（道路与铁道工程专业论文）减振降噪型轨道结构研究.pdf

摘要 为了适应现代化城市交通的需求，作为大运量交通系统的城市轨道交通已成 为城市基础设施建设的热点。城市轨道交通在给人们带来舒适、安全和快捷交通 的同时，也给城市生活带来了诸如噪声、振动、电磁辐射和日照等负面的影响， 而振动和噪声问题尤为突出。因此，世界各国在建设轨道交通时，都尽可能在经 济条件和技术条件允许下使用减振降噪型轨道结构，以减小交通沿线的振动和噪 声。 本文首先分析了轨道交通振动和噪声的产生和评价指标，对国内外常用的减 振降噪型轨道结构类型和减振降噪原理进行了分析。从轨道结构减振降噪的角度 出发，对目前我国常用的弹性支承块轨道结构建立车辆一轨道动力计算模型，安 排不同工况进行动力计算，分析了速度变化对弹性支承块轨道结构动力指标的影 响。从时域和频域两方面分析了弹性支承块轨道结构的减振性能，得出了其部分 动力指标的振动主频；通过改变支承块轨下和块下刚度匹配，研究刚度匹配变化 对支承块轨道结构动力学指标的影响，得出了弹性支承块轨道结构轨下和块下刚 度的合理匹配值；在此基础上，对浮置板轨道结构和长轨枕埋入式轨道结构也进 行了动力计算分析，并从理论上对三种轨道结构的动力指标进行了比较，得出了 三者在减振性能方面的优劣性。在理论分析的基础上，对弹性支承块轨道结构和 整体道床轨道结构分别进行了现场落轴试验，计算出了两种轨道结构的刚度和阻 尼，从时域和频域两方面对两种轨道结构的减振性能进行了分析比较，得出了弹 性支承块和整体道床轨道结构各部分的振动主频，对两种轨道结构的实际减振性 能进行了比较。 关键词：轨道交通；减振降噪；动力学模型；弹性支承块轨道结构；浮置板 轨道结构；长轨枕埋入式轨道结构；现场落轴试验；功率谱 a bs t r a c t i no r d e rt ok e e pt h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mu r b a nm a s st r a n s i t ，m a n yc i t i e s h a v ef o c u s e do nt h ec o n s t r u c t i o no ft h eu r b a nr a i lt r a n s i t t h eu r b a nr a i lt r a n s i th a s b r o u g h tc o m f o r t ，s a f e t ya n ds h o r t c u tt ot h er e s i d e n t s ，h o w e v e r , i ta l s ob r i n g so nt h e v i b r a t i o na n dn o i s et ot h ec i t i e s ，t h e r e f o r e ，m a n yc o u n t r i e st r yt ou s et h et r a c ko fl o w v i b r a t i o na n dn o i s es oa st or e d u c et h ev i b r a t i o na n dn o i s ea l o n gt h er a i l t h i sp a p e rf i r s t l ye x p a t i a t e st h eo r i g i na n d a p p r a i s a b l ei n d e xo f t h ev i b r a t i o na n d n o i s eo ft h eu r b a nr a i lt r a n s i t ，t h e nd i s c u s s e st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h et r a c k p o p u l a r l yu s e di nt h eu r b a nr a i lt r a n s i t b a s e do nl o wv i b r a t i o nt r a c k ，t h i sp a p e r p e r f o r m sas i m u l a t i n gc a l c u l a t eo ft h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h el o wv i b r a t i o nt r a c k a n dv e h i c l eb ym e a n so fm e t r ov e h i c l e l o wv i b r a t i o nt r a c kc o u p l i n gd y n a m i cm o d e l w i md i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n da n a l y s e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n t s p e e da n dd y n a m i ci n d e xo ft h el o wv i b r a t i o nt r a c k t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed y n a m i c i n d e xf r o mb o t ht i m ef i e l da n df r e q u e n c yf i e l da n dg a i n st h ec h i e ff r e q u e n c yo ft h e v i b r a t i o n a l s o ，t h i sa r t i c l ed e d u c e st h eb e s tm a t c h i n gr i g i d i t yb e t w e e nt h eu n d e r - r a i l r i g i d i t ya n dt h eu n d e r - b l o c kr i g i d i t y i no r d e rt oc o m p a r et h el o wv i b r a t i o nt r a c kw i t h o t h e rt y p e so ft r a c ki nt h ea s p e c to fv i b r a t i o n ，t h i sp a p e ra l s op e r f o r m sas i m u l a t i n g c a l c u l a t eo ft h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ef l o a t i n gs l a bt r a c ka n dt h ep l a i ns l a bt r a c k b yc o m p a r i n gt h ed y n a m i ci n d e xa m o n gt h r e et y p e so ft h eu n b a l l a s t e dt r a c k ，t h i s p a p e rm a k e sac o n c l u s i o no ft h e mi nr e d u c i n gv i b r a t i o n b a s e do na n a l y s ei nt h e o r y , t h i sp a p e rc o n d u c t e dad r o pt e s ti nl o c a l sf o rt h el o wv i b r a t i o nt r a c ka n dp l a i ns l a b t r a c k ，t h e nd e d u c e dt h er i g i d i t yc o e f f i c i e n ta n dd a m pc o e f f i c i e n t t h r o u g hc o m p a r i n g t h ev i b r a t i o ni n d e xi nb o t ht i m ef i e l da n df r e q u e n c yf i e l d ，t h i sp a p e rf i n do u tt h ec h i e f f r e q u e n c yo f t h et w ot y p e so ft r a c k i nt h el a s t ，t h i sp a p e r c o m p a r e st w ot y p e so f t r a c k i nt h er e s p e c to fv i b r a t i o na c c o r d i n gt ot h et e s t k e y w o r d s u r b a nr a i lt r a n s i t ，l o wv i b r a t i o na n dn o i s e ，s i m u l a t i n gc a l c u l a t eo ft h ed y n a m i c r e s p o n s e ，l o wv i b r a t i o nt r a c k ，f l o a t i n gs l a bt r a c k ，s l a bt r a c k ，d r o pt e s t ，p o w e rs p e c t r u m 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写 成博士硕士论文“减振降噪型轨道结构动力性能研究”。除论文中已经注明引用的 内容外，对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明 。本沦文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公丌发表或未公开发表 的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 二零零三年十二月三十r 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，我国城市轨道交通建设取得了很大的成就，不仅有效的改善了城 市的交通环境，而且极大的促进了城市建设和经济的发展；但不可否认的是，城 市轨道交通的发展也给城市的发展带来了很多负面的影响，诸如噪声、振动、电 磁辐射和景观以及日照等方面，其中以城市轨道交通的振动和噪声尤其不容忽 视。