關于城市地鐵軌道結構減振原則的一些思考

2017-07-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

導讀:本文敘述了我國地鐵的減振軌道結構,分析了目前地鐵減振出現的新情況,進而提出了關于城市地鐵軌道減振原則的思考和討論,建議加強理論和實際相結合、重新思考減振原則、剛度質量和阻尼全面綜合減振、明確管理歸屬、規范管理、公正評估等。

一、問題的提出

隨著我國地鐵線路開通里程的增加,地鐵軌道結構的減振降噪越來越重要。業主的投訴,生活質量的提高,使噪聲這個技術問題逐漸轉化為民生問題,甚至政治問題,倍受社會關注。為此近年來在北京、上海、廣州、深圳、南京等城市地鐵采用了各種減振軌道和措施,減振級別逐步提高,且制定了一些標準。

然而,在我國城市地鐵軌道減振取得很大成績和成果的同時,接踵而來的是波磨出現、車內噪聲加大等問題。如北京地鐵多條減振區段線路較早出現了鋼軌波浪磨耗,有的地段還很嚴重,打磨后很快又出現。近一個多世紀以來,鐵路系統中鋼軌的短波磨耗始終是個尚未解決的難題,鋼軌波磨不僅造成噪聲的污染,而且還增加養護維修費用。

由此引人深思:(1)減振效果dB數字是否越大越好?(2)地鐵軌道開始采用減振措施后,對結構噪聲有意義的振動和車內噪聲同時降低,若采取進一步減振措施,振動誠然會進一步減輕,但滾動噪聲和車內噪聲會進一步減輕嗎?會不會不但不減小,反而增大?等等諸如此類的一系列疑問悠然而生。這提示我們對地鐵軌道結構的減振原則重新思考。

二、城市地鐵軌道結構減振簡介

目前城市地鐵減振分級主要分為初級減振、中級減振、高級減振和特殊減振[]。初級減振的減振效果為5~10dB,主要通過減振扣件來實現,如各種減振扣件和科隆蛋扣件等;中級減振的減振效果為10~15dB,其減振軌道結構主要有先鋒扣件、彈性軌枕、彈性支承塊和梯形軌枕軌道;高級減振的減振效果為15~20dB,其結構主要是浮置板軌道,包括橡膠浮置板軌道和鋼彈簧浮置板軌道,橡膠浮置板軌道根據減振目標的要求分為面支承、線支承和點支承,按彈性支承的特點也稱為面彈性、線彈性和點彈性;特殊減振要求減振效果大于20 dB,一般是采取綜合減振措施方可達到,如在減振效果較好的浮置板軌道的基礎上,采用高彈性軌下墊板、軌腰使用減振隔噪器等。

城市高架橋除了減振外還采取隔噪措施,如隔音墻等,但不能完全隔噪。由于造價等原因,地鐵一般地段采用初級和中級減振。重要減振地段目前效果較好的是浮置板軌道結構。因為這一結構同時采用了質量減振和剛度減振,軌下質量增加3、4倍,剛度減小10—20倍,使板和鋼軌增大了位移到3、4毫米,將相當的輪軌振動能量裝換為浮置板的動能和勢能,從而得到減振目的。

三、城市地鐵軌道結構減振的新情況

隨著城市地鐵減振軌道結構的大量鋪設和運營,出現了一些新的問題,如大量的較早的鋼軌波浪磨耗的出現,地鐵車站和車內噪聲的增大等。這些問題似乎與某些減振軌道和措施有關聯,似乎與過大垂向位移、過小的橫向剛度、過大的軌道位移有關。這就使得城市地鐵軌道結構減振發生了或正在發生新的動向,如如何控制波磨、控制橫向剛度、控制垂向位移、控制車內和站內噪聲、輪軌滾動噪聲的抑制等。

對于鋼軌波浪磨耗,很多城市立專項進行了研究[]。如北京地鐵相關單位組成了課題組進行了試驗、理論和仿真研究,發現波磨與某些減振軌道和措施有關,尤其是與剪切型減振扣件有關,并且研究了波磨與振動頻率、振動模態、曲線半徑等的關系。

