（道路与铁道工程专业论文）不同支承方式的橡胶隔振无砟轨道结构振动特性研究.pdf

一 铲 。 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：矧。年多月, t b 聊魏允爱v ， 签字日期泸i o 年月俨 、 中图分类号：u 2 1 3 2 u d c ：6 2 5 1 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学北尿父嬗大字 硕士学位论文 不同支承方式的橡胶隔振无砟轨道结构振动特性研究 t h er e s e a r c ho nt h ev i b r a t i o np r o p e r t yo fs l a bt r a c k sw i t hd i f f e r e n t r u b b e rv i b r a t i o ni s o l a t i o nb e a r i n g s 作者姓名：艾山丁 导师姓名：谷爱军 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 7 3 6 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：道路与铁道工程研究方向：轨道结构振动 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 t 、 致谢 本论文的工作是在导师谷爱军副教授的悉心指导下完成的，谷老师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢谷老师对我的 关心和指导。 谷老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，对我的科研工作和论文提出了 许多的宝贵意见。在我的学习以及日常生活中，谷老师都给予了我无微不至的关 心和帮助，指导着我一步一个脚印，不断成长、不断进步。老师的谆谆教诲是我 一生的财富，老师伟大的人格和开阔的心胸更是我一生敬仰的典范，在此向谷老 师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意。 高亮老师、万传风老师、杨松林老师、梁青槐老师、白雁老师、肖宏老师、 蔡小培老师、时谨老师、冯瑞玲老师、刘维宁老师、刘建坤老师，在我就读研究 生的短短两年时间里，对于我的学习和生活都提供了很大的帮助。在此向老师们 表达我由衷的感激之情。 在实验室工作及撰写论文期间，张宏亮、刘峰、闫子权、徐天坤、李克飞、 王文斌、曹序婕、李莹春、杨坤、戴春阳、姚章军、任媛、孙成、孙方道、李丹 丹、刘小强、聂志理等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们 表达我的感激之情。 另外，也感谢我的母亲，正是有了她的理解和支持才使我能够在学校专心完 成我的学业。 中文摘要 摘要t 随着城市轨道交通的发展，人们对生活环境要求的提高给轨道减振技术提 出了更高的要求。本文对北京交通大学地下结构实验室雷达2 0 0 0 减振型轨道结构 进行了振动测试以及理论仿真计算，讨论各项参数的变化对其动力特性及隔振效 果的影响，进而为橡胶隔振无砟轨道结构的国产化研发等工作提供支持。在各项 参数中，本文重点讨论不同橡胶隔振支承方式对轨道结构振动特性及隔振效果的 影响。本文所做具体工作如下：对橡胶隔振无砟轨道结构进行锤击试验，以确定 轨道结构的各项参数取值，从而为后续理论计算模型提供数据支持：以上述轨道 结构为原型，建立三维有限元分析模型，对其进行模态分析，讨论该轨道结构在 不同参数的影响下其固有频率和振型的变化；根据谐振分析原理，对该轨道结构 的传递特性进行分析，讨论该轨道结构在不同参数的影响下其各项动力响应以及 隔振效率的变化；根据冲击响应原理，对该轨道结构施加冲击荷载，通过时程分 析和频谱分析，讨论该轨道结构在不同参数的影响下其各项动力响应的变化。本 文虽然以雷达2 0 0 0 减振型轨道结构为原型进行分析，但本文研究结果对于其他质 量一弹簧减振型轨道结构同样具有参考价值。 