城市軌道交通軌道結構噪聲分析與減振降噪措施
摘要:通過對城市軌道交通軌道結構噪聲來源的分析,提出從軌道結構方面采取的減振降噪措施。關鍵詞:城市軌道交通 軌道結構 振動 噪聲 減振降噪
隨著部分城市軌道交通線路的開通運營,沿線部分地段的噪聲超標問題引起了社會的廣泛關注。控制振動與噪聲,除采取行政管理手段對城市軌道交通進行合理規劃外,還需對軌道結構、機車車輛采取減振、消音、隔音等技術手段,最大限度地減少軌道交通產生的振動與噪聲對人體造成的損害。
結構既是城市軌道交通的振源,也是振動傳播途徑中的重要環節。本文從分析城市軌道交通的振動與噪聲來源入手,從軌道結構方面采取一些措施,以達到減振降噪的目的。
1 城市軌道交通軌道結構噪聲來源分析
大量研究結果表明,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構的二次振動噪聲。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1 所示。我國城市軌道交通列車運行速度一般在60～80 kmΠh , 故相應的主噪聲源為輪軌噪聲,有效分析輪軌噪聲產生的機理是找到城市軌道交通減振降噪的關鍵。城市軌道交通軌道結構的輪軌噪聲的振動來源于軌道的不平順。鋼軌與運行中的列車車輪相互作用,激起鋼軌和軌下基礎的振動,鋼軌就向外輻射噪聲,振動隨軌下基礎向周圍傳遞, 或引起振動, 或造成結構的“ 二次噪聲”。
圖1 軌道交通噪聲源圖
輪軌噪聲主要有三種類型:尖叫噪聲、沖擊噪聲、和滾動噪聲。尖叫噪聲主要是當列車通過小半徑曲線時,由于車輪受轉向架約束,不能正切鋼軌運行,即車輪不能處于曲線的徑向位置,車輪在鋼軌上向前滾動時同時沿軌面橫向滑動,產生輪軌接觸面的粘著和空轉,引起車輪共振,產生強的窄頻帶尖叫聲;沖擊噪聲是列車車輛通過軌縫、道岔或車輪踏面擦傷、剝離等輪軌表面的不連續性而引起的垂直激勵產生非線性的振動并輻射噪聲。滾動(轟鳴) 噪聲是由于列車運行時, 由鋼軌表面粗糙、凸凹不平,鋼軌表面傷痕、馬鞍形磨耗及輪軌尺寸偏差等引起車輪和鋼軌相互振動,并通過軌道結構傳遞輻射噪聲。
2 城市軌道交通噪聲的評價與標準
目前,我國城市軌道交通噪聲的評價指標和標準限制值尚未確定。1982 年,我國頒布的《城市區域環境噪音標準》(GB3096 —82) 中規定:道路交通噪聲的評價指標采用等效聲級LAeq ,并分晝夜兩段時間評價,相應作出不同的標準限制,如表1 城市各類區域環境噪聲標準所示。
表1 城市各類區域環境噪聲標準
摘自《城市區域環境噪音標準》(GB3096 —82)
3 城市軌道交通減振降噪措施
從軌道結構方面對線路減振降噪主要是解決輪軌噪聲,包括線路線型、軌道及道床幾個因素。
3.1 線路方面減振降噪措施
3.1.1 采用較大半徑曲線線路
在進行城市軌道交通規劃設計時,盡量采用較大的曲線半徑,以減小列車通過的沖擊噪聲。當然,由于城市軌道交通線路穿行于市內,一般均位于較為繁華的人口密集地段,線路選形受到很大限制,這一措施很難實現。
3.1.2 采用超長無縫線路
由于無縫線路減少了鋼軌接頭,減少輪軌間的沖擊力,減少了脈沖型的激擾源,從而減少了振動與噪聲。無縫線路較普通線路可降低噪聲10 dB 。
3.2 鋼軌方面減振降噪措施
3.2.1 打磨鋼軌,使輪軌表面平滑
由于噪聲和振動在500～2 500 Hz 頻率范圍內線性相關,且鋼軌在此范圍內是主要的輻射體,因此抑制鋼軌振動,減小鋼軌的振動加速度和頻率可有效地對線路進行減振降噪。而鋼軌頂面的粗糙度是輪軌系統相互激擾,引起鋼軌振動,產生滾動(轟鳴) 噪聲的主要因素。降低鋼軌表面的粗糙度最直接的方法便是對鋼軌進行打磨,使輪軌接觸面平滑。試驗表明:使用16 # 砂輪可實現平均表面粗糙度Ra = 813μm , 與新鋼軌的表面粗糙度( Ra = 2510 μm) 相比,更光滑。在整個線路鋪設完畢后,用軌道打磨列車對整條線路進行打磨可降低滾動噪聲級超過5 dB 。
3.2.2 采用重型鋼軌