四、對城市地鐵軌道結構減振原則的思考和討論

綜上所述,對城市地鐵軌道結構減振原則提出如下思考和討論。

(1)不宜單純的追求減振效果,應因地制宜,全面考慮

鐵路軌道結構總體要求是質量均衡、彈性連續、結構等強、合理匹配、因地制宜。質量均衡是指軌道沿縱向和垂向的質量要均衡配置;彈性連續是指軌道的彈性等參數要連續不可突變,以防止動力不平順等缺陷;結構等強是指軌道各部件受力均勻,使用壽命盡量相近,強度發揮到最大;合理匹配就要求各部位各參數合理匹配,協調一致,共同受力;因地制宜是按地鐵實際地質環境等的不同,采用不同的減振結構和措施,如地鐵內地下水的情況,是砂土層還是巖層,是否有有害氣體等。

比如橡膠浮置板軌道的隔離式橡膠墊不但可減振,又可隔離有害氣體,防水防潮防銹,保證旅客不受有害氣體侵襲,延長軌道結構部件尤其是鋼構件的使用壽命?，F在評價一種減振結構產品,一般只是檢測其降低了多少dB,作為減振效果比較,沒有考慮減振區段和比較(非減振)區段的地質狀況的區別,也沒有考慮不同產品區段的地質情況區別,更沒有考慮該減振產品的其他作用。比如砂土層區段和巖層區段的地鐵軌道減振結構,巖層區段的對應地面的減振效果可能就好,砂土層區段的減振效果就可能差,因為砂土層本身就起到了一定的減振作用,已經降了一些dB,而該區段的減振結構降的dB數值就少了。

(2)理論研究應緊緊結合實際

目前我國的有些研究和實際嚴重脫節,在地鐵減振領域也有同感,理論研究如復雜的力學模型、仿真模擬等越來越深,也研究出了很多成果。但理論再深,模型再復雜,參數選擇不對就得不到正確結論。恰恰和實際有重大關系的參數研究等被忽視了。比如不平順譜的選擇,有的選美國譜又是什么譜的作為輸入。可是美國鐵路的譜和我國地鐵的譜能一樣嗎?連規范都不一樣,難道維修保養的軌道能一樣嗎?美國的鐵路軌道結構有可能是有碴軌道,而我國地鐵現在多數是無碴軌道。另外檢測到的實際不平順譜是振動系統的輸出,而不是輸入,尤其是橫向不平順譜包含了輪對蛇形運動,把它(輸出)作為輸入再計算響應(輸出),有一定誤差,只能定性反應,不能定量。

由于理論研究和實際脫節,以致當地鐵軌道鋼軌出現波磨了,再重新立項研究。另外,調查研究結果表明我們引進的有些減振結構如剪切型減振扣件軌道波磨嚴重。這說明研究滯后還是研究超前?說明我們有些研究脫離了實際,應該扎扎實實結合實際進行研究。

(3)管理到位,規范各種減振結構和產品,客觀公正評價減振效果

我國鐵路歸屬鐵道部統一管理,其技術產品有明確的嚴格的檢測、認證和準入制度,設置明確的檢測評價機構。由于我國城市地鐵的特殊性,管理歸屬不明朗,地鐵軌道的技術管理就更模糊,到底是鐵道部管,還是建設部管,還是發改委管,或者是學會管,學會也不止一個管,以致管理不到位。今后應明確技術管理歸屬,規范管理,加強技術和產品的管理,制定減振原則。成立一個公認的機構或學會,客觀地公正地全面地綜合地評價減振產品和減振效果,以便業主選用。

目前我國的減振產品很多,有源于日本的,有源于德國的,有源于英國的。引進技術和產品非常必要,但也不能盲目引進。有的產品國外都不用了,我們卻大量推廣。有的國外的減振產品根本不是用在地鐵,我國卻在地鐵大量使用。有的在國外使用幾十年了,我們卻懷疑其耐久性。