关键词s 减振轨道结构；模态分析；谐振分析；冲击响应分析；隔振支承；隔振 效果 分类号lu 2 1 3 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h eu r b a nt r a n s i ts y s t e m ，m o r ea n dm o r e c o n c e r n sa r ep l a c e do nt h ev i b r a t i o ni s o l a t i o nt e c h n o l o g yo fr a i lt r a n s i ts t r u c t u r e s t h r o u g ht h ed y n a m i ct e s t so nt h er h e d a2 0 0 0v i b r a t i o ni s o l a t i o nt r a c ks t r u c t u r ei nt h e u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gl a b o r a t o r yi nb e i j i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t ya n dt h et h e o r e t i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fc h a n g eo fd i f f e r e n t p a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l yt h ep a r a m e t e ro f d i f f e r e n tr u b b e rv i b r a t i o ni s o l a t i o nb e a r i n g s ，o n t h ed y n a m i cp r o p e r t ya n dt h ev i b r a t i o ni s o l a t i o ne f f e c to ft h es l a bt r a c k , w h i c hc a l l f u r t h e rc o n t r i b u t et od e v e l o p i n gt h es l a bt r a c kw i t hr u b b e rv i b r a t i o ni s o l a t i o nb e a r i n go n o u ro w n t h ec o n c r e t ew o r ki s 嬲f o l l o w s ：f i r s t h a m m e re x c i t a t i o nt e s tb a s e do ni m p a c t m e t h o di su s e df o r t h ed y n a m i ct e s to ft h er h e d a2 0 0 0v i b r a t i o ni s o l a t i o nt r a c ks t r u c t u r e i no r d e rt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r s s e c o n d , a3 df i n i t ee l e m e n tm o d e li sb u i l tb a s e d o nt h ep r o t o t y p eo ft h em e n t i o n e ds l a bt r a c ka b o v et om o d a la n a l y z et h ef o r m e r s t r u c t r u e ，w h i c hp e r f o r m e dt oo b t a i nt h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dt h ev i b r a t i o nm o d e so f t h es l a bt r a c kw i t hd i f f e r e n tp a r a m e n t e r s t h 矾，t h et r a n s f e rp r o p e r t yi sa n a l y s e db a s e d o nt h er e s o n a n tp r i n c i p l et od i s c u s st h ed y n a m i cr e s p o n s e sa n dt h ev i b r a t i o ni s o l a t i o n e f f e c to ft h es l a bt r a c kw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ei m p u l s e p r i n c i p l e ，t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h es l a bt r a c ku n d e ra l li m p a c tl o a dw i t hd i f f e r e n t t r a c kp a r a m e t e r sa