张 斌 王建立 王 建 陈高峰 刘 洋

(1.隔而固(青岛)结构设计事务所有限公司,266108,青岛;2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,330013,南昌;3.隔而固(青岛)振动控制有限公司,266108,青岛∥第一作者，工程师)



钢弹簧浮置板浸水时的减振效果实测分析

张 斌1,2王建立1王 建1陈高峰1刘 洋3

(1.隔而固(青岛)结构设计事务所有限公司,266108,青岛;2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,330013,南昌;3.隔而固(青岛)振动控制有限公司,266108,青岛∥第一作者，工程师)

对某地铁状态正常的钢弹簧浮置板段、一侧隔振器浸水段、两侧隔振器浸水段和普通整体道床段的过车响应进行现场实测。结果分析表明，钢弹簧浮置板作为特殊减振轨道结构,具有良好的减振效果。状态正常的浮置板相对于普通整体道床减振效果可达16.8 dB(隧道壁Z计权振级插入损失),随着浸水量的增加,减振效果逐渐减弱,分别为9.8 dB(一侧浸水)、0.6 dB(两侧浸水)。浸水对16～200 Hz频段的减振效果影响明显,对16 Hz以内频段的减振效果基本没有影响。

地铁; 钢弹簧浮置板; 普通整体道床; 浸水测试; 减振效果

First-author′s address GERB(Qingdao)Structural Design Co.,Ltd.,266108,Qingdao,China

近些年来,地铁建设快速发展,地铁运营所引发的环境振动与噪声问题,已显现出来，如何采取有效措施进行减振降噪受到人们的普遍重视与研究[1-2]。

钢弹簧浮置板作为一种有效的减振轨道形式,于1956年在德国首次使用。2002年,钢弹簧浮置板在北京地铁13号线中投入使用。目前,国内已有21个城市的轨道交通采用了钢弹簧浮置板减振轨道结构,并且投入运营,取得了较好的减振效果。

钢弹簧浮置板轨道可视为质量-弹簧-阻尼系统。将具有一定质量和刚度的混凝土轨道板浮置于钢弹簧隔振器(弹簧-阻尼系统)上,利用轨道质量惯性力平衡列车运行引起的动荷载,仅将静荷载和未被平衡的动荷载通过隔振器传到基础上,从而达到减振的目的[3]。文献[4-9]从理论解析、数值仿真及现场实测等方面,对钢弹簧浮置板的动力特性、减振效果进行了详细的分析研究。这些研究推动了钢弹簧浮置板在轨道交通中减振降噪的应用，但对钢弹簧浮置板浸水或者其他原因造成的“短路”现象却鲜有提及。

隧道建设于土体中,破坏了地下水流原有的规律,极易产生渗漏现象。隧道渗漏水被建筑业界称为隧道工程的第一大顽疾;钢弹簧浮置板轨道作为隧道中的特殊减振轨道结构，常有有浸水现象发生。为分析钢弹簧浮置板浸水对其减振效果的影响,本文对某地铁钢弹簧浮置板浸水段及普通整体道床段进行实测,对比分析浸水对浮置板减振效果的影响。

1 测试概况

1.1 测试断面

某地铁测试现场共布置了状态正常浮置板、一侧隔振器浸水浮置板、两侧隔振器浸水浮置板、普通整体道床浮置板等4个测试断面。3个浮置板测试断面是在一段曲线浮置板上(曲线半径为370 m)；普通整体道床测试断面在浮置板段相邻区间,在半径为700 m的曲线上。隧道埋深均约15m。各测试断面的隧道结构形式均为圆形。列车采用5节编组,3动2拖,空载试运行。钢轨采用60 kg/m的钢轨,其状态良好,无波磨现象,均采用DTVI 2型扣件。浮置板浸水情况如图 1所示。

图1 浮置板浸水示意图

1.2 测试仪器及测点布置

现场测试采用LMS SCADAS Mobile SCM01采集系统(8通道),PCB 333B50 ICP高灵敏度加速度传感器。传感器的灵敏度为105.8 mV/(m/s2),量程为±5g(g为重力加速度),频率范围为0.5～3 000.0 Hz,温度范围为-18 ℃～+66 ℃。测试按照《浮置板轨道技术规范》(CJJ/T 191—2012)的要求进行。采样频率为1 024 Hz,每个测试断面布置2个测点,道床面测点布置于道床中心,隧道壁测点距较近一侧钢轨顶面垂向距离为1.25 m,均测试铅垂向振动加速响应。测点布置如图2所示。

