无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究

-38-CHINESERAILWAYS2009/10无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究马筠等研究·探讨科技创新展无砟轨道技术，是我国铁路快速提升技术装备水平，实现铁路现代化发展的重要举措。无砟轨道以其稳定性好、耐久性强和少维修（甚至免维修）等特点逐渐成为现代高速铁路轨道的主要结构型式。但相对于有砟轨道，无砟轨道结构刚度较大、弹性较差，增加了轮轨的振动，且混凝土构件形成较强的声反射刚性表面，加强了噪声的混响作用和辐射，列车运行时的噪声振动问题更为突出，因此开展客运专线无砟轨道减振降噪理论与应用研究具有重要意义。国内既有铁路线路，大多属于有砟轨道结构，鲜见对无砟轨道列车运行辐射噪声和振动特性的研究和报道[1]。为降低无砟轨道列车运行辐射噪声、振动对环境的影响，针对无砟轨道铁路噪声、振动特性及其防治对策进行了专项研究。1列车辐射噪声特性研究在国内西南地区进行无砟轨道试验段动车组运行辐射噪声测试，对所测数据进行处理、回归统计和理论分析，研究国内典型无砟轨道线路条件[2]下列车辐射噪声特性（见表1）。无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究马筠：中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，副研究员，北京，100081翟婉明：西南交通大学牵引动力国家重点实验室，教授，四川成都，610031摘要：通过国内西南地区无砟轨道试验段的动车组实车运行试验，研究动车组在路基和高架结构典型无砟轨道线路条件下运行的辐射噪声与环境振动特性。通过实际测量和仿真计算，对铁路减振降噪效果进行分析比较和综合评估，并提出减振降噪的措施和建议。关键词：无砟轨道；辐射噪声；环境振动；控制措施表1国内典型无砟轨道试验线路条件一览表线路类型轨道类型桥梁结构或线路条件线路基础地质条件高架结构框架型板式坡度：4‰预应力混凝土单线简支箱梁；24m＋2×32m钢筋混凝土矩形实体墩，最大墩高8m，支座类型为盆式调高支座桥梁承台及桩基础砂泥岩风化层路基减振型板式承轨台厚20mm；轨道板厚190mm；橡胶垫层厚20mmCA砂浆厚40mm；C40钢筋混凝土底座厚：160mm强夯黏性土3～4m双块式钢轨：25m长60kg/mU75V无孔热轧新轨扣件：WJ-7型弹性分开式扣件C20混凝土基础上部为级配碎石，其下为红层改良土；基底为强夯黏性土及砂泥岩风化层普通板式钢轨：25m长60kg/mU75V无孔热轧新轨扣件：WJ-7型弹性分开式扣件C20混凝土基础CFG桩黏性土5～6m发-39-CHINESERAILWAYS2009/10无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究马筠等研究·探讨科技创新动车组型号为CRH2，列车编组为4M＋4T，昀大轴重14t。1.1列车辐射噪声源强在路基和高架结构典型无砟轨道线路条件下，动车组运行速度为160～220km/h时的辐射噪声值见表2。由表2可知，近距离内，当动车组以160～220km/h速度运行时，高架结构与路基线路相比，相同车速列车辐射噪声约高1～5dBA。1.2近距离垂向分布特性动车组以200～220km/h速度通过不同线路类型、不同轨道结构时近距离列车辐射噪声的垂向分布见图1。由图1（a）可知，动车组通过高架结构测点时，列车辐射噪声昀大声级出现在轨顶面以上1.5m处，3m和4.5m处的声级相差很小。动车组运行速度在220km/h以内时，声级昀大值出现高度不受速度的影响，轨顶面以上1.5m处的测点，主要受轮轨噪声和部分空气动力噪声的影响。高架结构列车辐射噪声轨顶面以上0m，0.5m处声级低于1.5m处，这是因为近场测点设置在桥体栏杆处，测点与轨道中心线之间有高为0.7m的防护墙，遮挡了部分轮轨噪声向外辐射。由图1（b）可知，动车组通过路基线路测点时，昀大声级出现在轨顶面以上0.5m处。