r es t u d i e df r o mb o t ht h et i m e - h i s t o r ya n ds p e c t r u ma n a l y s e s p e r s p e c t i v e l y a l t h o u g ht h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h er h e d a2 0 0 0t r a c ks y s t e m ，t h i s s t u d yr e s d tp r o v i d e ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o ro t h e rm a s s - s p r i n gv i b r a t i o ni s o l a t i o n t r a c ks y s t e m s k e y w o r d slv i b r a t i o nb o l a t i o nt r a c k ；m o d a la n a l y s i s ；h a r m o n i ca n a 炒s i s ； i m p a c tr e s p o n s ea n a l y s i s ；v i b r a t i o ni s o l a t i o nb e a r i n g ； v i b r a t i o ni s o l a t i o ne f f e c t c i a s s n 0 li ，2 13 2 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 1引言1 1 1概j 述1 1 1 1 选题背景及意义。1 1 1 2 国内外研究方法及现状2 1 2 研究意义以及本文工作1 3 1 2 1 研究意义1 3 1 2 2 本文工作1 4 2隔振原理以及隔振结构设计要点1 7 2 1 隔振原理、隔振的分类、隔振的评价及其性能分析1 7 2 1 1 隔振原理。1 7 2 1 2 隔振的分类1 7 2 1 3 隔振的评价18 2 1 4 隔振性能分析1 9 2 2隔振轨道结构设计要点2 0 3实验室轨道结构振动测试2 1 3 1振动测试的意义2 l 3 2振动测试方法2 l 3 3锤击试验原理2 2 3 4锤击试验概况2 3 3 4 1 试验对象以及试验设备概况2 3 3 4 2 试验以及理论计算结果比较。2 6 3 5本章小结2 9 4轨道结构的模态分析3 0 4 1 模态分析的原理及意义3 0 4 2 轨道结构动力有限元模型的建立3 1 4 2 1 单元类型的选取。3 l 4 2 2 网格尺寸的确定3 2 4 2 3 计算参数的选取3 2 4 3 面支承形式轨道结构的模态分析3 4 4 3 1 轨道板厚度对轨道结构振动模态的影响3 4 4 3 2 轨道板密度对轨道结构振动模态的影响3 7 4 3 3 橡胶弹性模量对轨道结构振动模态的影响3 9 4 3 4 橡胶泊松比对轨道结构振动模态的影响。4 0 4 4 线支承形式轨道结构的模态分析4 2 4 4 1 轨道板厚度对轨道结构振动模态的影响4 2 4 4 2 轨道板密度对轨道结构振动模态的影响4 4 4 4 3 橡胶弹性模量对轨道结构振动模态的影响4 5 4 4 4 橡胶泊松比对轨道结构振动模态的影响。4 7 4 4 5 橡胶垫支承面积对轨道结构振动模态的影响。4 8 4 5点支承形式轨道结构的模态分析5 0 4 5 1 轨道板厚度对轨道结构振动模态的影响5 0 4 5 2 轨道板密度对轨道结构振动模态的影响。5 2 4 5 3 橡胶弹性模量对轨道结构振动模态的影响。5 3 4 5 4 橡胶泊松比对轨道结构振动模态的影响5 4 4 5 5 橡胶垫支承面积对轨道结构振动模态的影响5 6 4 6本章小结5 7 5轨道结构的传递特性分析6 0 5 1 面支承形式轨道结构的传递特性分析6 0 5 1 1 轨道板厚度对轨道结构传递特性的影响6 0 5 1 2 轨道板密度对轨道结构传递特性的影响6 3 5 1 3 橡胶弹性模量对轨道结构传递特性的影响6 5 5 1 4 橡胶泊松比对轨道结构传递特性的影响。6 8 5 2线支承形式轨道结构的传递特性分析7 1 5 2 1 轨道板厚度对轨道结构传递特性的影响。7 1 5 2 2 轨道板密度对轨道结构传递特性的影响7 3 5 2 3 橡胶弹性模量对轨道结构传递特性的影响7 5 5 2 4 橡胶泊松比对轨道结构传递特性的影响7 8 5 2 5 橡胶垫支承面积对轨道结构传递特性的影响一8 0 5 3 点支承形式轨道结构的传递特性分析8 3 5 3 1 轨道板厚度对轨道结构传递特性的影响8 3 5 3 2 轨道板密度对轨道结构传递特性的影响8 5 5 3 3 橡胶弹性模量对轨道结构传递特性的影响8 7 5 3 4 橡胶泊松比对轨道结构传递特性的影响一9 0 5 3 5 橡胶垫支承面积对轨道结构传递特性的影响9 2 5 4本章小结9 5 6轨道结构的冲击响应分析9 7 6 1冲击荷载分析。