我国国家标准城市区域环境振动标准( g b l 0 0 7 0 8 8 ) 、城市区域环境噪 声标准( g b 3 0 9 6 9 3 ) 和城市区域环境噪声适用区域划分技术范围 ( g b t 1 5 1 9 0 9 4 ) 中，对于特殊住宅区，其室内振动标准值为6 8 d b ( a ) ，噪声标准 值为昼间5 0 d b ( a ) 和夜间4 0 d b ( a ) ；对于普通的居民区和文教区，室内振动标准 值为昼间7 0 d b ( a ) 和夜间6 7 d b ( a ) ，噪声标准值为昼间5 5 d b ( a ) 和夜间4 5 d b ( a ) 。 而目前上海市区交通干线周边在车辆驶过时的振动和噪声已远远超过上述标准， 污染严重，多年来已成为环保热线与市人代会提案中的热点问题，但由于尚无有 效的技术，致使在两个市三年环保计划中均没能列入。因此，在城市高速扩大， 城市轨道交通大规模修建，改造工程大面积展开的同时，研究城市轨道交通干线 及两侧的减振降噪方法、技术，材料、结构就成为亟待解决的问题。城市轨道交 通的振动和噪音的控制作为环保产业的一部分，在城市轨道交通环境建设方面和 经济与环境协调可持续发展方面都具有重要而独特的意义。随着我国当前城市轨 道交通的广泛建设和 的强制实施，减振降噪技术在城市 轨道交通中的应用将有一段需求猛增时期。我国对于减振降噪技术的研究起步较 晚，随着我国第一条城市高架轨道交通线上海市轨道交通明珠线一期工程的 通车运营以及地铁二号线东延伸段、共和新路高架线路的开通，沿线部分地段的 振动和噪声问题引起了社会的广泛关注。 1 2 轨道交通振动和噪声的产生及传播途径 1 2 1 轨道交通振动的产生及传播途径 大量研究结果表明，轨道交通振动源主要包括： 列车与结构的动态相互作用； 专车辆动力系统振动； 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究 第一章绪论 专轨道结构振动； 专轮轨不平顺。 城市轨道交通振动是由于列车运行时轮轨、相互撞击、摩擦等产生的，传播 途径在不同线路形式上略有不同，大体如下： 地下线路：由于列车在轨道上行驶，车轮偏心，车轮与道岔、钢轨的碰撞， 线路不平顺等原因，引起车轮的振动，经钢轨一扣件一轨枕一道床一隧道结构一 围护地层一地面一建筑物、人体和、设备，如图1 1 所示。 氟要删 二 建筑铆墙 i 攒 土壤b ： 宅 振动途誓龟 物高层房阚 穗城物j 莲层功咖 她壤照二次骠声 图l i 地下铁道振动传播示意图 高架结构线路：由于列车在轨道上行驶，车轮偏心，车轮与道岔、钢轨的碰 撞，线路不平顺等原因，引起车轮的振动，经钢轨一扣件一轨枕一道床一梁、柱 结构一地面一建筑物、人体、设备。 1 2 2 轨道交通噪声的产生及传播途径 大量研究结果表明，轨道交通振动与噪声源主要包括： 夸轮轨噪声，包括滚动噪声、冲击噪声、摩擦噪声； 夸结构噪声( 由于轮轨表面相互作用产生的振动通过轨道、桥梁和地基等传递 导致相应结构振动而辐射的噪声) ； 专车辆动力设备噪声，包括牵引电机、通风机以及压缩机等设备噪声，集电弓 噪声； 夸车辆运行时的空气动力噪声。 从上面可以看出，城市轨道交通系统噪声包括：车辆噪声、车站设备噪声以 及车辆段噪声。当列车在高架线路上运行时，除车辆噪声外，还将激发轨道结构、 高架结构的振动而产生高架结构噪声，以及由于高架结构振动而引起的地面以及 建筑物振动而产生的“二次辐射 噪声，图1 2 为高架轨道交通噪声传播示意 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第一章绪论 图。 图l 一2高架轨道交通噪声传播示意图 大量的研究结果表明：对城市轨道交通来说，地下线路的环境问题主要为振 动干扰；而地面和高架线路的环境影响集中反映在噪声问题上，过量的振动和噪 声将严重影响人们的工作和休息、损害人民的身心健康、降低工作效率，同时引 起受振物体的疲劳破坏，降低使用寿命。 1 3 轨道交通振动和噪声的动力学评价 振动和噪声是城市轨道交通影响环境的主要方面。随着近几年城市轨道交通 的发展，人们对此问题越来越重视。减小轨道交通的振动和降低噪声，是提高沿 线居民的生活质量，使轨道交通可持续发展的关键之一。 1 3 1 轨道交通振动的评价指标 描述振动的物理量为频率和振幅。对人体来说，能感知的振动频率范围是 1 - - 1 0 0 0h z 。对于环境振动，人们所关心的是人体反映特别敏感的1 8 0h z 的 振动。振动强度日前国际上趋于用速度和加速度来评价，但大多数是用加速度来 评价。加速度也常用加速度级三。表示，其定义为： 三。= 2 0 l g 兰d b 口o 式中：a 某一振动的加速度有效值 a o 加速度参考值，为1 0 。6 ( m i x 2 ) 。 国际标准化组织采用4 个物理参数来规定人对振动的响应限界，这4 个参数 是：振动频率、振动水平、振动作用于人体的方向和暴露时间。人处于振动环境 中，将会引起人体生理和心理的效应。例如感到不舒服、头晕、困倦、甚至出汗、 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第一章绪论 头痛、心慌等。这些生理和心理效应随着上述4 个物理参数的不同而不同。国际 标准化组织用这四个物理参数的不同量值制定了评价人体全身振动的三种限界。 