2 测试结果分析

2.1 时域分析

现场实测时,4个断面分别采集多组列车过车振动数据,为消除随机干扰,提取其中10组数据进行分析。图3—图6为4个测试断面典型振动加速度响应时程曲线。

对比各测试断面振动加速度响应,可以得出以下结论:

(1) 根据加速度响应时程曲线与地铁列车长度，可推导出列车在4个测试断面处的运行速度均约为60 km/h。

图2 测点布置示意图

图3 状态正常浮置板测试断面典型加速度时程曲线

(2) 状态正常的浮置板测试断面、一侧隔振器浸水测试断面、两侧隔振器浸水测试断面和普通整体道床测试断面的道床面振动加速度峰值均值的分别为4.76 m/s2、4.39 m/s2、1.48 m/s2和0.74 m/s2。可以看出，浮置板测试断面随着浸水量增加,道床面振动加速度响应逐渐减小,普通整体道床的道床面振动响应小于浮置板道床振动响应。

(3) 状态正常的浮置板测试断面、一侧隔振器浸水测试断面、两侧隔振器浸水测试断面和普通整体道床测试断面的隧道壁振动加速度峰值均值分别为0.04 m/s2、0.23 m/s2、0.28 m/s2和0.30 m/s2。可以看出,浮置板测试断面随着浸水量增加,隧道壁振动加速度响应逐渐增大,当两侧隔振器均浸水时,隧道壁振动加速度响应与普通道床接近。状态正常的浮置板对列车运行产生的振动衰减作用明显,随着浮置板浸水量的增加,振动衰减量逐渐减小。

图4 一侧隔振器浸水测试断面典型加速度时程曲线

图6 普通整体道床测试断面典型加速度时程曲线

2.2 频域分析

在频域内,对4个测试断面采用1/3倍频程谱均值进行评价分析。分析结果如图7—图10所示。

图7 状态正常浮置板测试断面的1/3倍频程谱均值

由频谱分析可知:

(1) 列车运行时,各测试断面各测点主要响应频段均在50～80 Hz。

(2) 正常浮置板测试断面、一侧隔振器浸水测试断面、两侧隔振器浸水测试断面和普通整体道床测试断面的道床面加速度级最大值分别为:116.2 dB、111.0 dB、108.9 dB、101.7 dB;隧道壁加速度级最大值分别为:78.0 dB、82.8 dB、95.0 dB、93.7 dB。浮置板道床面在频域内的振动随着浸水量的增加而减小,隧道壁的振动反之。

图8 一侧隔振器浸水测试断面的1/3倍频程谱均值

图9 两侧隔振器浸水测试断面1/3倍频程谱均值

图10 普通整体道床测试断面1/3倍频程谱均值

(3) 随着浸水量增加,浮置板板面至隧道壁的振动差(传递损失)逐渐减小。普通整体道床面至隧道壁的振动差最小。

2.3 振动评价

根据《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》(JGJ/T 170—2009)规定的分频最大振级LV,max及《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)规定的Z振级LVZ对各测试断面隧道壁振动响应进行对标评价。振动波在土壤中传播时,受到几何阻尼与材料阻尼的影响,振动会随着与振源距离的增加而减小[10],因此,采用隧道壁振动响应作为评价指标,将会有一定的安全余量。

2.3.1 分频振级评价

根据JGJ/T 170-2009规定,LV，max在4～200 Hz频率范围内采用1/3倍频程中心频率,按不同频率Z计权因子修正后的分频最大振级LV,max作为评价量。加速度级在1/3倍频程中心频率的Z计权因子如表 1所示。各测试断面隧道壁分频振级如图 11所示。

表1 1/3倍频程中心频率计权因子

图11 各测试断面隧道壁振动分频振级

状态正常的浮置板测试断面、一侧隔振器浸水测试断面、两侧隔振器浸水测试断面和普通整体道床测试断面的隧道壁振动分频最大振级分别为64.0 dB、70.8 dB、81.0 dB和81.7dB。仅状态正常的浮置板测试断面隧道壁最大分频振级满足JGJ/T170—2009对居住、文教区规定的限值(昼间65 dB)。

