關(guān)于城市地鐵軌道結(jié)構(gòu)減振原則的一些思考

2017-07-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

導(dǎo)讀:本文敘述了我國地鐵的減振軌道結(jié)構(gòu),分析了目前地鐵減振出現(xiàn)的新情況,進(jìn)而提出了關(guān)于城市地鐵軌道減振原則的思考和討論,建議加強(qiáng)理論和實際相結(jié)合、重新思考減振原則、剛度質(zhì)量和阻尼全面綜合減振、明確管理歸屬、規(guī)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(jié)構(gòu)的減振降噪越來越重要。業(yè)主的投訴,生活質(zhì)量的提高,使噪聲這個技術(shù)問題逐漸轉(zhuǎn)化為民生問題,甚至政治問題,倍受社會關(guān)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(biāo)準(zhǔn)。

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(xiàn)、車內(nèi)噪聲加大等問題。如北京地鐵多條減振區(qū)段線路較早出現(xiàn)了鋼軌波浪磨耗,有的地段還很嚴(yán)重,打磨后很快又出現(xiàn)。近一個多世紀(jì)以來,鐵路系統(tǒng)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(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

由此引人深思:(1)減振效果dB數(shù)字是否越大越好?(2)地鐵軌道開始采用減振措施后,對結(jié)構(gòu)噪聲有意義的振動和車內(nèi)噪聲同時降低,若采取進(jìn)一步減振措施,振動誠然會進(jìn)一步減輕,但滾動噪聲和車內(nèi)噪聲會進(jìn)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(jié)構(gòu)的減振原則重新思考。

二、城市地鐵軌道結(jié)構(gòu)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(xiàn),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)減振目標(biāo)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(dá)到,如在減振效果較好的浮置板軌道的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)。因為這一結(jié)構(gòu)同時采用了質(zhì)量減振和剛度減振,軌下質(zhì)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(dāng)?shù)妮嗆壵駝幽芰垦b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(jié)構(gòu)減振的新情況

隨著城市地鐵減振軌道結(jié)構(gòu)的大量鋪設(shè)和運(yùn)營,出現(xiàn)了一些新的問題,如大量的較早的鋼軌波浪磨耗的出現(xiàn),地鐵車站和車內(nèi)噪聲的增大等。這些問題似乎與某些減振軌道和措施有關(guān)聯(lián),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(guān)。這就使得城市地鐵軌道結(jié)構(gòu)減振發(fā)生了或正在發(fā)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(nèi)和站內(nèi)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(jìn)行了研究[]。如北京地鐵相關(guān)單位組成了課題組進(jìn)行了試驗、理論和仿真研究,發(fā)現(xiàn)波磨與某些減振軌道和措施有關(guān),尤其是與剪切型減振扣件有關(guān),并且研究了波磨與振動頻率、振動模態(tài)、曲線半徑等的關(guān)系。

四、對城市地鐵軌道結(jié)構(gòu)減振原則的思考和討論

綜上所述,對城市地鐵軌道結(jié)構(gòu)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(yīng)因地制宜,全面考慮

鐵路軌道結(jié)構(gòu)總體要求是質(zhì)量均衡、彈性連續(xù)、結(jié)構(gòu)等強(qiáng)、合理匹配、因地制宜。質(zhì)量均衡是指軌道沿縱向和垂向的質(zhì)量要均衡配置;彈性連續(xù)是指軌道的彈性等參數(shù)要連續(xù)不可突變,以防止動力不平順等缺陷;結(jié)構(gòu)等強(qiáng)是指軌道各部件受力均勻,使用壽命盡量相近,強(qiáng)度發(fā)揮到最大;合理匹配就要求各部位各參數(shù)合理匹配,協(xié)調(diào)一致,共同受力;因地制宜是按地鐵實際地質(zhì)環(huán)境等的不同,采用不同的減振結(jié)構(gòu)和措施,如地鐵內(nèi)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(jié)構(gòu)部件尤其是鋼構(gòu)件的使用壽命?，F(xiàn)在評價一種減振結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(qū)段和比較(非減振)區(qū)段的地質(zhì)狀況的區(qū)別,也沒有考慮不同產(chǎn)品區(qū)段的地質(zhì)情況區(qū)別,更沒有考慮該減振產(chǎn)品的其他作用。比如砂土層區(qū)段和巖層區(qū)段的地鐵軌道減振結(jié)構(gòu),巖層區(qū)段的對應(yīng)地面的減振效果可能就好,砂土層區(qū)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(jīng)降了一些dB,而該區(qū)段的減振結(jié)構(gòu)降的dB數(shù)值就少了。

