轨道交通高架桥梯形轨枕轨道降噪分析
摘 要:通过在北京地铁5号线高架桥梯形轨枕轨道试验段上进行的现场噪声测试,对比分析列车通过梯形轨枕轨道和普通板式轨道时桥梁附近的噪声,研究梯形轨枕轨道的噪声频谱特性及随列车速度变化的规律。测试结果表明:梯形轨枕轨道的降噪能力明显优于普通板式轨道,从时域看,噪声随着列车速度的增加而增加,但是梯形轨枕轨道的噪声值比普通板式轨道低;从频域看,噪声主要集中在60~4 000 Hz范围内,在轨道附近测点和25 m处测点处以1 000 Hz以上的高频轮轨噪声为主,在梁底测点处100~150 Hz范围内的低频结构噪声占很大比重;在1~4 Hz和30~1 000 Hz频域范围内,梯形轨枕轨道的噪声比普通板式轨道平均低6 dB;在4~30及1 000 Hz以上频域范围, 2种轨道的噪声水平相当。
关键词: 城市轨道交通; 高架桥; 梯形轨枕轨道; 普通板式轨道; 降噪性能
轨道交通在提供巨大的交通便利的同时,其产生的噪声对环境的影响已经引起社会的广泛关注[1-5]。防治噪声和最大限度地减少噪声造成的损害,对城市的环境保护及城市轨道交通本身的健康发展都具有十分重要的意义。为了降低城市轨道交通产生的噪声,国内外学者从噪声源机理和工程实践两方面研究出各种减振降噪措施,特别是对新型减振轨道的研究[6-11],已形成了一系列成熟的减振产品,其中应用较广泛的是钢弹簧浮置板减振轨道和梯形轨枕减振轨道。
梯形轨枕轨道在日本已成功地应用于羽田机场线、空港联络线和常磐新线等需要减振降噪的地铁和高架轨道交通中,总铺设长度为5 km[12]。美国佛罗里达州铺设了99 m长的试验段。日本近年来的理论分析和应用实践证明,梯形轨枕轨道系统不仅具有轻量化质量—弹簧系统、减振降噪性能好、大幅度减少维护管理成本等优越性,还具有改善车辆—轨道结构相互作用系统的动力特性、提高运行车辆安全性和舒适性的特点[13,14]。在我国,北京地铁5号线天通苑至天通苑北站间的高架线路铺设了171 m的梯形轨枕试验段;北京地铁4号线铺设梯形轨枕轨道总长度达7.7 km;广州地铁2号线和8号线以及上海地铁2号线也部分采用了梯形轨枕减振轨道。在北京地铁5号线正式运营前后,曾多次进行了振动和噪声测试。本文根据在试验段进行的噪声现场测试结果,分析比较梯形轨枕轨道和普通板式轨道的降噪能力。
1 梯形轨枕轨道系统简介
1.1 梯形轨枕轨道构造
梯形轨枕轨道是1种新型的低噪音、低振动的轨道系统。其中,梯形轨枕由一定间隔的减振垫支撑在L型钢筋混凝土台座上,如图1所示。梯形轨枕每块净长度为6.15 m,轨枕与轨枕间的间距为0.1 m。通过调整L型台座及垫块高度,可实现梯形轨枕在竖曲线和平面曲线区段内的应用。
1.2 梯形轨枕工作机理
在梯形轨枕轨道系统中,沿梯形轨枕的3个方向设置聚氨酯减振垫来约束轨枕振动,减弱轨道传递到桥梁上的振动强度,降低结构噪音(见图1)。轨道纵向水平力由设于纵梁侧面突出部分两侧的纵向减振垫承受,轨道横向水平力由轨枕侧面的横向减振垫承受,轨道的竖向力则是通过轨枕底部的垂直减振垫传递到L型台座上,然后再传递到桥梁上。在梯形轨枕轨道中,预应力混凝土纵梁与钢轨用扣件连接在一起,共同承载列车竖向荷载,形成“复合轨道”,而横向力依靠连接钢管在轨枕纵梁间进行传递。
2 梯形轨枕轨道降噪性能现场试验
2008年11月5日和6日,北京交通大学和日本铁路综合技术研究所合作,在北京地铁五号线梯形轨枕轨道试验段上进行了现场测试。试验段为跨径3×30 m+3×27 m、总长度为171 m的连续箱梁高架桥。试验段的梯形轨枕轨道铺设在通往天通苑车站的下行方向、普通板式轨道铺设在通往天通苑北站的上行方向。测试断面选在3×27 m跨度连续箱梁中跨的跨中截面,如图2所示。
试验中布置了8个噪声测点:普通轨道旁测点(测点1)、梯形轨枕轨道旁测点(测点2)、梁底正下方0.3 m处测点(梁底0.3 m)、梁中心线正下方测点(中线0)、线路中心线两侧12.5 m测点(东12.5 m和西12.5 m)和25 m处测点(东25 m和西25 m)。桥下5个测点距地面高度为1.2m,轨道附近测点距离轨道顶的垂直距离为0.46m,如图3所示。轨道旁测点和梁底测点采用日本Rion公司的UN-04A型噪声计,桥下测点采用NL—22型噪声计。