9 7 6 2面支承形式轨道结构的冲击响应分析9 7 6 2 1 轨道板厚度对轨道结构动力特性的影响。9 7 6 2 2 轨道板密度对轨道结构动力特性的影响1 0 0 6 2 3 橡胶弹性模量对轨道结构动力特性的影响1 0 3 6 2 4 橡胶泊松比对轨道结构动力特性的影响1 0 6 6 3线支承形式轨道结构的冲击响应分析1 0 8 6 3 1 轨道板厚度对轨道结构动力特性的影响1 0 8 6 3 2 轨道板密度对轨道结构动力特性的影响111 6 3 3 橡胶弹性模量对轨道结构动力特性的影响1 1 3 6 3 4 橡胶泊松比对轨道结构动力特性的影响11 6 6 3 5 橡胶垫支承面积对轨道结构动力特性的影响1 1 8 6 4点支承形式轨道结构的冲击响应分析1 2 1 6 4 1 轨道板厚度对轨道结构动力特性的影响1 2 1 6 4 2 轨道板密度对轨道结构动力特性的影响1 2 4 6 4 3 橡胶弹性模量对轨道结构动力特性的影响1 2 6 6 4 4 橡胶泊松比对轨道结构动力特性的影响1 2 9 6 4 5 橡胶垫支承面积对轨道结构动力特性的影响1 3 1 6 5本章小结1 3 4 7结论与展望13 6 7 1工作总结1 3 6 7 2展望13 7 参考文献1 3 8 作者简历1 4 2 独创性声明1 4 3 学位论文数据集1 4 4 1 引言 1 1 概述 1 1 1选题背景及意义 随着城市人口数量的不断增长，城市的生活空间也越来越拥挤，城市轨道交 通因其运输能力大、速度快、效率高，而在城市发展的过程中扮演着越来越重要 的角色。 我国各城市近期轨道交通发展规划中提到，上海轨道交通将形成1 8 条线路、 5 2 5 座车站、运营总长度超过9 7 0 公里的轨道交通基本网络【l - 2 1 。北京市目前己开 通运营8 条线路，达到2 0 0 公里的运营里程，在建的线路有1 3 条，到2 0 1 5 年， 北京将基本形成总里程为5 6 1 公里的“三环、四横、五纵、七放射 轨道交通网 络 3 1 ，而远期北京轨道交通线路将达到2 8 条以上。轨道交通将真正成为首都城市 公共交通的骨干系统，满足市民出行需要【4 】。自2 0 0 3 年9 月国务院发布关于加 强城市快速轨道交通建设管理的通知以来，我国陆续有2 8 个城市向国家上报了 城市快速轨道交通建设规划，其中有1 9 个城市轨道交通建设规划已经得到了国家 批准，将在2 0 1 5 年前后规划建设7 0 条轨道交通线路，总长度约2 1 0 0 k m ，总投资 超过8 0 0 0 亿元。预计到2 0 5 0 年中国城市轨道交通线路总长将超过4 5 0 0 公里【5 l 。 然而城市轨道交通带给人们方便快捷的同时，其运营过程中所带来的振动和 噪声问题也越来越成为人们普遍关注的问题。作为城市的主要交通干线，城市轨 道交通线路经常通过城市的居住区、闹市区、风景区以及精密仪器、古代建筑群 等对振动和噪声比较敏感的地区。列车运行线路上部的建筑物或居民，不但会直 接受到列车运行时所产生的噪声和振动的影响，还会受n - 次振动和二次噪声的 影响【6 】。研究表明，一列列车在地下通过时，在地面建筑物上引起振动的持续时间， 大约为1 0 秒钟。在一条地铁线路上，高峰时两个方向- 4 , 时内至少可以通过3 5 4 0 对列车，其振动作用和持续时间可以达到地铁总工作时间的4 0 。因此，地铁列 车运行所产生的振动污染不能忽视【7 1 。对于车辆和轨道结构本身，车辆轨道耦合系 统的反复振动直接导致了动载荷的增加，加剧了轨道结构的疲劳破坏，反过来又 降低了机车车辆的平稳性，从而降低了线路的运行品质和轨道结构的寿命。 在国际上，早已把交通引起的环境振动列为七大环境公害之一【引，城市轨道交 通环境振动研究也己经成为国际学术界和各国政府十分关心的课题。在欧洲一些 国家以及美、日等国，交通引起的环境振动早己引起各国政府、铁路运输部门、 研究机构和高等院校的高度重视，政府发布的环境噪声绿皮书也对交通环境振动 给予了充分的叙述。国际标准化组织( i s o ) 于1 9 7 8 年颁布了评价标准i s 0 2 6 3 1 【9 】， 该标准从强度、频率范围、振动类型几个方面进行了阐述，给出了保证人体舒适 度界限、疲劳功效界限和安全健康界限的三个准则。我国也于1 9 8 9 年颁布了城 市区域环境振动标准( g b l 0 0 7 0 - - 8 8 ) 和城市区域环境振动测量方法( g b l 0 0 7 1 8 8 ) ，对于城市区域环境振动公害的测量和评价具有指导意义。 