聚氨酯减振垫与橡胶减振垫浮置板轨道振动控制效果分析

何鉴辞1,2,王 平1,2,唐 剑1,2,赵才友1,2,易 强1,2

(1.高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

摘 要：为了研究两种不同材料减振垫浮置板轨道的减振效果,以深圳某新建地铁线路隧道段为研究对象,测试了60 km/h的速度下聚氨酯减振垫轨道、橡胶减振垫轨道和普通道床轨道的振动响应,通过引入铅锤Z振级进行综合评价,分别在时域和频域内对两种减振垫轨道、普通道床轨道的振动特性进行对比分析,结果表明：(1)两种减振垫浮置板轨道结构均在10 Hz左右发生共振；(2)两种材料减振垫轨道在40 Hz范围内都没有减振效果；(3)聚氨酯减振垫相比橡胶减振垫减振效果更好,且减振频域更宽。

关键词：聚氨酯减振垫；橡胶减振垫；浮置板； Z振级；减振效果

随着城市化的进程日益加快，城市轨道交通得到了迅猛的发展，列车行驶过程中会产生振动，由此会对城市建筑物产生不利影响，建筑物振动产生的二次噪声又会给城市居民造成困扰。因此，在工程实践中，如何将城市轨道交通的振动减小到环境影响允许范围之内就成了很重要的任务[1-2]。

在地铁结构中，铺设浮置板是一种十分有效的减振措施，由于浮置板轨道具有良好的减振降噪性能，目前世界上有很多城市的地铁线路都使用了浮置板[3]这种轨道形式。橡胶减振垫[4-5]，因其制作工艺简单，又能满足一定的减振需求，所以在国内具有较高减振要求的地段使用最为普遍，但随着使用时间的增加，橡胶易老化，维护更换周期短、使用寿命周期成本高，不可压缩变形等缺点显现了出来；而国内外研究表明[6]，聚氨酯减振垫具有耐腐蚀性、韧性强度高、弹性性能好、减振性能及耐久性能好的特性，能够弥补橡胶材料性能的不足，故聚氨酯减振垫浮置板轨道越来越被关注。

聚氨酯减振垫技术目前已经被应用在欧洲大部分轨道交通线路上，国内仅有少部分高铁线路有使用。国内的一些学者也注意到了这项技术的前景，开始做了一些初步探索。

重庆轨道交通会展支线轨道工程中首次引进了奥地利聚氨酯减振垫浮置板减振技术；中国的张波等人对聚氨酯减振垫轨道道床的施工工艺进行了探讨总结[7]；柯在田等人对聚氨酯固化道床技术进行了研究[8]，得出聚氨酯固化道床具备有砟轨道的弹性和减振降噪性能、无砟轨道的整体性和稳定性；但是，国内对于聚氨酯减振垫在城市轨道地下线路中的应用与研究都非常少，因此，对聚氨酯减振垫轨道的减振效果进行实测研究很有必要。

本文依托深圳地铁7号线项目，主要测试研究聚氨酯减振垫轨道和橡胶减振垫轨道的振动特性以及减振效果。通过对运行速度为60 km/h的地铁B型车通过减振垫轨道和普通道床轨道的垂向振动加速度进行现场测试，分析两种减振轨道对轨道板和隧道壁振动及其频谱特性的影响，最后对两种浮置板轨道的减振效果进行对比分析[9～11]，以期为城市轨道交通轨道减振设计提供参考。

1 试验概况

1.1 断面选择与测点布置

结合深圳地铁7号线的具体情况，选择3个测试断面，分别为普通道床轨道、橡胶减振垫轨道和聚氨酯减振垫轨道，3个断面地质情况类似，且均为直线段矩形隧道，选择测试断面位于道床板中部。

根据《浮置板轨道技术规范》(CJJ/T191—2012)要求，传感器布置情况如下：在轨道板横向端部布置1个垂向加速度传感器，在距离轨面1.25 m隧道壁上布置1个垂向加速度传感器，在钢轨轨底处布置1个垂向位移传感器，由于3个典型断面的传感器布置方式一致，所以仅绘出橡胶浮置板轨道测点布置示意[12]。