这三种限界是：工效降低界限、暴露界限和舒适性降低界限，并相应提出了各个 界限在垂直和水平方向的加速度限值。这种评价方法为多值评价，在实际工作中、 目前广泛采用单值，用振动级来评价振动对人体的效应，同时便于简化测量，其 定义为： 圪= 1 0 1 9 ( 1 0 鼍产枷鼍产旧i - d b 式中以一振动计权加速度级，d b ： 匕厶一每个频带的振动加速度级，d b ； a i - - 各个频带的计权因子。 采用计权法可直接用仪器测得频率计权加速度级值。同时i s o 制定了采用 振级值的全身振动劳动保护标准。i s o 也制定了环境振动的评价标准，如表1 1 ， 表1 - 1i s o 关于建筑物内振动限制值的建议 时 振动级，d b ， a o = 1 0 巧( m s2 ) 地点 连续振动、间歇振动和 间 每天只发生数次的冲击振动 重复性冲击 严格工作区( 医院 x ( y ) 全z 轴混合轴x ( 轴z 轴混合轴 手术、精密实验轴 天 室)7 17 47 17 17 47 1 白 7 7 8 38 0 8 67 7 8 31 0 7 1 1 01 1 0 1 1 31 0 7 一1 1 0 天 住宅 夜 7 47 77 47 4 9 77 7 1 0 07 4 9 7 间 全 办公室 8 38 68 31 1 31 1 61 1 3 天 全 车间 8 99 28 91 1 31 1 61 1 3 天 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第一章绪论 我国对于环境振动也制定了相应的标准，即城市区域环境振动标准 ( g b l 0 0 7 0 - - s s ) q b 规定城市五类区域的z 振级标准值，如表1 2 所示。 表1 2 我国城市各类区域铅垂向z 振级标准值( d b ) 适用地带范围昼间夜间 特殊住宅区( 0 )6 56 5 居民、文教区( 1 )7 06 7 混合区、商业中心区( 2 )7 57 2 工业集中区( 3 ) 7 57 2 交通干线道路两侧( 4 ) 7 57 2 铁路干线两侧 8 0 8 0 本标准中的“特殊住宅区 是指特别需要安静的住宅区；“居民、文教区” 是指纯居民区和文教、机关区。“混合区 是指一般商业与居民混合区，工业、 商业、少量交通与居民混合区。“商业中心区”是指商业集中的繁华地区。“工业 集中区 是指在一个城市或区域内规划明确确定的工业区。“交通干线道路两侧 是指车流量每小时1 0 0 辆以上的道路两侧。“铁路干线两侧 是指距每日车流量 不少于2 0 列的铁路轨道中心线3 0m 外两则的住宅区。 各类标准的适用范围一般由地方政府职能部门划定。轨道交通线路穿越城区 时，线路走向一般与城市主要交通干线一致或路经大型居民区或大型厂矿工业 区，故轨道交通所经区域一般执行2 类4 类标准；当线路行驶于郊区时，一般 严于上述标准5 d b 执行。例如上海市环境科学研究院和上海铁路城市轨道道交 通设计研究院共同对上海轨道交通明珠线进行环境的振动和噪声评价时，即把沿 线划分成1 1 个标准区域，分别给出其执行标准。其中2 类区域5 个，3 类区域6 个。 1 2 2 轨道交通噪声的评价指标 描述噪声的物理量主要为频率和强度。人耳可听到的声音频率为2 0 一2 0 0 0 0 h z 。实测发现两个不同频率的声音相比较时，有决定意义的是两个频率的比 值，而不是其差值。据此，将可听频率划分为若干小段，每一小段的上限频率和 下限频率比值都为一定值、即以厶_ 2 ”，当n - - l 时，称为倍频程，当n - l 3 时，称为l 3 倍频程。每个频程以中心频率称呼。表示强度的量值有声压、声 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第一章绪论 强和声功率，由此引出声压级、声强级和声功率级。 世界卫生组织( w h o ) 于1 9 9 3 年公布了为保护公众免受噪声干扰的标准。为 使大多数人免受严重干扰，在户外生活区的稳态连续噪声的声级不能超过 5 5 d b ( a ) ；为使大多数人免受中等程度的干扰，噪声级不能超过5 0 d b ：夜间户外 噪声级不能超过4 5 d b ( a ) 。各国参照w h o 的标准并根据实情制定相关标准。 我国1 9 9 0 年1 1 月颁布了铁路边界噪声限值及其测量方法( g b | 2 5 2 5 - - 9 0 ) ， 明确规定铁路边界的噪声限值，即等效声级为7 0 d b 。由于轨道交通线路大部分 穿越人1 2 1 密集的城区，因此其噪声还必须符合城市区域环境噪声标准( g b 3 0 9 6 q 3 ) 的限值。城市区域环境噪声标准中规定了城市五类区域的环境噪声最高 限值，其标准值如表1 3 所示。 表l 。3 城市五类区域环境噪声等效声级( d b ) 类别昼间 夜间 0 5 04 0 15 54 5 26 0 5 0 36 5 5 5 4 7 05 5 标准中的等效声级为规定时间内a 声级的能量平均值，又称为连续a 声级， 单位为d b ，计算式为： l 一叼= 1 0 l g ( 1 丁fl o m l “d r ) 式中l _ 一t 时刻的瞬时声级 t - 规定的测量时间 当测量为采样测量，且采样时间间隔一定时，式可表示为 工彳叼21 0 1 9 ( 圭t j = i1 0 n 1 ) 式中三一_ 一第i 次采样测得的a 声级 n 采样总数 1 4 本文主要研究内容 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第一章绪论 本文的主要研究对象是弹性支承块无碴轨道结构，在此基础上，对浮置板轨 道结构、高架短枕和隧道长轨枕埋入式轨道结构也进行了动力性能分析。