试验荷载为5号线上正常运营的轻轨列车,由6节轴重140 kN的车辆组成,总长度为120 m。由于试验段靠近天通苑北站,上行线进站减速,下行线出站加速,因而上下行运行速度不同,下行梯形轨枕轨道的正常通行车速为60~70 km·h-1,而上行普通板式轨道的正常通行车速为40~50km·h-1。在上下行不同速度工况下各测试了30个车次的轨道噪声,分析得到30对数据。为使2种轨道的噪声测试结果具有可比性,测试中上下行各有3个工况的车速控制在50 km·h-1。
列车通过上行线(普通板式轨道)和下行线(梯形轨枕轨道)时各点用打印机记录的典型实测噪声声压时程曲线如图4所示。
由图4可见,除了轨道旁测点的噪声值超过80 dB外,其余各点的噪声值均在70 dB左右。列车通过梯形轨枕轨道和普通板式轨道时的实测最大噪声随车速的变化如图5所示。
列车以50 km·h-1速度通过普通板式轨道时, 轨道旁测点、梁底测点和25 m处测点噪声的1/3倍频程频谱如图6所示。
列车以50 km·h-1控制速度分别通过梯形轨枕轨道和普通板式轨道时梁底测点、梁正下方测点、线路两侧12.5 m测点和25 m测点的最大噪声值见表1。
从图5和表1可见,尽管列车运行速度区间不同,但从噪声随速度变化趋势来看,列车通过梯形轨枕轨道时各测点的噪声比通过普通板式轨道时对称位置测点的噪声低。当将列车上、下行通行速度控制在50 km·h-1时,梁底结构噪声的降低量最大,达到4 dB;梁下测点、12.5 m处测点和25 m处测点的噪声降低量随着与梁中心线距离的增大而分别减小3, 2和1 dB。
从图6 (a)可知,轨道附近噪声的主频率范围为500~1 000 Hz,能量集中在250~4 000 Hz的高频段,其主要成分为轮轨噪声[4];从图6 (b)可以看出,梁底噪声除少量0~4 Hz的低频段外,能量主要集中在60~4 000 Hz频段,在100~150Hz频率范围内出现卓越峰值,说明梁底结构噪声中低频结构噪声占了很大比重,这与轨道附近测点噪声不同;图6 (c)所示的25 m处噪声频谱表明该点噪声和轨道旁测点噪声相似,以高频轮轨噪声为主。对列车通过梯形轨枕轨道时各测点的噪声进行分析可以得到同样的结论。
桥梁结构噪声主测点(梁底中心正下方0.3 m处)的噪声降低量最大,也间接说明梯形轨枕轨道显著降低了桥梁的振动。
列车通行时,梁底测点(梁底0.3 m处)、梁正下方测点(中线0)、12.5 m处测点(东12.5 m或西12.5 m处)的噪声值依次减小。这是因为各点的噪声成分不同:梁底测点的噪声主要成分为梁体的低频结构噪声,由于受梁体的遮挡,轮轨噪声成分较少;与梁底测点相比,梁正下方测点接受的高频轮轨噪声增加,但是受到梁体的遮挡,仍不能充分接收轮轨噪声;从图3可以看出, 12.5 m处测点和25 m处测点距离梁较远,且完全暴露在轮轨噪声的声场中,其噪声成分以能量较高的高频轮轨噪声为主,所以噪声值较梁底测点大。25 m处测点的噪声值低于12.5 m处的噪声值,这说明噪声能量随着距离增大而衰减。
列车以50 km·h-1速度通过梯形轨枕轨道和普通板式轨道时梁底测点噪声的1/3倍频程比较曲线如图7所示。
从图7可见, 2种轨道在不同频段内的降噪能力不同:在1~4 Hz频段,梯形轨枕的噪声比普通板式轨道平均低约8 dB;在4~16 Hz频段,二者噪声水平都很低,无明显差异;在16~30 Hz频段,梯形轨枕轨道的噪声比普通板式轨道高约1.5dB。梯形轨枕的一阶竖向自振频率为20~28 Hz,在16~30 Hz频段梯形轨枕可能处于共振状态,因而测试噪声水平较高;在30~1 000 Hz频段,梯形轨枕轨道的噪声比普通板式轨道平均低4 dB左右;在1 000 Hz以上的高频段噪声主要为轮轨噪声, 2种轨道噪声水平相当。这说明采用梯形轨枕轨道不能显著降低频率在1 000 Hz以上的高频轮轨噪声。因此,如果高架桥周围设施对噪声要求较高,可以采用增设声屏障的方法来减小轮轨噪声对环境的辐射影响。
3 结 论
(1)采用轻质轨枕纵梁、横向连接钢管以及三向分散式弹性支撑设计的梯形轨枕轨道系统可以有效分散列车动力荷载、有效降低1~4 Hz和30~1 000 Hz频段的噪声。
(2)与普通板式轨道相比,梯形轨枕轨道具有良好的降噪性能。
(3)试验分析结果可以为今后城市轨道交通选用梯形轨枕轨道降低噪声提供参考。
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