为了研究轨道交通所引起的振动问题，国内外专家学者针对轮轨关系、车辆 一轨道耦合动力学以及轨道结构减振等课题都做了大量的研究与分析，并取得了 一定的研究成果。其中，对轨道结构减振的研究主要从频域的角度对其传递特性 以及动力响应进行分析。在我国，对轨道结构减振的研究主要限于某几种特定的 轨道结构，或者某几种特定的轨道部件，而对振动在轨道结构中的传递过程还没 有进行完整的理论研究。在轨道结构的各个部件中，弹性隔振元件对轨道结构的 振动特性及隔振效果起着至关重要的作用。所以，对轨道结构各部件，特别是弹 性隔振元件对其振动特性、隔振减振效果影响的研究，以及对振动在轨道结构中 的传递机理的研究，是非常重要的，同时也是非常迫切的。 1 1 2国内外研究方法及现状 1 1 2 1 研究方法 国内外学者对轨道交通振动以及隔振减振措施的研究方法可以大致分为试验 研究以及理论研究两类。 试验是研究事物的一种直观而重要的手段。它既是理论模型的来源，同时又 可以验证理论模型的正确性，精确性与准确性。所以，对轨道结构振动的研究也 可以用试验方法进行分析。而要想获得试验数据，就必须设计合理的方案对轨道 结构进行测试。 轨道结构的振动测试，分为现场测试和实验室测试两大类。其中，锤击试验、 落轴试验和正弦稳态激振试验既可用于现场测试也可用于实验室测试，而列车试 跑的试验方法只能用于现场测试。 列车试跑的试验方法，是指在线路正式通车运行前，使检测列车在已铺设建 成的轨道上运行，主要针对列车以及轨道各部件的动力响应、应力状态以及附近 建筑或土体的动力响应进行测试【l o 】。该方法以对比分析为主，通过对测试信号的 时域和频域的分析，得出所测轨道结构及部件的动力响应，并判断其是否处于良 好的工作状态以及列车运行对周围环境振动的影响等结论。该方法可以真实地反 2 映列车荷载作用时，车辆一轨道耦合振动情况下，列车、轨道结构及各部件、附 近土体或建筑的动力特性，但是该方法只能在轨道结构铺设建成后进行。 锤击试验是用力锤敲击轨道结构或其各部件，并分析力锤击力和轨道结构及 各部件的振动响应，从而确定轨道结构的振动特性和与振动有关的各项参数。如 图1 1 所示。力锤的锤头可采用不同材料制成，用以向轨道结构施加不同频率范 围的冲击荷载。由于轨道结构各部件固有频率相差较大，所以测试时施加的冲击 荷载必须是一个宽频激励。试验中一般采用钢制锤头对轨道结构施加冲击力，这 样得到的测试效果较好。该方法试验设备体量小、重量轻，进行振动测试更为方 便。然而，该方法所能产生的激励幅值相对较小，试验对象一般为钢轨、扣件以 及轨枕，主要应用于扣件的选型。荷兰t ud e l f t 大学、英国南开普敦大学等，利 用锤击试验对许多新型轨道结构和新型扣件的振动特性都进行了评价。 正弦稳态激振试验，是指利用激振器在不同轨道结构上施加正弦激振力，对 轨道结构各部件、其下部基础( 隧道、桥梁及路基等) 、地面及建筑内等不同位置 的加速度响应进行测试。并判断振动在轨道结构各部件、其下部基础( 隧道、桥 梁及路基等) 、地面及建筑中的传播规律，从而得到不同轨道结构及部件的动力特 性及减振隔振效果。该方法激振功率大，信噪比高，测试精确度相对较高，可以 通过改变激振的频率，得到被测对象在不同频率下的频率响应。北京交通大学与 北京桩工机械厂合作研发了一台轨道振动源发生器s b z 3 0 ，利用正弦稳态激振试 验、锤击试验等方法对梯子式轨道结构以及钢弹簧浮置板进行了振动传递特性分 析。如图1 2 所示。 图1 - 2 正弦稳态激振试验 图1 1 锤击试验图1 - 3 落轴试验 f i g 1 - 2s i n u s o i d a ls t e a d y s t a t e f i g 1 1h a m m e re x c i t a t i o nt e s tf i g 1 3w h e e l1 0 a dd r o pt e s t e x c l t a t i o nt e s t 落轴冲击模型最初是日本y o s h i h i os a t o 用以测定轨道刚度的。当轮轨发生冲 击时，参与冲击钢轨的质量一般为转向架的簧下质量。对于车辆，一般簧下质量 即为轮对质量，正是基于这一原理，落轴试验利用车辆轮对自由下落，对轨道施 加冲击荷载，使轨道结构产生振动，用以模拟列车轮对对钢轨的冲击，并以此评 价轮轨冲击及轨道结构的振动响应及振动特性f 】。如图1 3 所示。该方法可以一 定程度上较为真实地模拟列车荷载作用下轨道结构的振动响应，但该方法也只能 在轨道结构铺设建成后进行。铁道科学研究院和北京城建设计院就用落轴试验的 方法对首都机场线三号航站楼内的轨道结构进行了动力学测试。 对轨道结构振动的理论研究主要是运用机械阻抗法、频响函数分析法、模态 分析法、传递矩阵法、有限元法等研究方法，对轨道结构的振动特性进行研究i i 引。 