主要研 究内容如下： 1 收集国内外常用的减振降噪型轨道结构资料，分析其结构组成特点和减振降 噪原理，了解国内外减振降噪型轨道结构发展概况和研究方向。： 2 建立弹性支承块轨道结构动力计算模型，进行动力计算分析。 3 建立浮置板轨道结构动力计算模型，进行动力计算分析。 4 建立长轨枕埋入式轨道结构动力计算模型，进行动力计算分析。 5 对以上三种轨道结构进行动力性能指标对比分析。 6 在现场对弹性支承块轨道结构、长轨枕埋入式轨道结构和短轨枕埋入式轨道 结构进行落轴试验研究。 本章参考文献 1 范佳有轨交通减振降噪型无碴轨道结构分析铁道建筑2 0 0 0 7 2 杨鲁豫我国城市轨道交通发展现状中国铁路2 0 0 1 6 3 刘加华城市轨道交通轨道结构的减振降噪研究硕士学位论文2 0 0 1 2 4 周建民城市轨道交通中振动和噪声控制城市轨道交通研究2 0 0 0 4 5 刘加华城市轨道交通轨道结构的减振降噪设计上海市土木工程学会铁道 工程专业委员会2 0 0 1 年学术年会论文集2 0 0 1 9 6 陈秀娟实用振动与噪声控制( 第二版) 1 9 9 6 5 7 黄荷无碴轨道结构及其在城市轨道交通中的应用石家庄铁道学院学 报2 0 0 1 9 8 焦金红轨道交通轨道结构的减振降噪措施城市轨道交通研究2 0 0 2 3 9 吴敬朴，范俊杰城市轨道交通中的噪声及其控制中国铁路2 0 0 2 1 0 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第二章国内外减振降噪型轨道结构概况 第二章国内外减振降噪型无碴轨道结构概况 2 1 引言 轨道结构按其轨下基础型式可分为两类：有碴轨道和无碴轨道。有碴轨道作 为传统的轨道结构，其主要的缺点是养护维修费用较高，而与有碴轨道相比，无 碴轨道具有少维修、结构整体性和稳定性好的优点。因此，很适合应用于城市轨 道交通。目前，无碴轨道已被许多国家采用，并已成为城市轨道交通中轨道结构 的主要型式。由于无碴轨道下部基础采用混凝土结构，与有碴轨道相比较，会产 生更大的振动和噪音。伴随着城市轨道交通的大规模发展，其带来的负面效应如 振动和噪声问题越来越引起人们的重视。因此，有必要发展新型的无碴轨道或对 现有轨道结构进行改善以克服上述缺点，也即要发展低噪音少养护的轨道结构。 目前，国内外对减振降噪型轨道结构的研究主要集中在无碴轨道上。 在城市轨道交通中，轨道结构应根据不同的环境要求来设计，从而做到物尽 其用，经济合理。减振降噪是城市轨道交通建设与设计中应重点研究内容之一。 因此，无碴轨道结构设计应遵循以下主要原则： ( 1 ) 在列车长期动荷载作用下，轨道结构应保持安全、可靠的几何状态，并 具有足够的承载能力、强度贮备和使用耐久性； ( 2 ) 轨道结构的振动质量、刚度和阻尼应根据轨道结构动力学原理进行合理 选择，以适应减振降噪的要求，使结构体有最大的减振降噪效果，并能减缓轮轨 之间的冲击荷载，减轻钢轨的磨耗。 ( 3 ) 结构简单，便于组织快速施工和安装，便于配套设备和机构的应用，施 工进度应符合铺轨要求，对于混凝土道床的局部损坏应考虑有修复的可能性； ( 4 ) 在轨道的基础已确保坚实稳定的前提下，仍需考虑因施工误差、曲线超 高变化，以及预应力混凝土桥梁伸缩、上供等因素引起的轨面标高的改变。为此， 配套的扣件设计应考虑足够的调整量和可行的调整方法； ( 5 ) 合理选材，轨道部件国产化，从而控制轨道结构的成本，由于无碴轨道 可大幅度降低维修费用，其综合的经济效益可被接受，从而有推广应用的价值； ( 6 ) 由于减振材料的寿命不如混凝土，少量维修是必要的，因此减振材料的 更换应方便。 2 2 国内外减振降噪型无碴轨道结构发展概况 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第二章国内外减振降噪型轨道结构概况 减振降噪型无碴轨道结构在国外已经进行了长期的研究和发展，技术条件己 十分先进和成熟，适用于不同环境和不同线路条件的结构型式也日趋完善。我国 对减振降噪型无碴轨道结构的研究起步较晚，真正引起国内对轨道结构减振降噪 关注是始于城市轨道交通的兴起和兴建高速铁路的构想。目前，国内外常用的减 振降噪型无碴轨道结构主要有以下几种。 2 2 1 弹性支承块轨道结构 l 、国内外发展概况 弹性支承块轨道结构，又称低振动轨道结构( l v t ) ，最早采用这种轨道结构 的是瑞士国有铁路，他们于1 9 6 6 年在b o e t z b e r g 隧道内铺设。由于其特有的减 振、降噪、减磨等优越性能，这种轨道结构在丹麦、葡萄牙、法国、比利时、委 内瑞拉和英国等铁路得到发展。英吉利海峡隧道也采用了这种低振动轨道结构 ( l o wv i b r a t i o nt r a c k ) 。其目的也是使得轨道结构具有较好的减振性能，降低 轮轨之间的动力作用和使得列车运行平稳。 由于这种轨道结构减振降噪的效果较为明显，因此，对于城市轨道交通中对 振动和噪声敏感的地段，特别是高架结构，弹性支承块式无碴轨道结构是一种比 较理想的方案。