2.3.2 Z振级评价

按ISO 2631/1—1997规定的全身振动Z计权因子修正后，得到振动加速度级。Z计权曲线如图12所示。GB 10071—1988规定以列车通过的Z振级的算术平均值作为评价量。

Z振级计算为

LVZ=20 lg(arms/a0)

(1)

(2)

式中:arms——振动加速度有效值，m/s2;

a0——基准加速度,一般取为a0=10-6m/s2;

afrms——中心频率为f的加速度有效值;

cf——Z计权因子,dB,其具体取值如图 12所示。

图12 Z振级1/3倍频程计权曲线

经计算，状态正常的浮置板测试断面、一侧隔振器浸水测试断面、两侧隔振器浸水测试断面和普通整体道床测试断面的隧道壁Z振级分别为66.8 dB、73.8 dB、83.0 dB和83.6 dB。仅状态正常的浮置板测试断面隧道壁Z振级满足GB 10070—1988对居住、文教区规定的限值(昼间65 dB)。

2.4 插入损失

4个测试断面隧道结构、埋深、列车运行速度及扣件类型等条件基本一致。通过对比3个浮置板测试断面相对于普通整体道床隧道壁振动分频振级与Z振级的插入损失值(普通整体道床隧道壁振级与浮置板道床隧道壁振级的差值),可较准确地分析出浸水对浮置板减振效果的影响。分频振级插入损失值如图 13所示。

插入损失值的大小直接反映浮置板的减振效果的强弱。插入损失值越大,浮置板减振效果越强;插入损失值越小,则减振效果越弱。

由图13可以看出:

(1) 3个浮置板测试断面在16 Hz以内的插入损失值在0 dB附近波动。这说明浮置板在低频段减振效果较弱。

图13 浮置板测试断面插入损失曲线

(2) 在16～200 Hz频段,随着浮置板浸水量的增加,插入损失值逐渐减小,说明浮置板减振效果在逐渐降低。两侧隔振器均浸水后,插入损失值在0 dB附近,钢弹簧浮置板基本丧失减振效果。

(3) 状态正常的浮置板在16 Hz以上频段减振效果明显,在中心频率为50 Hz频带处减振效果最佳,达到22.7 dB。

状态正常的浮置板测试断面、一侧隔振器浸水测试断面和两侧隔振器浸水测试断面隧道壁Z振级插入损失分别为:16.8 dB、9.8 dB和0.6 dB。可见，状态正常的浮置板减振效果显著,随着浸水量的增加,浮置板减振效果逐渐减弱,直至基本丧失减振能力。

3 结论

(1) 状态正常的浮置板对列车运行产生的振动衰减作用明显。随着浮置板浸水量的增加,板面振动逐渐减小,隧道壁振动逐渐增加,振动衰减量逐渐减小。

(2) 状态正常的浮置板在16～200 Hz频段减振效果明显。随着浮置板浸水量的增加,插入损失值逐渐减小。这说明浮置板减振效果在逐渐降低。两侧隔振器浸水后,插入损失值在0 dB附近,钢弹簧浮置板基本丧失减振效果。

(3) 浸水现象严重影响浮置板减振效果。在浮置板的设计、施工及运营养护中,应做好排水工作,防止浮置板减振效果受到水的影响。

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Test Analysis of the Damping Effect Impact on Steel Spring Floating Slab Track Soaked in Water

ZHANG Bin, WANG Jianli, WANG Jian, CHEN Gaofeng, LIU Yang

Through a test and analysis of train pass response on normal SSFST, one side soaked, two sides soaked and the general monolithic track bed respectively, the results show that as a special vibration control structure, SSFST has good damping effect. The damping effect of the general SSFST reaches 16.8dB (VLZ insertion loss of tunnel wall), but when the soaking water increases, the damping effect will decrease by 9.8dB (one side soaked) and 0.6dB (two sides soaked) respectively. The damping effect between 16Hz and 200Hz is obviously influenced by the soaked water, but the danmping effect under 16Hz is nearly not influenced.

metro; steel spring floating slab track (SSFST); general monolithic roadbed; water soaking test; damping effect

U 213.2+42

10.16037/j.1007-869x.2016.09.017

2015-05-04)