减振原理在城市高架轨道交通中的应用

摘 要:从高架轨道振动产生的原因及减振的基本原理入手,分别从轨道结构、桥梁结构、周围的建筑物三个方面,讨论如何利用减振原理减小高架轨道 交通 中振动对周围环境的 影响 ,并对未来城市高架轨道的 发展 提出了建议,以使城市高架轨道交通真正走上可持续发展的道路。

关键词:高架轨道,减振原理,减振措施

随着 中国 经济 的迅猛发展,城市规模的扩大,私家车数量的增加,城市车满为患,交通拥堵状况日益严重。尤其是2008年奥运会将在北京举办,届时将会有大批的运动员和游客涌入中国,城市交通将接受更严峻的考验。因此,解决城市交通拥堵 问题 已成为政府的当务之急。

轨道交通与其他交通工具相比,具有快捷、运输量大、安全可靠等优势,在解决城市交通拥堵问题时,它成为许多大城市优先发展的公共基础设施。然而,轨道交通在解决交通拥堵的同时,由于轮轨之间的撞击、车辆设备等产生的振动对周围环境产生极其不利的影响,特别对沿线居民的生活和工作影响巨大,这在一定程度上制约了轨道交通的发展。随着人们生活水平的提高,对环境要求也越来越高,城市轨道交通要走可持续发展的道路,就要解决振动对环境的影响。文中从城市轨道交通振动产生的原因入手,讨论如何利用减振技术减小振动对周围环境的影响。

1 高架轨道振动产生的原因

城市高架轨道交通中,引起振动的原因主要有以下几个方面[2]:机车本身的动力作用;机车和车辆以一定速度通过时的动力作用;轨道不平顺,以及钢轨顶面不均匀磨耗;车轮安装偏心产生的连续不平顺,以及车轮踏面不均匀磨耗引起的单独不平顺。轮轨之间的振动经过轨枕、道床,传递至桥梁基础,再传递给地面,从而对周围区域产生振动,并进一步传播到周围建筑物。其影响因素主要有列车速度、车辆重量、桥梁结构类型和基础类型、桥梁跨度、刚度、挠度等,列车与桥梁的动力相互作用也会加大振动作用。

2 减振的基本原理

减振控制的基本原理是在结构构件之间或建筑物与基础之间设置减振装置,通过减振装置的耗能特性,减小振动能量向周围环境的传递,达到减小振动对周围环境影响的目的。下面以基础隔振体系为例,说明减振的基本原理[3]。如图1所示,图1中xg为地面竖向位移;xs为上部结构竖向位移;Ds为上部结构与地面之间的相对位移;M为上部结构质量;K为隔震装置的竖向刚度;C为隔震装置的阻尼。根据图1,可以得出振动下结构体系的运动方程:

转换函数H(ω)的物理意义为振动时隔震结构加速度与地面加速度的比值。它表明隔震结构对地面振动加速度的衰减效果。现定义Ra为隔震结构的加速度反应衰减比:

从式

(4)中可以看出,如结构所在的场地频率ω为已知,通过合理选取隔震装置(其固有频率ωn,阻尼比ζ),控制隔震结构的加速度反应衰减比Ra,达到最佳的减振效果。

3 减振措施的 应用

3.1 轨道结构减振措施

采用减振设计的新型轨道结构,利用结构的特殊构造,通过弹性构件的耗能作用,可有效降低列车运行时引起的振动,新型轨道结构主要有以下几类。

3.1.1 浮置板式轨道结构

浮置板式轨道结构是由整块钢筋混凝土板和支撑它的弹性元件组成。常用的弹性元件有橡胶垫,玻璃纤维垫及阻尼弹簧隔振器等。弹性元件厚度约40mm,钢筋混凝土板“浮”在基面上的,列车运行产生的高频振动,透过隔振器减为低频,振动幅度明显减弱,在所有减振降噪型轨道结构中,浮置板轨道结构具有最好的减振降噪效果。据联邦德国有关部门测试,有道碴下垫层和浮置板式的轨道结构其阻尼效应可减振达30dB,且在垂直荷载20%~100%变化范围内其隔振的效果几乎保持不变。 LVT无碴轨道结构(弹性支承块式)是普通支承块的改进形式,即在支承块下加设弹性橡胶套。橡胶套的设置使轨道沿纵、横向发生弹性变形,使这种无碴轨道在承载、动力传递和能量吸收等方面更接近坚实基础上的碎石轨道,使列车引起的振动降低到最小。由于LVT的减振降噪效果较为明显,因此,城市轨道 交通 中对振动和噪声敏感的地段,特别是高架结构,弹性支承块式无碴轨道结构是一种比较理想的选择方案。

3.1.3 有碴轨道加设减振件结构3.2 高架桥梁的减振措施

采用减振支座(主要有普通橡胶支座、叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座等)是高架桥中减少振动的有效措施。通过调整减振支座的刚度,从而控制结构的振动频率和周期,避开列车运行引起的竖向振动频率,达到减振的效果。工程实践中采用减振支座的桥梁,其自振周期明显增大,竖向变形增加,加速度反应衰减比可达到0.1~0.3。

3.3 周围建筑物的减振措施

高架轨道周围的建筑物受列车振动的 影响 ,随建筑物距钢轨距离的增加而衰减,在距钢轨25m处,振动几乎衰减到零,在此距离之外,列车振动对建筑物已无明显影响。高架轨道周围的建筑采用减振措施主要针对距高架轨道25m以内的建筑物。对于已有的建筑,可以在建筑和高架轨道之间通过挖减振沟和设隔振墙等设置隔振屏障,只要沟的深度和墙的板质、厚度、深度合适就可以获得理想的减振效果。

4 建议

人们物质生活提高的同时,对环境质量的要求也越来越高,高架轨道交通产生的振动也越来越引起人们的高度重视。减小振动,改善居民环境,已成为高架轨道交通 发展 必须解决的课题。因此,应对振动的各方面因素进行综合 研究 ,加大科研资金的投入,加大新型减振技术和产品的开发力度。另外,政府部门在修建高架轨道时,应从全局出发,充分考虑交通和环境的协调发展,这样,城市高架轨道交通才能真正走上可持续发展的道路。

参考 文献 :[2]雷晓燕.铁路轨道结构数值 分析 方法 [M].北京: 中国 铁道出版社,1998.29-30.

[3]周福霖.工程结构减振控制[M].北京:地震出版社,1997.40-41.

[4]ChuaK.H,LK.W.andKohC.G.(19

9

7).“PerformanceofUr-banRailTransitSystem:VibrationandNoiseSystem[J].JournalofPerformanceofConstructedFacilities,67-75.

[5]练松良,刘加华.城市轨道交通减振降噪型轨道结构的选择[J].城市轨道交通研究,2003.35-41.

[6]夏 禾,吴 萱,于大明.城市轨道交通系统引起的环境振动 问题 [J].北方交通大学学报,1999

(4):1-7.

[7]谷爱军,范俊杰.轨道结构上隔振垫层的性能分析[J].北方交通大学学报,2003

(4):27-31.