(2)理論研究應(yīng)緊緊結(jié)合實際

目前我國的有些研究和實際嚴(yán)重脫節(jié),在地鐵減振領(lǐng)域也有同感,理論研究如復(fù)雜的力學(xué)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(fù)雜,參數(shù)選擇不對就得不到正確結(jié)論。恰恰和實際有重大關(guān)系的參數(shù)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?？墒敲绹F路的譜和我國地鐵的譜能一樣嗎?連規(guī)范都不一樣,難道維修保養(yǎng)的軌道能一樣嗎?美國的鐵路軌道結(jié)構(gòu)有可能是有碴軌道,而我國地鐵現(xiàn)在多數(shù)是無碴軌道。另外檢測到的實際不平順譜是振動系統(tǒng)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(yùn)動,把它(輸出)作為輸入再計算響應(yīng)(輸出),有一定誤差,只能定性反應(yīng),不能定量。

由于理論研究和實際脫節(jié),以致當(dāng)?shù)罔F軌道鋼軌出現(xiàn)波磨了,再重新立項研究。另外,調(diào)查研究結(jié)果表明我們引進(jìn)的有些減振結(jié)構(gòu)如剪切型減振扣件軌道波磨嚴(yán)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(yīng)該扎扎實實結(jié)合實際進(jìn)行研究。

(3)管理到位,規(guī)范各種減振結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品,客觀公正評價減振效果

我國鐵路歸屬鐵道部統(tǒng)一管理,其技術(shù)產(chǎn)品有明確的嚴(yán)格的檢測、認(rèn)證和準(zhǔn)入制度,設(shè)置明確的檢測評價機(jī)構(gòu)。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(shù)管理就更模糊,到底是鐵道部管,還是建設(shè)部管,還是發(fā)改委管,或者是學(xué)會管,學(xué)會也不止一個管,以致管理不到位。今后應(yīng)明確技術(shù)管理歸屬,規(guī)范管理,加強(qiáng)技術(shù)和產(chǎn)品的管理,制定減振原則。成立一個公認(rèn)的機(jī)構(gòu)或?qū)W會,客觀地公正地全面地綜合地評價減振產(chǎn)品和減振效果,以便業(yè)主選用。

目前我國的減振產(chǎn)品很多,有源于日本的,有源于德國的,有源于英國的。引進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品非常必要,但也不能盲目引進(jìn)。有的產(chǎn)品國外都不用了,我們卻大量推廣。有的國外的減振產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)品我們還沒有把用與不用的道理搞清,就盲目引進(jìn),上海引進(jìn)的磁懸浮鐵路技術(shù)就是例子。再如某一段地鐵在對減振軌道類型的選擇時,認(rèn)為橡膠浮置板的橡膠減振墊耐久性不行。但當(dāng)業(yè)主去德國等歐洲調(diào)研時,發(fā)現(xiàn)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(chǎn)品,最長的已經(jīng)使用37年。我們不禁自問:他們?yōu)槭裁慈孟鹉z呢?他們沒有考慮耐久性?這說明要引進(jìn)一種減振產(chǎn)品時,應(yīng)對其在外國的使用情況、適用條件、使用效果等調(diào)查清楚,不可盲目引進(jìn)。

(4)依據(jù)振動理論,各種參數(shù)優(yōu)化組合,合理匹配,綜合減振

單自由度彈簧-質(zhì)量體系的振動方程,人們非常熟悉,現(xiàn)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(zhì)量m減振,即增大質(zhì)量m, 如果上式中不考慮第2、3項,則a=P/m,質(zhì)量m增大了,振動加速度a將減小,得到了減振目的,稱為質(zhì)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(zhì)量m產(chǎn)生很大位移,吸收了能量,相當(dāng)于輪軌振動的一部分能量轉(zhuǎn)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(dá)4mm、5mm,德國的浮置板軌道位移達(dá)6、7mm。系統(tǒng)的固有頻率和剛度k與質(zhì)量m的比值的開方成正比(下式),浮置板軌道加大了質(zhì)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(zhì)量,能量轉(zhuǎn)化,降低頻率,這是浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振真諦。

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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(dǎo)致橫向剛度過小,是否會降低行車的橫向穩(wěn)定性和安全性?這些新的問題引發(fā)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(zhì)量m等綜合減振措施,同樣可以減小傳遞函數(shù),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(guī)范,準(zhǔn)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(fā)展,但車站噪聲和車內(nèi)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(nèi)降噪效果也越好;當(dāng)減振力度進(jìn)一步加大時,減振效果繼續(xù)趨好,而車站和車內(nèi)噪聲可能不再減小,反而增大,也就是所謂的反射效應(yīng);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(yīng)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(jié)構(gòu)表面處理等綜合措施,實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)張原來的野外地鐵市郊高架線周邊很快出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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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