耿传智、吴觉波在1 9 9 5 年首次将模态分析理论应用于轨道结构振动特性的研 究中，介绍了轨道结构动力响应的振型叠加法，采用传递特性分析评价了轨道结 构减振隔振的措施【1 3 1 。齐法琳、罗林、管迪华探讨了利用模态分析及模态综合方 法分离出枕下系统的传递特性函数以对其进行系统及参数辨识【l 训。丁德云、刘 维宁、张宝才、孙晓静、也利用模态分析的原理，对浮置板轨道结构进行了研究， 并得出钢弹簧各项参数的变化对轨道结构振动特性的影响【1 5 - 1 6 】。 徐志强、姚京川、杨宜谦、高芒芒、孙宁、y u a nj 、m e n gz b 、w um z 、d e g r a n d e g 、m f m h u s s e i n 、h e m h u n t 利用有限元方法，对车辆一轨道一橡胶支承浮置 板系统进行耦合动力学计算，分析浮置板轨道结构动力学性能、车辆动力学性能、 浮置板轨道结构的隔振效果【1 卜1 9 】。 王其昌在1 9 9 2 年提出用落轴法分析研究轨道冲击响应1 2 0 1 。耿传智、朱剑月、 练松良、王继军在理论分析的基础上，对弹性支承块及短轨枕埋入式整体道床轨 道结构的动力性能进行动力学仿真计算，并用现场实测数据进行验证，对上述轨 道结构落轴冲击荷载作用下的动力性能进行了详细的讨论【2 1 彩】。 吴川、刘学文、黄醒春、l iz g 、w ut x 将浮置板轨道结构视为一个隔振黑匣 子，定义质量比、刚度比、阻尼比以反映该隔振系统的物理特性，推导该系统的 运动方程；用傅氏变换的方法将其从时间一空间域转换到频率一波数域，研究系 统传递特性( 弥散方程及传递率) ，从而深入探讨短型浮置板轨道结构形式的变化 对系统隔振效果的影响幽。2 5 j 。 王炯、吴天行、g u p t as ，d e g r a n d eg 等人根据结构动力学原理建立了长、短两 种浮置板轨道的计算模型，并对其隔振性能进行了分析和比较【1 6 】。 1 1 2 2 研究现状 1 1 2 2 1 城市轨道交通振动研究现状 1 8 6 3 年世界上第一条地铁在英国伦敦建成，但传统的轨道结构体系运行过程 中产生的振动对附近地面建筑物有很大影响。2 0 世纪6 0 年代开始使用橡胶垫板以 达到轨道减振的目的，但是起初的橡胶垫板设计还不能满足敏感性较大的建筑物 的要求。最早隔离地铁对建筑物振动的影响的是1 9 6 6 年英国的阿尔贝尼民事法院， 采用叠层橡胶作为隔振结构。7 0 年代日本和欧洲高速铁路开始关注振动问题。8 0 至9 0 年代联邦德国工业技术大学、慕尼黑工业大学、英国d e r b y 铁路技术中心等 4 都对无砟轨道的减振进行了大量试验【2 6 1 。 早在1 9 6 3 年，英国人w i l s o n 就在一篇报告中提到了铁路振动和噪声，并投入 了大量的人力物力进行研究，取得了很大的成效。英国铁路管理局研究发展部技 术中心，面对公众的强烈反映，对车辆引起的地面振动进行了测试，主要就行车 速度、激振频率和轨道参数的相关关系以及共振现象进行了试验研究。瑞士联邦 铁路和国际铁路联盟( u i c ) 实验研究所( o i 垣) 共同执行了一项计划，以a z a c h 和c x r u t i s h a u s e r 为首的研究小组，研究了地铁列车和隧道结构的振动频率及加速 度特征，从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构 振动影响的途径。美国g pw i l s o n 等针对铁路车辆引起的振动，提出了通过改善道 床结构形式( 采用浮置板式道床) 和改变车辆转向架构造以减少轮轨接触力的方 法，降低地铁车辆引起的振动的建议暖7 1 。 日本是振动环境污染最为严重的国家之一，在其“公害对策基本法中，明 确将振动作为七个典型公害之一，还规定了必须采取有效措施限制振动。在“限 制振动法 中，特别对交通振动提出了相应的控制要求。t f u j i k a k e 、青木一郎和 k h a y a k a w a 等分别就交通车辆引起的结构振动发生机理，振动波在地下和地面的 传播规律及其对周围居民的影响进行了研究，提出了周围环境振动水平的预测方 , 津 2 s - 2 9 1 1 o 在轨道交通新建线的规划和设计的最初阶段应对其进行振动环境影响评价， 并应考虑对机车车辆运行过程中所产生的振动的控制措施，以及由其进一步引发 的周边建筑物振动和相应的振动控制和减振措施。为此，德国的j m e l k e 等提出了 一种基于脉冲激励和测试分析的诊断测试方法，预测市区铁路线附近建筑物地面 振动水平，并通过不同测点数据的传递函数分析研究振动波的传播规律【3 0 1 。f e r i c h a r t 和r d w o o d s 等则针对隔振沟和板桩墙等隔振措施进行了试验研究。 h a n s g e o r gw a g n e r 对钢弹簧浮置板轨道结构频率方面的振动特性做了介绍并提 出了设计依据。