王永冠，查國濤，卜繼玲，李心

(株洲時代新材料科技股份有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412007)

U形梁橋與軌道結(jié)構(gòu)的振動匹配性分析

王永冠，查國濤，卜繼玲，李心

(株洲時代新材料科技股份有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412007)

通過對匹配不同軌道結(jié)構(gòu)的U形梁振動測試，研究不同軌道結(jié)構(gòu)對U形梁的隔振效果。研究對象包括:安裝軌道減振器的支撐塊承軌臺;安裝WJ-2A扣件的梯形軌道;兩種結(jié)構(gòu)略有差異的U形梁，但匹配的軌道結(jié)構(gòu)同為安裝WJ-2A扣件的支撐塊承軌臺，共計4種不同的U形軌道高架橋梁。測試分析結(jié)果表明，匹配合理的軌道結(jié)構(gòu)能有效降低U形梁橋本身的振動，保護(hù)梁體結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備。

U形梁橋 軌道減振器 梯形軌道 軌道結(jié)構(gòu)

U形梁屬于一種下承式的開口薄壁結(jié)構(gòu)，梁體由底板、兩側(cè)的腹板和腹板頂部的翼緣板連成U字形橫截面的通道，底板的上表面連接承軌臺。與傳統(tǒng)的上承式梁相比，U形梁降低了軌道標(biāo)高和橋梁的整體高度，減小了對周邊環(huán)境的影響;兩側(cè)腹板可根據(jù)荷載的大小做成不同的結(jié)構(gòu)形式，有利于美化周邊環(huán)境并達(dá)到降噪的作用，同時防止列車脫軌后沖出橋梁。因此，U形梁在高架城軌得到越來越廣的應(yīng)用。圖1為U形梁橋外觀。

圖1 U形梁橋外觀

大部分的U形梁匹配的軌道結(jié)構(gòu)為支撐塊承軌臺，扣件主要使用普通扣件，如WJ-2A。2003年建成通車的廣州地鐵2號線的高架結(jié)構(gòu)，2007年上海軌道交通8號線，2009年南京地鐵2號線均采用了這樣的軌道結(jié)構(gòu)搭配U形梁，有大量的應(yīng)用實(shí)踐;搭配梯形軌道的U形梁結(jié)構(gòu)也有少部分應(yīng)用，如2014年初試運(yùn)營的上海地鐵16號線部分高架段。U形梁搭配兩種不同的軌道結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 U形梁與不同的軌道結(jié)構(gòu)匹配使用現(xiàn)場

國內(nèi)部分U形梁經(jīng)過多年的運(yùn)營，出現(xiàn)一些病害，主要集中發(fā)生在匹配的軌道結(jié)構(gòu)為支撐塊承軌臺、扣件為普通扣件的U形梁上。

U形梁病害表現(xiàn)為:U形梁跨中的接觸網(wǎng)柱螺栓容易松動;U形梁梁端鋼軌扣件容易松動;部分承軌臺與現(xiàn)澆底座結(jié)合部位出現(xiàn)裂縫等。這些病害顯著說明橋梁本身的振動過大。為此研究U形梁橋和不同軌道結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系，開展了一系列針對U形梁橋的在線振動測試工作，意義重大。可惜相關(guān)內(nèi)容文獻(xiàn)資料很少，類似文獻(xiàn)［1］也只是測試了U形梁的環(huán)境振動而不是梁體本身。本文從橋梁振動方面研究U型梁橋與軌道結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系，對測試結(jié)果做了初步的分析，為城市軌道建設(shè)合理控制U形梁振動以及線路設(shè)計提供參考。

1 U形梁測試情況介紹

本次測試對象為某地鐵公司的A號線路和B號線路的U形梁橋，共4種梁跨，兩種軌道結(jié)構(gòu)、兩種扣件類型的多種組合工況，具體測試對象如表1所列。

表1 被測對象基本信息

測試內(nèi)容為列車通過時的橋梁振動。其中U梁a、U梁b、U梁c結(jié)構(gòu)相同，它們之間不同的地方在于軌道結(jié)構(gòu);而U梁d的梁體和前三種除了跨度不一樣外，截面局部也有細(xì)微尺寸上的差異。A號線和B號線測試情況略有區(qū)別:A號線是在營線路，B型車;B號線是新線，A型車。但都是6輛編組配重在不同速度下做的振動測試。各測點(diǎn)布置如圖3所示，V1—V12為各加速度傳感器的布置點(diǎn)。