重型鋼軌在受列車沖擊時振動相對較小,隨著鋼軌重量的增加,鋼軌的垂向剛度增大,因而采用重型鋼軌可有效抑制鋼軌的垂向振動。
3.2.3 采用減振降噪型鋼軌
當列車通過鋼軌頂面時,由于鋼軌腹板的厚度較薄,軌腰產生振動,這一振動向外傳播產生噪聲。為了最大限度地減小鋼軌腹板振動引起的噪聲,可在鋼軌腹板兩側粘貼減振橡膠和鋼板(如圖2 所示) 。粘貼鋼板是為了增加振動質量,起到衰減振動的作用;粘貼橡膠則是阻尼振動,達到降噪目的。
圖2 減振降噪型鋼軌
3.3 扣件方面減振降噪措施
3.3.1 軌道減振器扣件(如圖3 所示)
軌道減振器扣件為全彈性分開式,三階減振,它由金屬承軌板、底座與橡膠圈硫化為一個整體,橡膠圈承受壓力與剪力,具有橫向和垂向彈性。
3.3.2 柔性扣件
這種扣件將天然橡膠粘貼在鋼板與沖壓成型的鋼軌底之間,并在軌座下的上板和底板之間采用減振器以限制上板的橫向運動。該扣件提供了中等強度的隔振能力,可以減少頻率30 Hz 以上的振動。
圖3 軌道減振器扣件
3.4 道床方面的減振降噪措施
3.4.1 有碴軌道碎石道床
有碴軌道碎石道床自身為軌道結構提供了良好的彈性。另外,由于碎石道床為散粒狀結構,可以吸收部分噪聲,然而城市軌道交通具有行車密度大、行車間隔短、運營時間長、工作環境狹隘等特點,決定了城市軌道交通優先采用無碴軌道結構。
3.4.2 無碴軌道整體道床
(1) 有枕灌注式整體道床
① 彈性短軌枕式整體道床(如圖4 所示)
彈性短軌枕式整體道床由兩個獨立的短軌枕、彈性鋼軌扣件和軌下彈性墊板及混凝土道床等部分組成。短軌枕外設橡膠套提供軌道的縱、橫向彈性變形, 具有較好的噪聲和振動衰減特性,彌補了無碴軌道剛性大的缺陷。但是,在高架橋上使用這種軌道結構,當高溫暴曬和雨水或臟物進入橡膠套靴內部時可能對結構性能或壽命產生不利影響。
② 彈性長枕式整體道床
這種道床由長軌枕、橡膠墊減振箱、承軌槽道床等組成。這種軌道結構的特點是橡膠墊減振箱施工就位及維修更換比彈性短軌枕式軌道方便,軌距容易保證。在高架橋上使用較為有利,而且施工難度及工程造價比其他減振軌道小。
(2) 浮置板式整體道床
① 橡膠支承式浮置板整體道床(如圖5 所示)
橡膠支承式浮置板軌道是將預制的鋼筋混凝土板置于可調的橡膠支座上。該結構由鋼筋混凝土浮置板、橡膠支座、混凝土底座及配套扣件組成。用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上,浮置板前后左右均嵌入橡膠板,形成減振系統,達到減振降噪效果。其阻尼效應可達30 dB , 并且軌道的絕緣性強,可有效防止軌道迷流的發生。但是,其體積龐大,施工與維修不便,造價較高。
② 彈簧隔振器浮置板整體道床(如圖6 所示) 。德國GERB( 隔爾固) 公司研制的彈簧隔振器浮置板軌道,采用螺旋彈簧支承浮置板道床,因為其固有頻率很低,故采用彈簧隔振器浮置板軌道比橡膠支承式浮置板軌道的減振效果還好。雖然螺旋彈簧幾乎沒有阻尼作用,但由于浮置板較重( > 5tΠm) ,列車通過而引起
圖4 彈性短軌枕式整體道床
圖5 橡膠支承式浮置板整體道床
圖6 彈簧隔振器浮置板整體道床
圖7 鋼軌埋置板式軌道結構
浮置板的振動加速度較小,因此,浮置板支承阻尼作用影響較小,如果利用阻尼減小浮置板的振動,可安裝與螺栓彈簧并聯的粘滯阻尼器,則浮置板的減振效果更好。
(3) 鋼軌埋置式板式軌道結構(如圖7 所示)
這種軌道結構以縱向連續支承取代傳統的分散點支承,增加了軌底支承的應力水平,并在鋼軌周圍使用彈性材料,取得良好的減振降噪效果。這種軌道結構在荷蘭首先采用,使用20 多年維修工作量相當少。
4 結語
隨著新一輪城市規劃的調整,特別是在“ 十五”期間,我國將有許多城市建設城市軌道交通。在建設城市軌道交通過程中,噪聲污染問題是必須解決好的重大課題。只有把這一問題解決好了,才能真正把城市軌道交通建設成為利國利民造福工程。
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