不仅研究了浮置板式轨道的固有频率，还提出了轨道部件的刚度、 阻尼匹配的问题【3 1 1 。r c u i 和c h c h e w 针对浮置板轨道结构的减振要求，从设计 和仿真模型的角度，指出浮置板轨道的设计质量必须超过车载的平均质量【3 2 1 。为 了保证在列车静载下浮置板轨道的钢轨磨耗在允许范围内，浮置板轨道的最大位 移不得大于3 m m 。设计时，浮置板自振频率应不大于1 0 h z ，使用后由于疲劳或老 化作用，这一固有频率将增加到1 2 。2 4 h z 左右。然而，1 0 h z 以内的浮置板固有频 率仍不能足以完全缓解振动。而使用后的十几赫兹频率极易引起共振，为此提出 将自振频率降低到7 h z 。d l j 此外，西班牙、捷克等国在这些方面也做了大量的测试、调查和研究工作。 通过对几种不同场地土的测试结果进行统计，分析了列车引起的地面振动波的传 播和衰减特性，并从降低行车速度、减轻荷载重量、提高路面平整度等方面提出 了减少振害的措施【3 3 斟】。 我国城市建设虽然起步较晚，但随着现代化进程的深入，城市轨道交通系统 逐渐形成大规模发展的趋势。轨道交通系统因其具有运量大、速度快、安全可靠、 对环境污染小、占用地面道路少等优点，成为缓解城市交通拥挤和减少污染的一 种有效手段。 虽然目前我国对城市轨道交通的减振研究尚处于初级阶段，但是在轮轨关系、 轮轨相互作用、车辆一轨道耦合动力学以及轨道结构振动分析等方面，我国学者 也作了相应的工作，并取得了一定成果。 目前国内关于地下轨道交通振动的研究主要集中在对振源的研究以及隧道结 构及地层整体动力响应的分析。前者的研究主要是建立车辆一轨道系统动力学模 型，通过计算得到地铁列车运行对地铁隧道产生的激励力。石家庄铁道学院的张 玉娥对现场测试钢轨加速度进行了频谱分析，得出由于地铁列车振动引起的轨道 振动加速度的数学表达式，并根据车辆系统振动简化模型，建立模拟轮系的运动 方程，从而推导出地铁列车振动载荷。北京交通大学的刘维宁通过建立地铁车辆 一轨道系统动力学模型，以及n e w m a r k 逐步积分法得到车辆一轨道系统作用于隧 道结构上的载荷。在此基础上进一步对隧道结构及地层的整体动力响应进行分析， 建立隧道结构一地层的动力学模型，得到模型动力学方程，采用数值方法求解得 到整个模型的响应。北京交通大学王逢朝、兰州铁道学院潘昌实、同济大学孙钧 等都是采用这种方法进行轨道交通振动分析的。 1 1 2 2 2 轨道结构减振措施研究现状 轨道结构包括钢轨、扣件、轨下基础及其他相关设备。其中钢轨、扣件、各 垫层和轨下基础与减振的关系最为密切。减振轨道结构主要通过对这几部分的相 关参数进行优化，以达到减振的目的。 在振动的控制方面，振动源、传递介质和接受者是振动传递过程中的三个重 要的环节，如图1 4 所示。 厂 广 厂 i振动源一卜_ 叫传递介质一卜叫接受者一i 1 - j 【一【- j 图l - 4 振动传递过程 f i g 1 - 4v i b r a t i o nt r a n s f e rp r o c e s s 与这三个主要环节相应，振动控制可以从以下三个方面入手：振源控制，减 弱振源的振动；传播过程的控制，在传播过程中采取措施吸收或隔断振动，以减 弱到达受体时的振动强度；接受体的控制，采取措施降低受体处的振动和噪声， 减少对接受者的危害。 6 在轨道结构领域应用地比较广泛的振动控制技术主要包括：控制振动源振动、 修改受体结构、阻尼减振、动力吸振、振动隔离等方法。 1 、控制振动源振动 虽然振动的控制可以针对振源、传递介质以及接受者三个环节采取相应措施。 但只要振动已经产生并向周围传播，再进行衰减不但十分困难而且费用很高。因 此，对振源采取控制措施是最为经济有效的方法。 对于普通轮轨系统，在机车车辆运行过程中，钢轨直接与车轮发生相互作用， 轮轨接触是钢轨振动的源头，所以轨道的减振措施必然要涉及到钢轨。目前针对 钢轨所采取的减振措施主要为：铺设无缝线路、保持钢轨表面平顺、采用减振降 噪钢轨、钢轨动力吸振器以及重型钢轨等。 无缝线路消除了钢轨接头，很大程度上提高了轨面的平顺性，从而达到了减 振的目的。车辆在钢轨接头处产生的振动是非接头的3 倍，因而铺设无缝线路， 减少钢轨接头，可大大减少轨道结构振动源强。减振降噪型钢轨一般带有弹性垫 层和阻尼材料，可显著地减小钢轨的振动。重型钢轨不仅能增强轨道的稳定性， 减少养护维修工作量和降低车辆运行能耗，并且能减少钢轨承受的冲击载荷。资 料表明，车辆在6 0 k g m 钢轨上运行产生的振动较5 0 k g m 钢轨降低1 5 d b 3 5 】。 2 、修改受体结构 该方法为在不附加子系统的情况下，通过修改接受体的质量、刚度与阻尼等 动力学特性参数使振动满足预定的要求。例如，与传统无砟轨道相比，浮置板轨 道结构通过在道床板下串联弹性隔振元件，以降低板下支承刚度，从而降低轨道 结构的固有频率。