隧道区段橡胶减振垫浮置板轨道测点布置见图1。

(注：○为钢轨垂向位移测点；△为轨道板垂向加速度测点；□为隧道壁铅垂向加速度测点)
图1 橡胶减振垫浮置板轨道测点布置(单位：m)

1.2 测试内容

直接测量指标有钢轨垂向动态位移、轨道板和隧道壁的铅垂振动加速度。

1.3 测试仪器

本次试验主要采用的仪器有北京东方所网络式智能采集仪、德国imc动态数据采集仪、ICP加速度传感器、激光位移传感器等。

2 评价标准及数据处理方法

通过对有着较好效果的实验数据经傅里叶积分变换进行随机信号分析得到振动加速度频谱[13]，然后通过1/3倍频程谱分别对轨道板的振动加速度级与隧道壁的铅锤Z振级进行频域分析[14]。

具体计算公式如下。

(1)振动加速度级VAL

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

式中 VAL——振动加速度级，dB；

arms——动加速度有效值，m/s2；

a0——基准加速度，取1×10-6m/s2；

(2)Z振级VLz

按IS02631-1-1997规定的全身铅垂方向振动不同频率计权因子修正后得到的振动加速度级，记为Z，单位dB。计算方法与式(1)完全相同，公式中加速度取铅垂方向的修正值。

VLZ=20lg()

(2)

式中,为频率计权振动加速度的均方根值，m/s2，具体计算公式如下。

(3)

式中 T——振动测量的平均时间，S；

aw——经过频率记权的加速度，m/s2。

(3)最大Z振级VLzmax

在规定的测试时间T内或对某独立振动事件，测得的Z振级最大值，记为VLzmax，dB。

3 测试结果与分析

3.1 时域分析

现场测试中，对通过各测试断面20趟列车的加速度时程进行记录。并选出10组效果较好的数据进行分析。为了避免采集数据中其他振动的干扰，数据处理前均采用了滤波处理。限于篇幅，本文仅给出各测试断面上的典型加速度时程。如图2～图4和表1所示。

图2 普通道床轨道测试断面典型加速度时程

图3 聚氨酯减振垫浮置板轨道测试断面典型加速度时程

图4 橡胶减振垫浮置板轨道测试断面典型加速度时程

表1 最大加速度值 m/s2

轨道类型轨道板隧道壁普通道床轨道2.00.250橡胶减振垫轨道30.00.100聚氨酯减振垫轨道15.00.034

对比各测点的振动加速度时程，可以得到以下结论。

(1)普通道床轨道板的振动加速度幅值为2 m/s2左右，而聚氨酯减振垫轨道和橡胶减振垫轨道的浮置板的振动加速度幅值分别为15 m/s2和30 m/s2，这是由于减振垫刚度比较小，造成了浮置板的振动较为剧烈，同时可以发现，聚氨酯浮置板相比橡胶浮置板，振动加速度幅值明显更小。

(2)聚氨酯减振垫轨道隧道壁的振动加速度幅值最小，约为0.034 m/s2，而橡胶减振垫轨道和普通道床轨道隧道壁的振动加速度幅值分别为0.1 m/s2和0.25 m/s2，说明聚氨酯减振垫相比橡胶减振垫和普通道床，对列车运行产生的振动有较好的衰减作用。

3.2 总振级与频域分析

3.2.1 轨道板对比分析

(1)总振级对比

列车正常运行速度60 km/h左右通过时，普通道床轨道板与两种减振垫轨道板的总振级见表2，通过分析可知，两种减振轨道相比普通道床轨道板总振级都放大了17 dB。

表2 轨道板总振级

轨道类型总振级/dB普通道床轨道112聚氨酯减振垫轨道129橡胶减振垫轨道129

(2)1/3倍频程频谱对比

通过实测数据得到1～1 000 Hz范围内两种减振垫轨道与普通道床轨道的轨道板振动加速度级，分别绘制1/3倍频程谱图，如图5所示。

图5 轨道板加速度级对比

已有研究表明[15]，将浮置板轨道作为减振措施时会增大轨道板的自振频率，轨道板低频部分放大尤其明显，而人体对0～200 Hz范围内的频率较为敏感，因此这种放大现象对减振效果有不利的影响。对比以上两图的频谱特性可以看出，在1～20 Hz范围内，聚氨酯减振垫轨道相比橡胶减振垫轨道，轨道板的加速度振级放大值要小，这是由于它们的支撑方式和减振垫材料差异所致；而频率在20～200 Hz时，聚氨酯减振垫轨道板的振级放大值要略大于橡胶减振垫轨道板的放大值；当频率增加至500～1 000 Hz时，两种减振垫轨道板的放大幅值都越来越小，而且趋于一致。