圖3 U形梁的截面和測點(diǎn)布置示意

目前國內(nèi)外還沒有專門針對城市軌道高架橋梁振動測量及評判的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［2］。本文橋梁動力響應(yīng)測試采用與文獻(xiàn)［3］一致的測量手段與分析方法。

2 測試結(jié)果分析

2.1 相同扣件不同軌道結(jié)構(gòu)下U形梁的動力響應(yīng)

對相同扣件不同軌道結(jié)構(gòu)的U梁b和U梁d進(jìn)行3種車速行車工況的動力響應(yīng)測試，對原始測試數(shù)據(jù)在1～200Hz內(nèi)做振級均方根值Z計權(quán)處理，結(jié)果分析如圖4、圖5所示。除了U梁b振級比U梁d大致降低10 dB左右，其它總體上兩者的結(jié)果基本趨于一致:承軌臺在60 Hz附近出現(xiàn)一個響應(yīng)峰值，且峰值頻率不受車速的影響，峰值量級隨著車速的增加而增加;承軌臺在20 Hz附近的振動響應(yīng)受車速影響不明顯，3種車速下的振動量級接近。

從圖4、圖5明顯發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn):①同是WJ-2A扣件，梯形軌道匹配U梁的隔振效果顯著優(yōu)于支撐塊承軌臺匹配U梁;②無論匹配何種軌道結(jié)構(gòu)，由輪軌作用振源激起的U梁振動，在60 Hz左右有個明顯的峰值，表明梁體發(fā)生了共振。這是由U梁橋固有的特性和振源特性共同決定的，靠U形梁的結(jié)構(gòu)調(diào)整，如跨度變化、截面優(yōu)化等措施很難根除。

1．加強(qiáng)馬克思恩格斯經(jīng)典作家的共享思想研究。十八屆五中全會以來，國內(nèi)學(xué)術(shù)界和理論界從習(xí)近平共享發(fā)展理念的理論來源、習(xí)近平共享發(fā)展理念內(nèi)涵、習(xí)近平共享發(fā)展理念實(shí)踐基礎(chǔ)以及習(xí)近平共享發(fā)展理念的實(shí)踐思路等方面進(jìn)行了全方位多角度的研究，為習(xí)近平共享發(fā)展理念的貫徹落實(shí)給予理論參考。但學(xué)術(shù)界和理論界對馬克思主義經(jīng)典著作的共享發(fā)展思想剖析還比較少，馬克思主義理論作為我國社會主義政治、經(jīng)濟(jì)、文化等方面建設(shè)的指導(dǎo)思想，必須大力挖掘經(jīng)典作家們的共享思想，才能更加準(zhǔn)確地把握習(xí)近平共享發(fā)展理念，更好地運(yùn)用習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想武裝我們的頭腦，更好地運(yùn)用習(xí)近平共享發(fā)展理念服務(wù)于新時代。

圖4 U梁b跨中承軌臺垂向振動1/3倍頻程頻譜

圖5 U梁d跨中承軌臺垂向振動1/3倍頻程頻譜

2.2 相同軌道結(jié)構(gòu)不同扣件下的U梁動力響應(yīng)

U梁a、U梁c與U梁d均為支撐塊承軌臺軌道結(jié)構(gòu)，僅扣件不同而已。U梁c和U梁d都是WJ-2A扣件，但U梁c為新扣件，而U梁d為舊扣件。U梁a則采用的是高彈性整體式扣件，又稱科隆蛋軌道減振器［4］。

測試分別在40，60和80 km/h車速下，對三者振動進(jìn)行對比。振動測量按GB 10071—88［5］要求執(zhí)行。振動對比結(jié)果如圖6和圖7所示。從中分析可以得出:U梁a和U梁c的Z振級分別比U梁d小15.3 dB和6.5 dB，未計權(quán)振級分別比U梁d小12.8 dB和2.1 dB。可見U梁a的振動響應(yīng)要明顯小于U梁c和U梁d，U梁d的動力響應(yīng)略大于U梁c。