同时，还可以增大其参振质量、减小其弹性隔振元件的刚度， 以进一步降低其固有频率。另外，可以通过增大结构的阻尼，削减动力响应共振 峰值。 3 、动力吸振 在振动接受体上附加一个子系统使得某一或某些频率的振动得到控制，称为 动力吸振，即利用它产生吸振力以减小接受体对振源激励的响应。 列车在运行时，由于轨枕的不连续支承以及钢轨不平顺的存在，车轮与钢轨 间存在着高频率的相互作用，钢轨会产生“p i n n e d p i n n e d ”振动，该振动的频率 主要受钢轨类型以及轨枕间距的影响。针对钢轨的这种高频振动，可以采用钢轨 动力吸振器以达到减振的目的。钢轨动力吸振器如图1 5 所示。此外，列车车轮 和桥梁等结构也采用动力吸振原理进行减振。 4 、阻尼减振 该方法是指通过附加阻尼器或阻尼原件，以消耗能量、降低响应。阻尼可使 沿结构传递的振动能量衰减，还可减弱共振频率附近的振动。阻尼材料一般应具 7 有内磨耗性和内摩擦性，比如沥青、软橡胶以及其他高分子涂料。 减振降噪型钢轨，如图1 6 ( a ) 所示，通过在钢轨外侧粘上一层橡胶后，再 粘上一层钢板，增大参振质量的同时使用高阻尼橡胶以衰减振动，同时也起到一 定的动力吸振的作用。图1 - 6 ( b ) 所示，为在钢轨外侧粘贴阻尼材料以衰减钢轨 横向及竖向振动。 图1 5 钢轨动力吸振器 f i g 1 5d y n a m i cv i b r a t i o na b s o r b e r o nr a i l s 5 、振动隔离 ( a ) 图1 - 6 减振降噪型钢轨 f i g 1 _ 6v i b r a t i o na n d n o i s er e d u c t i o nr a i l 振动隔离也叫隔振，其控制振动的主要方法为控制振动的传输过程，使其传 输不出去或着减少传输出去的比例，从而消除或者减弱振动对接受体造成的影响。 该方法通常是在振源与接受体之间串加一个或一系列子系统以实现隔振，用以减 小接受体对振源激励的响应。如图1 7 所示。 图1 7 橡胶垫和钢弹簧支承隔振轨道结构 f i g 1 7v i b r a t i o ni s o l a t i o ns l a bt r a c k sw i t hr u b b e rm a t a n ds t e e ls p i n gb e a r i n g s 轨道结构隔振问题均属于第一类隔振问题，简称为隔力，即将振源与地基、 基础隔离，减小振源的激振力向地基或各类基础传递。 轨道交通中轮轨作用产生的振动是通过轨下各个部件向外传播的，而且离钢 8 轨越远其振动频率越低。一般来讲，轨下刚度越小隔离中低频振动的效果越好。 但并非所有轨道部件的刚度越小，轨道使用状况就越好。从轨道结构整体来看， 各个部件的弹性隔振层的刚度系数应当匹配，才能达到最佳的隔振效果。 在减振轨道结构及各部件中，以下几种应用较为广泛。 1 、钢轨弹性扣件 双重弹性扣件，双重弹性指轨下有弹性垫层，轨底顶面有弹性扣压件。我国 w j 2 、d t i i i 型扣件均为双弹性扣件。双垫层弹性扣件，是指轨下铺设有铁垫板， 铁垫板上下各铺设有弹性垫层和调高垫层，轨底顶面有弹性扣压件。这样可以更 好的满足调高和减振的需要。 “科隆蛋”型弹性扣件，如图1 8 所示，最初用于德国科隆市地下铁道，其 刚度最低约为7 x 1 0 6 n m ，属于剪切型弹性扣件。常用的有科隆蛋减振器( 可减少 3 一5 d b ) 、改进型科隆蛋减振器( 可减少7 - - 一s d b ) 和新型减振弹性扣件。德国科 隆、美国华盛顿、法国巴黎、上海、北京、新加坡等多条地铁线路部分地段中均 采用了该类型扣件【3 们。 先锋扣件，如图1 - 9 所示，与传统的扣件系统相比，垂直刚度较小。因此， 允许钢轨有较大的垂直变形，但可控制钢轨过度的扭转变形，有利于保证轨道的 稳定性；能有效地降低列车振动传递到道床及其地面，达到轨道高减振的需求1 3 7 】。 图1 8 “科隆蛋”型弹性扣件 f i g 1 - 8c o l o g n e - e g g e l a s t i cf a s t e n e r 2 、枕下垫层与减振轨枕 图1 - 9 先锋扣件 f i g 1 - 9v a n g u a r df a s t e n e r 在枕下和枕侧粘贴或者套上弹性垫层可获得良好的减振效果，如图1 1 0 所 示。枕下弹性垫层可获得平均1 0 d b 的减振效果。将钢轨弹性扣件、枕下弹性垫层 以及碎石道砟相结合，可以达到较好的减振效果。据日本铁路测得的数据，当行 车速度为7 0 k m h 时，距轨道中心1 0 m 处地基的振动可降低2 - - 一4 d b 。 与传统的钢筋混凝土枕不同，弹性轨枕是用具有一定弹性的材料制成的，如 图1 1 1 所示。其弹性系数介于木枕和混凝土枕之间，日本铁