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城市軌道交通減振降噪技術(shù)研究

2012-01-01 00:00:00魏鵬勃
科技資訊 2012年1期


  城市軌道交通是城市公共交通的一種便捷工具,是解決城市交通擁擠的一項切實可行的措施。目前,城市軌道交通進入了快速發(fā)展階段,“十五”末,我國有9個城市擁有運營線路,總里程約450公里;經(jīng)過五年建設(shè),“十一五”末。運營線路的城市達(dá)到12個,總里程約1400公里;規(guī)劃“十二五”末,我國擁有運營線路的城市將達(dá)到27個,運營總里程超過3000公里。
  由于城市軌道交通工程結(jié)構(gòu)的特殊性,其產(chǎn)生的振動和噪聲問題已引起了社會的廣泛關(guān)注。美國紐約地鐵車站噪聲曾高達(dá)100~115dB,接近人耳的痛閾;北京地鐵1號線西單車站附近的居民,就地鐵造成的振動和結(jié)構(gòu)噪聲問題進行過投訴,4號線通過北京大學(xué)遙感物理樓時因為振動問題引起過不小的爭議;我國某城市地鐵現(xiàn)場測試表明,當(dāng)?shù)罔F列車僅以15~20km/h的速度通過時,地鐵正上方居民住宅的振動高達(dá)85dB。目前,對城市軌道交通振動和噪聲問題的研究已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的擾民和公害問題。
  1 振動和噪聲的產(chǎn)生與傳播機理
  
  軌道交通噪聲產(chǎn)生實質(zhì)上和振動是密不可分的。振動越大,則噪聲也就越大。它們是通過不同介質(zhì)進行傳播的。
  1.1振動的產(chǎn)生與傳播機理
  城市軌道交通在運營過程中,列車車輪與鋼軌之間產(chǎn)生撞擊振動,經(jīng)過軌枕、道床,傳遞至隧道或橋梁基礎(chǔ),再傳遞給地面,從而對周圍區(qū)域產(chǎn)生振動,并進一步傳播到周圍建筑物。這種振動干擾不僅對地鐵沿線民宅,學(xué)校,醫(yī)院等環(huán)境產(chǎn)生不良影響,而且可能對沿線基礎(chǔ)較差的建筑物造成損害。
  振動波在土介質(zhì)中的傳遞過程,其作用機理及傳播特性與地震基本相同。這些振動波遇到自由界面時,在一定條件下重新組合,形成一種彈性表面渡,隨著離振源距離的不同,它們之間的能量也在改變,同時傳播速度、衰減率也為距離的函數(shù)。根據(jù)振動傳播理論,振動從地面進入建筑物,不同結(jié)構(gòu)建筑物其振動衰減也不同。
  1.2噪聲的產(chǎn)生與傳播機理
  大量研究結(jié)果表明,列車引起的噪聲可分為四個部分;輪軌噪聲、集電噪聲、車廂的空氣動力噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)的二次振動噪聲。隨著列車運行速度的變化,軌道交通的主噪聲源也隨之變化。軌道交通的噪聲源圖如圖I所示。我國城市軌道交通列車運行速度一般在60-80km/h,故相應(yīng)的主噪聲源為輪軌噪聲,有數(shù)分析輪軌噪聲產(chǎn)生的機理是找到城市軌道交通減振降噪的關(guān)鍵。
  城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)的輪軌噪聲的振動來源千軌道的不平順。鋼軌與運行中的列車車輪相互作用,激起鋼軌和軌下基礎(chǔ)的振動,鋼軌就向外輻射噪聲。振動隨軌下基礎(chǔ)向周圍傳遞?;蛞鹫駝?,或造成結(jié)構(gòu)的“二次噪聲”。
  2 我國區(qū)域環(huán)境振動與噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)
  針對區(qū)域環(huán)境振動與噪聲,各個國家都制定了相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)。我國此方面的控制標(biāo)準(zhǔn)參用《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070-88)和《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096-93),見表1和表2。隨著生活水平的提高和技術(shù)的發(fā)展,區(qū)域環(huán)境振動與噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)有進一步修訂的可能。
  