广州地铁一号线已铺设，北京地铁于1 9 7 2 年在东十四条站铺设 了这种轨道，现场测试较一般整体道床振动加速度降低3 0 ，减振效果好。经 过2 0 年运营使用，技术状态良好。正在兴建的上海地铁一号线北延伸，部分高 架地段拟采用这种轨道结构，其结构型式如图2 - 1 所示。 2 、结构组成 卜_ l 一叫 图2 - 1高架桥上的弹性支承块无碴轨道结构 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第二章国内外减振降噪型轨道结构概况 弹性支承块式轨道结构由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣件构 成，如图2 - 2 。弹性支承块由橡胶靴套包裹的钢筋混凝土支承块以及块下大橡胶 垫板组成，如图2 4 。橡胶靴套与块下大橡胶垫板具备一定的厚度，大橡胶垫板 为沟槽形，其设置是根据所需刚度设计而定，与轨下垫板的弹性匹配目标是使得 无碴轨道的总体刚度与传统有值轨道的刚度相接近，尽可能做到线路上无碴轨道 和有碴轨道的结构受力、动力传递均匀一致。支承块承轨部分设轨底坡，由于无 碴轨道调整钢轨高度的需要。配套扣件为弹性分开式，支承块与铁垫板的联结通 过预埋绝缘套管及螺栓实现；道床板由就地灌注的填充混凝土和槽形板组成的道 床将弹性支承块嵌固在其中：每7 - - 8 个支承间距作为一个板长单元。道床表面 设人字坡，以利排水：在隧道内，混凝土道床可直接与隧底仰拱填充混凝土联结。 而在高架结构上，考虑列车制动和温度力等作用，加设了混凝土底座底。为此， 需解决底座与桥面的联结以及底座与道床的联结等问题。为了提供混凝土道床的 可修复性，在底座表层设置隔离层；在曲线地段，外轨超高的设置是在混凝土底 座内完成。 图2 - 2 弹性支承块轨道结构 3 、结构特点 轨道结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供，最大程度上模 拟了弹性点支承传统碎石道床的结构和受荷响应特性，并使得轨道纵向弹性点支 承刚度趋于一致。通过双层弹性垫板刚度的合理选择可使轨道的组合刚度接近 有碴轨道的刚度。 支承块外设橡胶靴套提供了轨道的纵、横向弹性变形。使这种无碴轨道在 承载、动力传递和振动能量吸收诸方面更接近坚实均匀基础上的碎石道床轨道。 这种低振动轨道可以弥补无碴轨道弹性不足，以适应环保对低振动、低噪音的要 求。 通过双层弹性垫板的隔离，轨道的支点荷载和振动等动力性能可保持长期 同济大学硕上论文 减振降噪型轨道结构研究第二章国内外减振降噪型轨道结构概况 稳定，轨道的几何形位也可在长时间内得以保持。 结构简单，施工相对容易。支承块为钢筋混凝土结构，可在工厂预制，在 现场只需将钢轨、扣件、靴套及垫板的支承块加以组装，经准确定位后，就地灌 注混凝土即可成型。 4 、减振降噪原理 弹性支承块式无碴轨道结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提 供，最大程度上模拟了弹性点支承传统碎石道床的结构和受荷响应，并使轨道纵 向弹性点支承刚度趋于一致。通过双层弹性垫板刚度的合理选择，可使轨道的组 合刚度接近有碴轨道的刚度。此外，在支承块外设橡胶靴套提供了轨道的纵、横 向弹性变形，使这种无碴轨道在承载、动力传递和振动能量吸收诸方面更接近坚 实基础上的碎石道床轨道，这样便使得这种轨道结构的振动和噪声减少到较低程 度。 2 2 2 浮置板轨道结构 1 、国内外发展概况 最早采用浮置板轨道结构的是联邦德国，科隆的矩形隧道内采用了浮置板轨 道系统，波鸿的圆形隧道内采用了浮置板轨道系统，迪塞尔多夫轻便铁路采用了 现场浇注的有道碴和轨枕的浮置板轨道系统。汉堡地铁铺设的质量一弹簧体系无 碴轨道，将带槽的钢筋混凝土块铺设在弹性支座上，再将轨枕放入预制块的槽内， 然后铺设轨道及配件。1 9 9 4 年投入运营的柏林地铁在通过居民区的隧道内铺设 了固有频率7 5 h z 的钢弹簧浮置板，板长2 5 m ；1 9 9 7 年投入运营的科隆市地铁 在通过居民区的隧道内铺设了固有频率6 5 h z 的钢弹簧浮置板，板长3 0 m ，现场 浇注成型。德国还开发了有道碴的浮置板轨道结构，在多特蒙德( d o r t m u n d ) 的 一座轻轨铁路隧道内铺设了试验段。由于其良好的减振降噪性能，这种结构在华 盛顿、纽约、亚特兰大、多伦多( 图2 4 ) 、布鲁塞尔、新加坡、香港( 图2 3 ) 和我国南京( 图2 5 ) 均有铺设。另外，在正在建设的北京、深圳和上海等地 铁也采用了浮置板轨道结构，并采用了钢弹簧减振结构。根据新加坡地铁使用情 况，发现浮置板轨道结构对隧道外减振减噪效果很好，但在地铁车厢内振动和噪 声都超过了环保标准。 同济大学预十论文减振降峰型轨道蚺构研究 第一章国内外减振降噪型轨道结构概r 图2 - 3 香港西铁隧道内低振动轨道结构 el 匡皇 e 州r 旺丑 罡 兰；o ， h t p d 图24 多伦多预制浮置板轨道结构 图2 - 5 南京地铁弹簧浮置板轨道结构 2 、结构组成 传统的轨道结构是由钢轨、轨枕、联结零件、道床及道岔等主要部件组成 同济大学颈论文 减氍降噪型轨道结构研究第= 章国内外张降嗥墅轨道结构概况 而浮置板轨道结构一般由钢筋混凝土浮置板、弹性支座、混箍土底座及配套扣件 组成。该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上，浮置板置于可调的弹 性支座上，浮置板两侧用弹性材料固定，形成一种质量弹簧隔振系统。