与高架结构相似，路基线路声级昀大值出现高度也不受速度的影响。轨顶面以上0.5m处的测点，主要受轮轨噪声的影响。1.3声源频谱特性试验研究了路基和高架结构区段动车组通过时的噪声频谱特性。相同车型动车组通过无砟和有砟轨道时的声级与频率关系见图2，图3。由图2可知，动车组通过无砟轨道时噪声昀大声能图2典型无砟轨道不同车速时的噪声频谱特性线路类型轨道类型辐射噪声Leq/dBA距轨道中心线距离/m距轨面高度/m160km/h170km/h180km/h190km/h200km/h210km/h220km/h高架结构框架型板式100.5101.5102.5103.0104.0104.5105.54.01.5路基减振型板式96.597.598.599.5100.5101.5102.04.21.5普通板式99.5100.0100.0100.0100.03.03.0双块式99.599.5100.0100.0100.0100.0100.53.01.5表2160～220km/h速度运行时的辐射噪声Leq图1无砟轨道结构近距离列车辐射噪声垂向分布（a）高架结构（框架型板式，0.7m防护墙）（b）路基线路（减振型板式）等效声级Leq/dBA测点距轨面高度/m1101051009590858000.51.534.5200km/h210km/h220km/h1/3倍频程中心频率/Hz1059585756545等效声级Leq/dBA10510095908580200km/h210km/h220km/h图3典型有砟轨道不同车速时的噪声频谱特性00.51.534.5声压级Lp/dB2040801603156301250250050001000020000160km/h180km/h190km/h200km/h210km/h220km/h声压级Lp/dB10090807050604020408016031563012502500500010000200001/3倍频程中心频率/Hz160km/h180km/h190km/h200km/h210km/h220km/h测点距轨面高度/m-40-CHINESERAILWAYS2009/10无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究马筠等研究·探讨科技创新量主要集中在100Hz以下低频段和500～2000Hz附近的中高频段，其噪声频谱特性与图3中的有砟轨道相似。在板式轨道条件下，假设列车运行速度为240km/h，对钢轨近旁（离轨道中心线水平距离2m，高于轨顶面1.2m）处等效声级的频谱进行仿真计算[3]（见图4）。由图4可知，钢轨辐射的主要是中、高频噪声，车轮辐射的主要是高频噪声，而轨道板则主要辐射中、低频噪声。在125～5000Hz频率范围内，仿真计算结果与现场无砟轨道板式结构的测试结果基本一致。对比图2与图4可发现，250km/h以下速度时轮轨噪声是板式无砟轨道的主要噪声源。1.4声源时域特性CRH2动车组以220km/h速度通过典型无砟轨道结构区段时的噪声时域信号见图5。从图5可知，动车组通过测点时其瞬时声级水平高于本底噪声20dBA以上，声级变化率在10dBA以上。测试结果表明车速越高，瞬时声级与本底噪声的声级差值和声级变化率越大，列车辐射声级随车速增加有增大趋势。1.5列车辐射噪声与车速的关系列车辐射噪声与车速的关系，因车型、线路条件、轨道结构的不同略有差异。假定其他条件不变，仅考虑车速对列车辐射噪声的影响，则有：Lv=L0+ΔLV（1）式中：Lv——列车运行时的声级，dB；L0——列车运行时的参考声级，dB；ΔLV——声级随列车速度变化的修正量，dB。通过对无砟轨道试验段不同车速实测数据处理和分析，可得到典型无砟轨道结构车速与ΔLV之间的关系，即：ΔLv=10nlg（2）式中：v——列车运行速度，取值范围为160～220km/h；v0——列车参考速度，km/h；n——常数，依轨道结构不同，在1.2～3.8取值。常数n值与相关文献报道吻合[4]。2列车环境振动特性在国内无砟轨道试验段现有条件下，根据运行速度、线路结构、轨道结构等影响环境振动的主要因素，对动车组运行产生的环境振动进行测试，对所测数据进行处理、回归统计及理论分析，得出典型无砟轨道结构下，不同速度时的辐射振动特性。