  3 城市軌道交通減振降噪的技術(shù)措施
  3.1車輛的減振降噪措施
  (1)對機車車輛動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動部件進行轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計,使系統(tǒng)的工作頻段遠(yuǎn)離共振區(qū)(臨界轉(zhuǎn)速區(qū))和不穩(wěn)定區(qū),盡量避免電磁耦合激發(fā)振動和噪聲。
  (2)在機車車輛上使用新型減振器,能有效地降低振動和噪聲。目前在國內(nèi)外的城市軌道交通中,金屬一橡膠復(fù)合減振器是應(yīng)用最為廣泛的減振降噪裝置。這是由于橡膠在很寬的溫度范圍內(nèi)具有獨特的粘彈行為,不僅可以象鋼彈簧一樣通過彈性形變來吸收、儲存沖擊能量,而且還可以通過分子鏈相對運動而大幅度地消耗能量。然而。橡膠件既是減振降噪的主要部分,也是影響使用壽命的關(guān)鍵部分。以少量具有納米片層結(jié)構(gòu)的有機改性蒙脫土與橡膠進行插層納米復(fù)合,可顯著降低材料的疲勞生熱,延緩疲勞破壞過程,從而改善橡膠的強度、耐蠕變、耐疲勞和耐老化等綜合性能,使減振器的質(zhì)量和機車車輛的舒適性、安全性得到較大的提高。
  除金屬一橡膠復(fù)合減振器外,目前國際上開始將自適應(yīng)(有源/半有源)電/磁流變液減振器用于車輛的懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架系統(tǒng),以有效地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼或剛度特性。電/磁流變液減振器是利用電/磁流變液的粘度在電/磁場作用下急劇變化的特性而制成的新型振動控制元件。電/磁流變液在無外場作用下為流動良好的液體狀態(tài),在強電/磁場作用下,短時間(毫秒級)內(nèi)其粘度可增加一到兩個數(shù)量級以上,并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)性能,而且粘度的變化是連續(xù)、可逆的,一旦去掉電/磁場后,又變成可流動的液體。這些特點使電/磁流變液裝置成為電氣控制與機械系統(tǒng)之間的簡單、安靜而且響應(yīng)迅速的中間裝置。
  (3)在車輛動力驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用直線電機技術(shù),可省去齒輪箱等一系列傳動機構(gòu),減少了許多噪聲源,噪聲水平比一般車輛可降低大約10dB(A)。
  (4)采用徑向轉(zhuǎn)向架能避免車輪在鋼軌上的蠕動,使車輛能順利地通過曲線,減少輪軌磨耗和消除常規(guī)轉(zhuǎn)向架通過曲線時的尖叫聲,因而噪聲比一般車輛降低近20dB(A)。
  (5)采用彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪及彈性踏面車輪等技術(shù),通??蓽p振降噪2-10dB(A)。
  (6)用改變車輪結(jié)構(gòu)的方法來改變噪聲的發(fā)射性能,可降低輪軌噪聲。如德國通過把制動盤放在輪心上來減少噪聲,試驗結(jié)果證明對1kHz以上的噪聲大約可降低5dB(A)。
  3.2軌道結(jié)構(gòu)的振動和噪聲控制
  軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)組成。根據(jù)振動理論,輪軌之間的振動噪聲與軌道各部件的質(zhì)量、剛度以及結(jié)構(gòu)阻尼密切相關(guān)。軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪主要是通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)。在國內(nèi)外軌道交通減振降噪研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國軌道交通的實際,對軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪可采取下列有效措施:
  (1)采用焊接長鋼軌,可減少因列車通過鋼軌接頭所產(chǎn)生的振動噪聲。根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范,軌道交通的正式線路應(yīng)鋪設(shè)無縫軌道。實際減振效果可達(dá)到5dB~10dB。
  (2)采用鋼軌打磨技術(shù),以控制軌道的不平順度,保證輪軌接觸面的良好狀態(tài),從而獲得良好的減振降噪效果。實踐表明,鋼軌打磨后,在振動頻率為8Hz~100Hz范圍內(nèi),振動噪聲可下降4~8dB(A)。
  (3)采用防振型鋼軌,在鋼軌軌腰兩側(cè)粘貼(或包覆)防振吸音材料(如橡膠、樹脂等),可有效地減少噪聲,結(jié)構(gòu)示意如圖2。
  (4)采用彈性扣件。軌道的彈性,尤其是剛性基礎(chǔ)整體道床結(jié)構(gòu)的彈性,主要取決于扣件的彈性,國內(nèi)外在此方面做了大量研究工作,研制并開發(fā)了,滿足不同減振降噪要求的扣件。在減振要求一般的地段,上海地鐵采用了DTIII型扣件,如圖3所示。該扣件采用二級減振,在鋼軌和鐵墊板下都設(shè)絕緣橡膠板,扣件彈性好,比北京地鐵采用的DTI型減少5dB~10dB。在減振要求較高的地段,德國科隆、美國華盛頓、法國巴黎、上海、新加坡地鐵均采用了軌道減振器扣件(科隆蛋),如圖4所示。該扣件的承軌板與底座之間用減振橡膠硫化粘結(jié)在一起,利用橡膠圈的剪切變形,獲得較低豎向剛度,較DTI型扣件的加速度傳遞函數(shù)減少15dB~30dB,較DT11I型扣件減少10dB~20dB,減振效果顯著,能有效減少對周圍環(huán)境的干擾。類似的減振型扣件還有很多種,要根據(jù)不同的適用條件進行選擇。
  (5)采用彈性支承塊式無碴道床軌道,如圖5所示。這是一種低振動(LVT)軌道結(jié)構(gòu)。目前我國軌道交通主要采用支承塊式混凝土整體道床,由于只有扣件彈性墊板一個減振環(huán)節(jié),其減振效果并不理想。如在扣件墊板和支承塊下各設(shè)置一層橡膠墊,便能大大降低軌道整體支承剛度,顯著提高軌道的減振降噪性能。該種結(jié)構(gòu)能使輪軌動力在鋼軌上經(jīng)過分配后傳到軌下膠墊得到第一次減振,再經(jīng)過支承塊傳到其下的膠墊進行第二次減振,這樣,振動的高頻成分及其幅值在得到了相當(dāng)?shù)乃p后才傳遞給基礎(chǔ)。巴黎7號、13號地鐵線在巴士底獄的新歌劇院下通過,歌劇院方面認(rèn)為地鐵車輛的噪聲和振動對劇場的演出有影響,為此巴黎地鐵公司對此進行了研究,試驗,并會同歌劇院、巴黎聲學(xué)研究所共同進行了現(xiàn)場測試,試驗證明在軌枕底部加了一層橡膠墊后情況得到了改善。
  (6)采用浮置板式軌道結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上,浮置板置于橡膠支座或螺旋鋼彈簧上。浮置板可以提供足夠的慣性質(zhì)量來抵消車輛產(chǎn)生的動荷載,只有靜荷載和少量殘余動荷載會通過彈性元件傳到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。其彈性元件有面支承、線支承和分布支承3種形式,其中分布支承效果最好。采用橡膠的稱橡膠浮置板,采用螺旋鋼彈簧(一般采用分布支承)的稱鋼彈簧浮置板。在目前的減振措施中,浮置板軌道減振效果最好,可達(dá)20dB~40dB,與其他同類型隔振方案的比較如表3所示。圖6為浮置板軌道結(jié)構(gòu)的安裝示意圖。