3.2.2 隧道壁对比分析

(1)总振级级对比

列车正常运行速度60 km/h左右通过时，普通道床轨道与两种减振垫轨道隧道壁的总振级见表3。由表3可知，相比普通道床轨道，聚氨酯减振垫轨道隧道壁总振级减少15 dB，而橡胶减振垫轨道隧道壁总振级减少12 dB，所以聚氨酯减振垫轨道相比橡胶减振垫轨道有更好的减振效果。

表3 隧道壁Z振级 dB

轨道类型隧道壁VLzmax隧道壁总振级普通道床轨道7073聚氨酯减振垫轨道5458橡胶减振垫轨道5661

(2)1/3频程频谱对比

分别绘制1～200 Hz范围内，两种减振垫轨道与普通道床轨道的铅锤Z计权1/3倍程谱图如图6所示。

图6 隧道壁Z振级对比

对比以上两种减振措施的频谱特性可知，橡胶减振垫轨道隧道壁中心频率为63 Hz，VLzmax为56 dB，聚氨酯减振垫轨道隧道壁中心频率为80 Hz，VLzmax为54 dB，普通道床轨道隧道壁中心频率为63 Hz，VLzmax为70 dB，两种减振垫浮置板主频振级减少分别为14 dB和16 dB，聚氨酯浮置板主频峰值减少更明显。

在10 Hz处，两种减振垫轨道都出现了一个峰值，已有研究表明[16]，聚氨酯与橡胶减振垫浮置板轨道结构的固有频率都在10 Hz左右，因此可以推知此频率处可能发生了共振，其中橡胶减振垫轨道的峰值更为明显，而聚氨酯浮置板的峰值更小。这是由于聚氨酯与橡胶减振垫的支撑方式和材料的弹性模量差异造成的，峰值处两种减振轨道隧道壁的振级增大幅值分别为1 dB和5 dB。总的来看，相比橡胶减振垫，聚氨酯减振垫可以在一定程度上减少低频放大的不利影响，但依旧不能完全消除。

当频率在0～40 Hz时，两种减振垫浮置板轨道都没有减振效果，振级甚至还有所放大；而在50～100 Hz时，两种减振轨道都有很明显的减振效果；当频率高于100 Hz时，聚氨酯减振垫轨道相比橡胶减振垫轨道，减振效果更加明显，这说明聚氨酯减振垫在100～200 Hz的频段内减振效果更好。

4 结论

通过对深圳某地铁线路橡胶减振垫浮置板轨道、聚氨酯减振垫浮置板轨道和普通道床轨道3种工况进行测试，对轨道板的振动加速度级与隧道壁的Z振级进行了分析，得到以下结论。

(1)两种减振垫浮置板轨道在10 Hz处发生共振，在此频率附近振级都会有一定程度增大，但相比橡胶减振垫轨道，聚氨酯减振垫轨道受共振影响更小。这是由聚氨酯减振垫轨道的支撑方式和其材料固有属性综合影响造成的，但各影响因素的大小有待继续研究。

(2)两种减振轨道在40 Hz内的较低频率范围内都没有减振效果；但当频率高于40 Hz时，两种减振轨道都有很明显的减振效果，在超过100 Hz的部分，相比于橡胶减振垫轨道，聚氨酯减振垫轨道的减振效果明显更好，这表明聚氨酯减振垫轨道的减振频域更宽。

(3)总的来看，聚氨酯减振垫轨道相比橡胶减振垫轨道减振效果更好，如果需要更高频率的减振效果时，建议采用聚氨酯减振垫轨道。

(4)虽然聚氨酯减振垫轨道低频处的放大不如橡胶减振垫轨道明显，但依然没有克服浮置板轨道低频放大的通病。

参考文献：

[1] 姜鹏，罗晓娟，侯明明，等.城市轨道交通中环境振动污染的研究进展[J].重庆工商大学学报(自然科学版)，2012(8)：61-64.