2.1列车运行辐射振动动车组在路基和高架结构典型无砟轨道条件下的地面振动值见表3。线路类型轨道类型列车辐射振动VLz,eq/dB参考位置160km/h170km/h180km/h190km/h200km/h210km/h220km/h高架结构框架型板式66.066.066.066.567.068.071.0距列车运行线路中心线30m地面处路基减振型板式77.577.578.078.079.079.079.0普通板式75.075.076.577.077.077.578.0双块式82.082.083.083.083.083.084.0图5CRH2动车组220km/h通过无砟轨道结构时列车辐射噪声时域信号谱图4板式结构轮轨噪声频谱表3160～220km/h速度运行时的列车辐射振动VLz,eq声压级Lp/dB1/3倍频程中心频率/Hz1101009080706010016025040063010001600250040006300车轮钢轨轨道板总声级声压级Lp/dB1081041009692888480767200.511.522.533.544.5列车通过时间/sVV0-41-CHINESERAILWAYS2009/10无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究马筠等研究·探讨科技创新2.2地面振动频谱特性动车组200km/h通过有砟和无砟轨道时的振动加速度级与频率关系见图6。由图6可知，典型无砟轨道环境振动能量主要集中在20～80Hz频段；车速为200km/h时，减振型板式无砟轨道结构引起的环境振动在80Hz处出现昀大值，有砟轨道在20～25Hz呈现昀大值。2.3振动时域特性CRH2动车组以220km/h速度通过无砟轨道结构路基区段时的地面振动时域信号测试结果见图7。列车通过测点时，振级大小在测量时段内变化明显，通常瞬时振动加速度级水平高于本底振动10dBA以上，VALz变化率在15dB以上，且呈现车速越高，瞬时VALz与本底振动差值和VALz变化率越大的趋势。振动能量主要集中在列车通过测点的正前方位置；列车辐射VALz随车速增加有增大趋势。3主要噪声振动控制措施为有效控制和降低无砟轨道列车运行引起的环境噪声、振动的影响，主要在3个方面采取措施，即噪声、振动源的控制；噪声、振动传播途径的控制；敏感建筑的防护措施。3.1控制污染源（1）制定相关标准。制定符合国情的客运专线列车辐射噪声、振动标准，对铁路噪声、振动加以控制。（2）客运专线动车组噪声、振动控制。主要技术措施包括：保证轮轨接触面状况良好、采用盘形制动装置，装设防滑器；采用车裙和防护墙；加装受电弓罩，改善受电弓滑板形状、提高接触网拉力、减少受电弓数目等；列车表面轮廓平滑化；采用轴重小、动力分散型动车组。（3）无砟轨道噪声振动控制。主要技术措施包括：打磨钢轨和整修车轮，改善轮轨接触状态，控制轨道不平顺度；采用质量弹簧系统或弹性支撑块无砟轨道；轨道表面安装吸声板；设防护墙。通过调整轮轨表面粗糙度系数、车轮辐板厚度、轨下胶垫刚度和阻尼、轨道板质量等轮轨系统参数可降低轮轨噪声[5]。为显示降噪效果，采用轮轨噪声仿真分析模型进行计算，如按表4参数调整方案，计算结果表明在125～5000Hz频率范围内轮轨噪声可下降5.4dBA。基于实测结果的减振降噪措施效果评估认为，同样条件下，框架型板式无砟轨道噪声低于其他无砟轨道结构；减振型板式引起的环境振动低于普通型板式无砟轨道；放置吸声板后，框架型板式无砟轨道的降噪效果明显好于其他无砟轨道结构[6]。仿真计算结果表明，当轨下胶垫刚度小于200MN/m，阻尼为100kN·s/m时，在桥梁恒载容许范围内，适当增加轨道板质量和厚度，增大轨下支撑和板下支撑的弹性，均有利于降低板式无砟轨道噪声和环境振动。图8给出了轨道板厚度对无砟轨道地面振动加速度响应影响一例，其中地面振动考察点距离轨道中心5m。从轮轨表面粗糙度系数车轮辐板厚度/mm轨下胶垫阻尼/（kN·s·m-1）轨道板质量/kg原值3.0×10-735.04.5×1044