城市轨道交通轨道结构噪声分析与减振降噪措施
摘要:通过对城市轨道交通轨道结构噪声来源的分析,提出从轨道结构方面采取的减振降噪措施。关键词:城市轨道交通 轨道结构 振动 噪声 减振降噪
随着部分城市轨道交通线路的开通运营,沿线部分地段的噪声超标问题引起了社会的广泛关注。控制振动与噪声,除采取行政管理手段对城市轨道交通进行合理规划外,还需对轨道结构、机车车辆采取减振、消音、隔音等技术手段,最大限度地减少轨道交通产生的振动与噪声对人体造成的损害。
结构既是城市轨道交通的振源,也是振动传播途径中的重要环节。本文从分析城市轨道交通的振动与噪声来源入手,从轨道结构方面采取一些措施,以达到减振降噪的目的。
1 城市轨道交通轨道结构噪声来源分析
大量研究结果表明,列车引起的噪声可分为四个部分:轮轨噪声、集电噪声、车厢的空气动力噪声和桥梁结构的二次振动噪声。随着列车运行速度的变化, 轨道交通的主噪声源也随之变化。轨道交通的噪声源图如图1 所示。我国城市轨道交通列车运行速度一般在60～80 kmΠh , 故相应的主噪声源为轮轨噪声,有效分析轮轨噪声产生的机理是找到城市轨道交通减振降噪的关键。城市轨道交通轨道结构的轮轨噪声的振动来源于轨道的不平顺。钢轨与运行中的列车车轮相互作用,激起钢轨和轨下基础的振动,钢轨就向外辐射噪声,振动随轨下基础向周围传递, 或引起振动, 或造成结构的“ 二次噪声”。
图1 轨道交通噪声源图
轮轨噪声主要有三种类型:尖叫噪声、冲击噪声、和滚动噪声。尖叫噪声主要是当列车通过小半径曲线时,由于车轮受转向架约束,不能正切钢轨运行,即车轮不能处于曲线的径向位置,车轮在钢轨上向前滚动时同时沿轨面横向滑动,产生轮轨接触面的粘着和空转,引起车轮共振,产生强的窄频带尖叫声;冲击噪声是列车车辆通过轨缝、道岔或车轮踏面擦伤、剥离等轮轨表面的不连续性而引起的垂直激励产生非线性的振动并辐射噪声。滚动(轰鸣) 噪声是由于列车运行时, 由钢轨表面粗糙、凸凹不平,钢轨表面伤痕、马鞍形磨耗及轮轨尺寸偏差等引起车轮和钢轨相互振动,并通过轨道结构传递辐射噪声。
2 城市轨道交通噪声的评价与标准
目前,我国城市轨道交通噪声的评价指标和标准限制值尚未确定。1982 年,我国颁布的《城市区域环境噪音标准》(GB3096 —82) 中规定:道路交通噪声的评价指标采用等效声级LAeq ,并分昼夜两段时间评价,相应作出不同的标准限制,如表1 城市各类区域环境噪声标准所示。
表1 城市各类区域环境噪声标准
摘自《城市区域环境噪音标准》(GB3096 —82)
3 城市轨道交通减振降噪措施
从轨道结构方面对线路减振降噪主要是解决轮轨噪声,包括线路线型、轨道及道床几个因素。
3.1 线路方面减振降噪措施
3.1.1 采用较大半径曲线线路
在进行城市轨道交通规划设计时,尽量采用较大的曲线半径,以减小列车通过的冲击噪声。当然,由于城市轨道交通线路穿行于市内,一般均位于较为繁华的人口密集地段,线路选形受到很大限制,这一措施很难实现。
3.1.2 采用超长无缝线路
由于无缝线路减少了钢轨接头,减少轮轨间的冲击力,减少了脉冲型的激扰源,从而减少了振动与噪声。无缝线路较普通线路可降低噪声10 dB 。
3.2 钢轨方面减振降噪措施
3.2.1 打磨钢轨,使轮轨表面平滑
由于噪声和振动在500～2 500 Hz 频率范围内线性相关,且钢轨在此范围内是主要的辐射体,因此抑制钢轨振动,减小钢轨的振动加速度和频率可有效地对线路进行减振降噪。而钢轨顶面的粗糙度是轮轨系统相互激扰,引起钢轨振动,产生滚动(轰鸣) 噪声的主要因素。降低钢轨表面的粗糙度最直接的方法便是对钢轨进行打磨,使轮轨接触面平滑。试验表明:使用16 # 砂轮可实现平均表面粗糙度Ra = 813μm , 与新钢轨的表面粗糙度( Ra = 2510 μm) 相比,更光滑。在整个线路铺设完毕后,用轨道打磨列车对整条线路进行打磨可降低滚动噪声级超过5 dB 。
3.2.2 采用重型钢轨
重型钢轨在受列车冲击时振动相对较小,随着钢轨重量的增加,钢轨的垂向刚度增大,因而采用重型钢轨可有效抑制钢轨的垂向振动。