[2] 夏禾，曹艳梅.轨道交通引起的环境振动问题[J].铁道科学与工程学报，2004(1):1-8.

[3] 李锐，陈柯龙，冯辉宗，何莉敏.地铁浮置板轨道结构隔振研究进展[J].机械科学与技术，2012(11)：1760-1766.

[4] 孙晓静，刘维宁，张宝才.浮置板轨道结构在城市轨道交通减振降噪上的应用[J].中国安全科学学报，2005(8)：65-69.

[5] 曹宇泽，田苗盛，杨其振.隔离式橡胶浮置板减振性能分析[J].铁道工程学报，2013(2)：34-38.

[6] 孙少芳，辛浩波.高铁减震垫板微孔聚氨酯弹性体的合成及性能研究[J].聚氨酯工业，2014(5)：33-38.

[7] 张波，张涛.城市轨道交通工程聚氨酯浮置板减振道床技术应用研究[J].铁道标准设计，2014，58(7)：45-48.

[8] 柯在田，王红，郄录朝，等.一种新型轨道结构—聚氨酯固化道床技术[C]∥综合轨道交通学术沙龙论文集.北京:中国铁道出版社，2015：516-522.

[9] 李克飞，刘维宁，孙晓静，等.北京地铁5号线地下线减振措施现场测试与分析[J].铁道学报，2011(4)：112-118.

[10] 侯巧省.地铁减振轨道的轮轨振动特性研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[11] 栗润德，张鸿儒，刘维宁，等.北京地铁1号线地面振动响应测试与分析[J].北京交通大学学报，2007(4)：31-34.

[12] 中华人民共和国住房和城乡建设部. CJJ/T191—2012浮置板轨道技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[13] 李成辉.振动理论与分析基础[M].成都：西南交通大学出版社，2015：35-40.

[14] 王济，胡晓.Matlab在振动信号处理中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006：134-135.

[15] 刘鹏辉，杨宜谦，尹京.地铁隧道内不同轨道结构振动测试与分析[J].振动与冲击，2014(2)：31-36.

[16] 张莉，刘鹏辉，杨宜谦，等.杭州地铁1号线浮置板轨道减振效果对比分析[J].铁道建筑，2013(10)：80-83.

Analysis of Vibration Control Effects of Floating Slabs with Polyurethane Damping Pad and Rubber Damping Pad

HE Jian-ci1,2, WANG Ping1,2, TANG Jian1,2, ZHAO Cai-you1,2, YI Qiang1,2

(1.Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Ministry of Education, Chengdu 610031, China； 2.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract： To study the damping effects of two forms of floating slabs with different rubber materials, this paper takes a tunnel section of a domestic metro line as the research object to measure the vibration responses of the polyurethane damping pad floating slab and the rubber damping pad floating slab on a common track structure at the speed of 60 km/h. Then the vertical Z-vibration level is introduced to conduct comprehensive assessment on the two forms of track structures and analyze vibration characteristics of the track structures in time domain and frequency domain respectively. The results show that: (1) The resonant frequency of both forms of damping pad floating slab is about 10 Hz; (2) The two forms of floating slabs, which use different rubber materials, basically have no damping effect in the domain of 1～40 Hz; (3) Compared with rubber damping pad, the polyurethane damping pad has better damping effect in a wilder frequency domain.

Key words： Polyurethane damping pad; Rubber damping pad; Floating slab; Z-vibration level; Damping effect

收稿日期：2017-02-27;

修回日期：2017-05-02

基金项目：国家自然科学基金(51508479)；四川省科技研究计划项目(2017GZ0373)

作者简介：何鉴辞(1992—)，男，重庆酉阳人，硕士研究生，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2018)02-0057-05

中图分类号：U213.2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.201702270003