这种系 统有各种设计：包括有道碴和无道碴的、预制混凝土底座和现场浇注的、可更换 支座和固定支座的、橡胶支座和弹簧支座的等等。如图2 - 6 所示。 图2 - 6 浮置板无碴轨道 3 、结构类型 ( 1 ) 橡胶支承型 橡胶支承型浮置扳轨道结构一般由钢筋混凝土浮置板、橡胶支座、混凝土底 座及配套扣件组成( 见图2 7 ) 。该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置 板上，浮置板置于可调的橡胶支座上，浮置板两侧用弹性材料固定，形成一种质 量一弹簧隔振系统。该型式由于采用橡胶支座，隔振效果一般在1 0 1 5 d b ，缺 点是使用寿命受到限制，后期的减振效果不理想且在不中断运营的条件下更换 橡胶支座很不方便。国内广州地铁一号线特殊减振地段铺设了这种轨道结构， 我国香港地区以及德国、美国、新加坡等地铁也铺设了这种轨道结构。 图2 7 隧道内橡胶支座型浮置板轨道结构 ( 2 ) 弹簧支承系统型 浮置扳与基础之间采用螺旋弹簧的支承结构图如图28 所示，列车运行引起 的轨道振动经过螺旋弹簧之后才传到路基，因此，其隅振效果非常明显。在浮置 板相互连接处及浮置板与隧道内壁之间的间隙设有橡胶止挡构成道床纵向和横 向弹性，同时防止砂石、尘土进入浮置板与隧道底板之间的间隙，以免形成新 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第二章国内外减振降噪型轨道结构概况 的振动源。螺旋弹簧支承的浮置板道床，其固有频率很低，只有4 一- - 8 1 - 1 z ，因此， 采用螺旋弹簧支承的浮置板道床减振效果比采用橡胶的好。国内北京、南京、上 海和深圳地铁在特殊减振地段拟采用这种轨道结构，法国、韩国、巴西和英国等 地铁也采用了这种轨道结构，隔振效果在2 5 - - - ，4 0 d b 之间，同时可以消除固体声， 减振效果非常明显，振动衰减速度快。 图2 - 8 弹簧支承浮置板轨道结构 弹簧支承系统型浮置板轨道结构由于造价较高，故仅限于有特殊减振降噪要 求的地段，如音乐厅、歌剧院、医院、市政厅、会议中心、博物馆、实验室、居 民区等周围地区。 ( 3 ) 纵向浮置板式整体道床 鉴于浮置板式整体道床的缺点，国内研制了纵向浮置板式整体道床，见图2 9 。他有浮置板、橡胶垫、道床承台和联接挡板等组成。浮置板长( 沿钢轨方 向) 为2 2 0 0 m m ，宽为6 0 0 m m ，高为2 4 0 m m ；板重约7 3 0 k g ，一块浮置板上有4 组 扣件，扣件对应部件的横向及底部与道床承台之间设橡胶垫，起到隔振、减噪作 用，亦能调整浮置板高低，道床中心设有水沟。 图2 9 纵向浮置板式整体道床 这种道床的主要优点有： ( 1 ) 浮置板较轻，加工制造和铺设较为方便。 同济大学硕士论文 减振降噪型轨道结构研究第二章国内外减振降噪型轨道结构概况 ( 2 ) 高低调整量较大，可达+ 5 0 r a m ，一1 2 m 。 ( 3 ) 可以维修，不影响地铁正常运行。 ( 4 ) 减振效果显著，尤其是低频减振效果更好。 这种轨道结构由于施工有一定难度，目前我们过尚未铺设，还需要进一步研 究优化。国外莫斯科和基辅地铁都铺设了这种轨道结构，减振效果很好。 4 、浮置板轨道结构减振降噪原理 传统的轨道是轨排铺设在碎石道床上的，而浮置板轨道结构的钢轨不是直接 固定在枕木上，而是间接地固定在一个重而坚固的、由钢筋混凝土制成的整体道 床上，这个道床再放在主要由橡胶或柔性弹簧组成的隔振器上，这个整体道床可 以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载，只有静荷载和少量残余动荷载 会通过弹性支承传到基础结构中去。该系统是一种质量一弹簧系统，其基本原理 就是在轨道和基础间插入固有频率远低于激振频率的线形谐振器，借以减小传 入基础的振动，是降低下部结构传振和传声的最有效方法。弹簧一质量一道床隔 振系统的隔振作用的有效性，主要取决于道床的质量、弹簧的刚度及相互作用， 其主要参数要根据不同的动态条件来确定。如何确定浮置板弹性系统的固有频率 是整个设计的基础，而系统固有频率的取值与被保护对象( 建筑) 的种类、位置 及环境条件有关。振动理论分析的结果表明，减振效果与隔振系统固有频率密切 相关，当激扰频率在系统固有频率附近时，会产生共振。只有激扰频率高于系统 的固有频率，振动才会被衰减，因此，设计时选用的隔振系统固有频率越低越有 利。 2 2 3 钢轨嵌入式轨道结构 l 、国内外发展概况 钢轨嵌入式轨道结构1 9 7 4 最早在荷兰得到应用，主要应用在高架桥梁上。 这种轨道结构已经被证实为高稳定性和少养护维修。这种轨道结构在荷兰至马德 里的a t o c h aa v e 车站上已经有1 7 年成熟的运营经验。1 9 9 7 年，荷兰铁路委员 会发展了一种新型轨道结构，箱型梁轨道结构。1 9 9 9 年，荷兰铁路部门在鹿特 丹铺设一段长2 0 0 米的箱型梁，并采用钢轨嵌入式轨道结构如图2 - 1 0 所示。 荷兰的研究表明，嵌入式轨道结构不仅少振动低噪音，而且其养护维修费用 很低，总体造价比较经济，符合未来轨道结构的发展要求。但是由于其施工工艺 同济丈学磺i 论文硅振降日型n 道结构研究第= 章国内外碱拒降嗥型轨道结构概m 很复杂，而且我国也没有生产这种弹性体的厂家，因此，目前我国还不宜大规模 铺设。