3.2.3 采用减振降噪型钢轨
当列车通过钢轨顶面时,由于钢轨腹板的厚度较薄,轨腰产生振动,这一振动向外传播产生噪声。为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声,可在钢轨腹板两侧粘贴减振橡胶和钢板(如图2 所示) 。粘贴钢板是为了增加振动质量,起到衰减振动的作用;粘贴橡胶则是阻尼振动,达到降噪目的。
图2 减振降噪型钢轨
3.3 扣件方面减振降噪措施
3.3.1 轨道减振器扣件(如图3 所示)
轨道减振器扣件为全弹性分开式,三阶减振,它由金属承轨板、底座与橡胶圈硫化为一个整体,橡胶圈承受压力与剪力,具有横向和垂向弹性。
3.3.2 柔性扣件
这种扣件将天然橡胶粘贴在钢板与冲压成型的钢轨底之间,并在轨座下的上板和底板之间采用减振器以限制上板的横向运动。该扣件提供了中等强度的隔振能力,可以减少频率30 Hz 以上的振动。
图3 轨道减振器扣件
3.4 道床方面的减振降噪措施
3.4.1 有碴轨道碎石道床
有碴轨道碎石道床自身为轨道结构提供了良好的弹性。另外,由于碎石道床为散粒状结构,可以吸收部分噪声,然而城市轨道交通具有行车密度大、行车间隔短、运营时间长、工作环境狭隘等特点,决定了城市轨道交通优先采用无碴轨道结构。
3.4.2 无碴轨道整体道床
(1) 有枕灌注式整体道床
① 弹性短轨枕式整体道床(如图4 所示)
弹性短轨枕式整体道床由两个独立的短轨枕、弹性钢轨扣件和轨下弹性垫板及混凝土道床等部分组成。短轨枕外设橡胶套提供轨道的纵、横向弹性变形, 具有较好的噪声和振动衰减特性,弥补了无碴轨道刚性大的缺陷。但是,在高架桥上使用这种轨道结构,当高温暴晒和雨水或脏物进入橡胶套靴内部时可能对结构性能或寿命产生不利影响。
② 弹性长枕式整体道床
这种道床由长轨枕、橡胶垫减振箱、承轨槽道床等组成。这种轨道结构的特点是橡胶垫减振箱施工就位及维修更换比弹性短轨枕式轨道方便,轨距容易保证。在高架桥上使用较为有利,而且施工难度及工程造价比其他减振轨道小。
(2) 浮置板式整体道床
① 橡胶支承式浮置板整体道床(如图5 所示)
橡胶支承式浮置板轨道是将预制的钢筋混凝土板置于可调的橡胶支座上。该结构由钢筋混凝土浮置板、橡胶支座、混凝土底座及配套扣件组成。用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上,浮置板前后左右均嵌入橡胶板,形成减振系统,达到减振降噪效果。其阻尼效应可达30 dB , 并且轨道的绝缘性强,可有效防止轨道迷流的发生。但是,其体积庞大,施工与维修不便,造价较高。
② 弹簧隔振器浮置板整体道床(如图6 所示) 。德国GERB( 隔尔固) 公司研制的弹簧隔振器浮置板轨道,采用螺旋弹簧支承浮置板道床,因为其固有频率很低,故采用弹簧隔振器浮置板轨道比橡胶支承式浮置板轨道的减振效果还好。虽然螺旋弹簧几乎没有阻尼作用,但由于浮置板较重( > 5tΠm) ,列车通过而引起
图4 弹性短轨枕式整体道床
图5 橡胶支承式浮置板整体道床
图6 弹簧隔振器浮置板整体道床
图7 钢轨埋置板式轨道结构
浮置板的振动加速度较小,因此,浮置板支承阻尼作用影响较小,如果利用阻尼减小浮置板的振动,可安装与螺栓弹簧并联的粘滞阻尼器,则浮置板的减振效果更好。
(3) 钢轨埋置式板式轨道结构(如图7 所示)
这种轨道结构以纵向连续支承取代传统的分散点支承,增加了轨底支承的应力水平,并在钢轨周围使用弹性材料,取得良好的减振降噪效果。这种轨道结构在荷兰首先采用,使用20 多年维修工作量相当少。
4 结语
随着新一轮城市规划的调整,特别是在“ 十五”期间,我国将有许多城市建设城市轨道交通。在建设城市轨道交通过程中,噪声污染问题是必须解决好的重大课题。只有把这一问题解决好了,才能真正把城市轨道交通建设成为利国利民造福工程。
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