當然我國的國情也要考慮,并不是國外用得好,我國就一定要用,但國外用與不用總有其道理吧。有的產品我們還沒有把用與不用的道理搞清,就盲目引進,上海引進的磁懸浮鐵路技術就是例子。再如某一段地鐵在對減振軌道類型的選擇時,認為橡膠浮置板的橡膠減振墊耐久性不行。但當業主去德國等歐洲調研時,發現德國地鐵減振地段幾乎全部使用橡膠浮置板,其他歐洲國家也基本上使用橡膠減振產品,最長的已經使用37年。我們不禁自問:他們為什么全用橡膠呢?他們沒有考慮耐久性?這說明要引進一種減振產品時,應對其在外國的使用情況、適用條件、使用效果等調查清楚,不可盲目引進。

(4)依據振動理論,各種參數優化組合,合理匹配,綜合減振

單自由度彈簧-質量體系的振動方程,人們非常熟悉,現寫出如下:

ma+cv+ky=P(t)

從這個振動方程中可得減振渠道有3條:

通過質量m減振,即增大質量m, 如果上式中不考慮第2、3項,則a=P/m,質量m增大了,振動加速度a將減小,得到了減振目的,稱為質量減振;
通過阻尼c來減振,增大阻尼c,消耗振動能量,稱為阻尼減振;
通過剛度k減振,即減小剛度k,增加位移,在上述振動方程中如果只考慮剛度的影響,則位移y=P/k,減小剛度后,彈性大大增加,得到減振目的,稱為剛度減振。

同時由于剛度減小位移y加大,對于浮置板來說,位移加大后,質量m產生很大位移,吸收了能量,相當于輪軌振動的一部分能量轉化為浮置板的動能和勢能。一般軌道的鋼軌位移為1.5mm左右,浮置板軌道鋼軌的位移達4mm、5mm,德國的浮置板軌道位移達6、7mm。系統的固有頻率和剛度k與質量m的比值的開方成正比(下式),浮置板軌道加大了質量m,比值減小,頻率就降低;減小剛度k,比值同樣減小,頻率再降低。減小剛度,增大位移,增大質量,能量轉化,降低頻率,這是浮置板軌道結構的減振真諦。

然而過小剛度k、過大位移y會不會帶來一些波磨等問題?垂向剛度減小導致橫向剛度過小,是否會降低行車的橫向穩定性和安全性?這些新的問題引發人們思考。從振動方程中可以看出,不必要一味地較小剛度k增加位移,可以在一定剛度和位移的情況下增加阻尼c,再增加質量m等綜合減振措施,同樣可以減小傳遞函數,減小動剛度,同樣可以得到良好的減振效果。深圳地鐵等正在編制的規范,準備將浮置板減振軌道鋼軌的最大位移限制在4mm,浮置板位移限制在3mm,這是明智之舉。

(5)減振與隔噪

減振了就得到了降噪,減振和降噪是一個意思一個效果,所以這里提出了減振隔噪。目前軌道減振得到了大的發展,但車站噪聲和車內噪聲似乎有加大跡象。為此推測減振降噪的效果:在初級和中級減振時,隨著在軌下和板下采取減振措施的力度加大,減振效果就越好,車站車內降噪效果也越好;當減振力度進一步加大時,減振效果繼續趨好,而車站和車內噪聲可能不再減小,反而增大,也就是所謂的反射效應;所以推測減振是有限度的,在限度之下,減振即可降噪,而在之上,減振降不了噪;因此在這種情況下應采取其他措施,如采取軌腰減振隔噪器、車廂材料處理、隧道襯砌表面材料處理、軌道結構表面處理等綜合措施,實現減振降噪隔噪。

(6)城市高架橋噪聲處理棘手

城市高架橋既有空氣噪聲也有二次結構噪聲,隔音墻、聲屏障隔音隧道并未徹底解決空氣噪聲,如北京北站采用隔音隧道后空氣噪聲仍然很大,隨著社會經濟的快速發張原來的野外地鐵市郊高架線周邊很快出現了高樓大廈,這些都促使地鐵在高架橋段的減振趨向——高級減振、特殊減振。如何徹底解決城市高架橋空氣噪聲和二次結構噪聲問題,迫在眉睫,勢在必行。

本文來源百度文庫《減振原則》,作者王博、封昌玉、岳渠德。

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