圖6 承軌臺與道床測點(diǎn)的Z振級對比(2～200 Hz)

圖7 承軌臺與道床測點(diǎn)的未計權(quán)振級對比(2～1 000 Hz)

綜上得出，同是U梁匹配支撐塊承軌臺軌道結(jié)構(gòu)，扣件的選擇非常關(guān)鍵，如匹配恰當(dāng)同樣能大幅度提高軌道結(jié)構(gòu)的隔振性能。在本次測試中的U梁a選擇高彈性的軌道減振器扣件，就使得橋梁的動力響應(yīng)比選擇WJ-2A扣件的要低得多。這樣可以大大保護(hù)軌道的附屬設(shè)施，降低橋梁的結(jié)構(gòu)振動和結(jié)構(gòu)噪聲。

2.3 分頻振級差值評估

分頻振級差值測試結(jié)果如圖8所示，測量位置為梁中中間道床。分析如下:

1)U梁c與U梁a相比，分頻振級的最大差值為21.6 dB，最小差值為-6.9 dB，如圖8(a)所示。圖中反映，從＞10 Hz頻域范圍的隔振效果上看，U梁a的軌道結(jié)構(gòu)匹配效果比U梁c好，尤其是50～100 Hz頻帶內(nèi)，U梁a的軌道匹配的隔振效果顯著。安裝軌道減振器的支撐塊承軌臺軌道結(jié)構(gòu)可以有效地隔離容易激起U梁振動的頻率成分。

2)U梁c與U梁b相比，分頻振級的最大差值為20.9 dB，最小差值為-4.8 dB，如圖8(b)所示。數(shù)據(jù)顯示，在10 Hz以內(nèi)頻域范圍，U梁b軌道結(jié)構(gòu)匹配的隔振效果和U梁c的基本一致;在40 Hz以后，U梁b軌道結(jié)構(gòu)匹配的隔振效果才明顯好于U梁c。而有效隔離的恰恰是60 Hz左右的振動，這部分頻率成分容易激起U形梁體的振動，該結(jié)果同圖4、圖5反映的規(guī)律一致。這同樣也說明:安裝WJ-2A扣件的梯形軌道結(jié)構(gòu)可以有效地隔離容易激起U梁振動的頻率成分。

3)U梁b與U梁a相比，分頻振級的最大差值為8.5 dB，最小差值為-7.7 dB，如圖8(c)所示。數(shù)據(jù)顯示，兩種不同的軌道結(jié)構(gòu)匹配U型梁的隔振效果基本一致。

以上的測試結(jié)果與分析同文獻(xiàn)［7-10］的研究結(jié)論一致。

圖8 梁中中間道床的分頻振級和振級差值曲線

3 結(jié)論

1)U形梁橋的振動是由其自振特性和振源性質(zhì)共同決定的，單靠U形梁的結(jié)構(gòu)調(diào)整，如長度變化、截面優(yōu)化等措施，梁體振動的改善效果不明顯。本次測試對象的U梁在60 Hz附近容易被激振起來，形成峰值。通過匹配合理的軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以有效地隔離振源中的這一頻率成分，大大降低橋梁的振動。

2)安裝WJ-2A扣件的支撐塊承軌臺軌道結(jié)構(gòu)不能有效地隔離容易激起U梁振動的頻率成分。U形梁匹配這樣的軌道結(jié)構(gòu)，橋梁本體的振動較大，不但容易引起梁體本身的病害，更容易引起橋梁附屬設(shè)備的病害。

3)安裝軌道減振器的支撐塊承軌臺軌道結(jié)構(gòu)和安裝WJ-2A扣件的梯形軌道結(jié)構(gòu)能夠有效地隔離容易激起U梁振動的頻率成分，有效降低梁體的振動，從而保護(hù)梁體本身結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)備。

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(責(zé)任審編孟慶伶)

U443.3+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.08

1003-1995(2015)05-0030-04

2014-08-31;

2015-02-16

王永冠(1976—)，男，四川攀枝花人，高級工程師，碩士。