  (7)采用梯形軌枕。彈性支撐的梯形減振軌枕軌道系統(tǒng),以鋼管連接連接縱向混凝土軌枕,并與道床結(jié)構(gòu)以橡膠減振墊相隔,形狀如梯子,故稱“梯形軌枕”,它可以稱之為板式整體道床的第二代產(chǎn)品。梯形軌枕采用預(yù)制,其與底座間的緩沖調(diào)整等原理與板式軌道基本相同。它具有既能夠發(fā)揮軌枕本來的特性,大幅度提高荷載的分散能力,又可補充鋼軌本身的剛性和質(zhì)量的性能特點,是一種能提高彎曲剛度和剪切剛度,實現(xiàn)了相當(dāng)于減少車輛簧下質(zhì)量的較理想的整體減振系統(tǒng)。梯形軌枕結(jié)構(gòu)如圖7所示。
  3.3高架線路和橋梁的減振降噪措施
  目前,國內(nèi)外城市軌道交通的高架橋結(jié)構(gòu)大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的內(nèi)部空腔在軌道交通噪聲主要頻段內(nèi)存在聲學(xué)模態(tài),腔內(nèi)的聲場共振可能使橋梁的上下兩個面的輻射聲增加,而且,箱形梁橋的底面是大面積的平面,聲輻射效率比較高,因此,有必要研究箱形梁的減振降噪措施。目前箱形梁的降噪處理有以下幾類技術(shù)。
  (1)在箱形梁腔內(nèi)設(shè)置隔聲板,將箱形梁腔內(nèi)的聲學(xué)共振頻率向上移至軌道交通噪聲的主要頻段以外,則可有效降低橋梁振動噪聲。
  (2)在箱形梁腔內(nèi)安裝動力吸振器,這是控制橋梁振動噪聲最有效的方法。
  (3)選用橋梁隔振支座。橋梁隔振支座(主要有普通橡膠支座、疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座等)是高架橋中減少振動的有效措施。通過調(diào)整減振支座的剛度,從而控制結(jié)構(gòu)的振動頻率和周期,避開列車運行引起的豎向振動頻率,達(dá)到減振和降噪的效果。
  (4)鋪設(shè)輕質(zhì)吸聲橋面和路面。高架軌道交通線的橋面是聲反射面,降低橋面的聲反射可以大大降低列車通過時的噪聲。近年發(fā)展起來的各種多孔混凝土都可以有效降低橋面的聲反射。即在橋面鋪澆一定厚度的多孔混凝土,既不影響檢修者行走。又有一定的吸聲效果。但是,多孔混凝土對1kHz以下的中低頻噪聲的吸聲效果不夠理想,而高架軌道交通噪聲中以500Hz為中心的中低頻噪聲占主要成分,因此對這類噪聲可以使用發(fā)泡混凝土。
  (5)在高架橋上安裝吸聲天棚或懸掛空間吸聲體等吸聲結(jié)構(gòu),可以大大降低橋梁振動的輻射噪聲。高架軌道交通噪聲的各個聲源中,橋梁振動的輻射噪聲對周邊環(huán)境尤其是低樓層有較大影響。高吸聲、安全、美觀、易清洗保養(yǎng)是設(shè)計這類吸聲結(jié)構(gòu)的要點。
  (6)設(shè)置聲屏障是降低軌道交通運行噪聲的一種有效措施?,F(xiàn)有的吸聲型聲屏障均為板式結(jié)構(gòu),所用的吸聲材料分別有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纖維類吸聲材料、微穿孔板等;但其頻帶窄,尤其是低頻段吸聲系數(shù)小,通常只有0.5左右,這是現(xiàn)有吸聲型聲屏障的共同缺點。常見的微穿孔板和其他抗性吸聲結(jié)構(gòu)對低頻噪聲比較有效,但在中高頻段的吸聲系數(shù)往往很低??傊?,由于交通噪聲主要分布在100kHz~5kHz,單純阻性吸聲或抗性材料都難以在如此寬的頻率范圍內(nèi)達(dá)到滿意的吸聲效果。因此,國內(nèi)外都把研究阻抗復(fù)合型聲屏障作為拓寬吸聲頻帶、提高降噪效果的主要方向。
  (7)挖減振溝和設(shè)隔振墻??梢栽诮ㄖ锖蛙壍乐g通過挖減振溝和設(shè)隔振墻等設(shè)置隔振屏障。只要溝的深度和墻的板質(zhì)、厚度、深度合適,就可以獲得理想的減振效果。
  4 結(jié)語和建議
  西安作為世界四大文明古都之一,建設(shè)地鐵過程中更應(yīng)充分考慮環(huán)境振動和噪聲的影響,采取較為成熟的減振降噪措施的同時,建議進行創(chuàng)新性的減振降噪措施研究,應(yīng)用在西安地鐵的敏感地段,更加有效地減小振動和噪聲的影響,提升西安地鐵的建設(shè)水平,擴大西安地鐵在減振降噪方面的影

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