可知，随着车速提高，低轨侧的隧道壁横向振动加速度在315 Hz 以上频段和31.5 Hz 以下频段有所提升，在对环境影响较大的低频频段内提升5 dB 左右；高轨侧的隧道壁横向振动随车速增加的变化规律与低轨侧一致，但是高轨侧的隧道壁横向振动在31.5 Hz 以下频段受车速影响更大，提升了10 dB左右，该频段内振动幅值要明显高于低轨侧。

图9 隧道壁横向振动加速度1/3倍频程谱

可见行车速度对曲线段两侧隧道壁315 Hz 以上频段，以及31.5 Hz以下频频段垂向和横向振动有较大影响；当车速提升至40 km/h 以上时，组合道床两侧隧道壁在63 Hz～200 Hz 频段内的垂向振动加速度有所下降；车速对高轨侧隧道壁在31.5 Hz以下频段振动的影响要远高于低轨侧。

3.4 谐振盖板振动

测试断面谐振盖板垂向振动加速度级1/3 倍频程谱如图10所示。

由图10可知，在各车速下，谐振盖板在20 Hz～40 Hz频段均出现了较大的垂向振动加速度，与A型（28.99 Hz）和B 型（43.48 Hz）谐振盖板设计减振频段相符，表明谐振盖板在各速度下均发挥了减振作用；在20 km/h 车速下，谐振盖板在40 Hz～200 Hz频段内的垂向振动均大于40 km/h 和60 km/h，与轨道板和隧道壁的振动特性相同。

图10 谐振盖板振动加速度1/3倍频程谱

4 结语

本文对某城市曲线段组合式道床系统，在各车速下的轨道各结构振动响应进行测试，并对测试结果进行时频域分析，得到如下结论：

（1）行车速度对曲线段组合式道床系统的轨道结构垂向位移影响不大；曲线段组合式道床系统的轨道结构垂向位移均满足我国《浮置板轨道技术规范》限值要求。

（2）当行车速度从20 km/h 提升至60 km/h 时，曲线段组合式道床系统低轨侧钢轨、轨道板和隧道壁的垂向振动加速度幅值分别提升14.7 dB、7.6 dB和8.6 dB，高轨侧幅值分别提升12.2 dB、8 dB 和8.4 dB。

（3）在20 km/h～60 km/h车速范围内，车速的提高对组合式道床系统轨道结构63 Hz以下和250 Hz以上频段的振动均有较大影响，对80 Hz～200 Hz频段振动影响不大。

（4）在20 km/h～60 km/h车速范围内，谐振盖板阻尼谐振器能降低组合道床在20 Hz～40 Hz频率范围内的垂向振动。

（5）测试区段组合道床当车速在60 km/h时，各轨道结构在1 Hz～25 Hz范围内的振动显著增加，具体原因有待进一步研究。