目前宜先进行室内实验研究，在一些对噪声和振动比较敏感的地段，可以 考虑铺设嵌入式轨道结构，并开展相应的实验研究工作。 ”r ，一一 图2 1 0 箱型粱嵌入式轨道结构 2 、结构组成 传统的轨道结构，其钢轨和轨枕( 或整体道床) 是通过扣件连接的，钢轨的 支撑和固定都是离散的钢轨完全暴露在空气中；而嵌入式轨道结构则采用连续 的固定和支撑方式，其基本做法是用一种叫c o r k l a s t 的弹性体将钢轨固定在钢 筋混凝土板整体道床的的凹槽内，整个钢轨几乎完全埋置在弹性体中，除了必要 的信号电缆和牵引供电电缆外，在钢轨和混凝土之间以及两条钢轨之间没有任何 的机械联结( 图2 1 1 ) 。其具有以下一些优于传统非连续支承轨道结构的优点： ( 1 ) 减d t 轨道结构的厚度，厚度只有2 0 0 岫；( 2 ) 不仅在设计上有很大的自 由度，而且由于钢轨是连续支撑的，减少了钢轨疲劳的发生；( 3 ) 不需要轨距拉 杆、混凝土轨枕和钢轨联结部件；1 4 ) 由于周围的线路路基可以和钢轨面齐平， 对平变道口和库内工作很理想：( 5 ) 具有良好的减振降噪性能和少养护维修的特 点。 嵌人 目轨 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第二章国内外减振降噪型轨道结构概况 图2 - 1 l 嵌入式轨道结构 3 、嵌入式轨道结构的减振降噪原理 与传统的无碴轨道结构不同，嵌入式轨道结构的钢轨采用连续的弹性支承， 且钢轨大部分固定在绝缘弹性体内。其减振降噪原理主要体现在以下三个方面： ( 1 ) 钢轨完全由槽内弹性体和轨下弹性条连续的固定和支承，优化了整个轨道 结构在水平和竖向的刚度，同时，其垂向弹性由轨下弹性条和槽内弹性体共同提 供，很大程度上模拟了传统有碴轨道结构的受荷响应；( 2 ) 传统轨道结构采用离 散的钢轨支承方式，在列车的反复荷载作用下，导致钢轨产生不平顺性，增加了 轨道结构的振动响应，而嵌入式轨道结构采用连续的弹性支承，大大降低了钢轨 的不平顺性，从而减少了轨道结构的振动：( 3 ) 由于钢轨几乎完全埋置在弹性 体内，不仅从噪声源上减少了噪声，减少了噪声的反射面积，起到了降噪的作用。 荷兰的实验研究表明，同样采用u i c - 5 4 钢轨，嵌入式轨道结构只比传统的有碴 轨道结构多2 分贝的噪音，其减振效果在1 0 分贝左右。 4 、嵌入式轨道结构的设计优化 对这种轨道结构的进一步发展就是优化其减振降噪性能，降低其造价。由于 嵌入式轨道结构比较简单，没有扣件等连接零件，因此，其优化的着眼点应该是 钢轨本身和弹性体。为了降低列车通过时轨道结构引起的振动和噪声，荷兰在开 发板式轨道时，研制了轨头形状与u i c 5 4 相似的s a 4 2 型矮轨，并采用e r s 轨道 结构技术( 图2 - 1 2 ) 。这种新型低噪音嵌入式轻型钢轨，每米仅重4 2 公斤，高8 厘米，其相应的凹槽体积要小的多，从而可以节约多达6 0 的弹性体，减少了轨 道结构的高度，降低了工程的造价。由于这种钢轨矮胖，车辆通过时引起钢轨腹 板的振动频率较低，提高了轨道结构减振降噪效果，与采用u i c - 5 4 钢轨的有碴 轨道结构比较，可以减少约5 至7 分贝的噪声。 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第二章国内外减振降噪型轨道结构概况 图2 1 2 新型低噪音嵌入式钢轨 2 2 4r h e d a 型( 长轨枕埋入式) 无碴轨道 r h e d a 型无碴轨道是将预应力混凝土轨枕嵌固在填充混凝土中，并支承在钢 筋混凝土道床上。该结构型式在德国铁路得到广泛应用，德国铁路对无碴轨道的 研究与应用刚开始主要针对隧道和路基上，在1 9 5 9 - - 1 9 8 8 年的试验阶段，试铺 了各类无碴轨道试验段3 6 处，累计长度达2 1 3 k m 。到1 9 8 9 年，r h e d a 型无碴轨 道基本定型，并开始成段铺设。截止到1 9 9 7 年，共铺设无碴轨道达1 9 0 k m ，其 中桥上无碴轨道1 6 k m ( 1 9 9 6 年铺设) ，其结构型式以简化的r h e d a 型为主，如图 2 1 3 。r h e d a 型无碴轨道是通过改进设计，在道床板底层或上表面增加减振层， 来实现在特殊地段的减振降噪要求。 图2 1 3 简化的r h e d a 型无碴轨道结构 2 2 5 减振降噪型扣件 在一般减振地段，国内外隧道内常用的扣件主要有d t i 型、d t i i i 型和d t i v 型扣件，在高架地段是w j 一1 w 和j - 2 型扣件，在要求较高的减振地段，一般铺设 轨道减震器。目前国内外一般都采用弹性分开式扣件，在轨下和铁垫板下均设高 弹性橡胶垫板，扣件静刚度较小，一般为2 0 - - 一4 0 k n m m ，与木枕碎石道床的静刚 度相当，具有良好的减振性能。 1 ) d t i 型扣件 这种扣件位全弹性分开式，如图2 一1 4 所示。轨下设一层l o m m 厚的沟槽型 橡胶垫板，铁垫板下设一层8 m m 厚塑料垫板。二阶减振，扣件竖向静刚度4 0 同济大学硕士论文减振降噪型轨道结构研究第二章国内外减振降噪型轨道结构概况 6 0 k n m m 。北京地铁一、二期工程均铺设了这种扣件，经3 0 多年运营使用，减振 效果一般。 轨挽 图2 1 4