城市轨道交通中的振动和噪声控制.docx

城 市 轨 道 交 通 中 的 振 动 和 噪 声 控 制Ξ周 建 民摘 要 分析了 城 市 轨 道 交 通 中 产 生 振 动 、 噪 声 的 原因以及可能造成的不利影响 ;提出了从线路设计 、 轨道结构 设 计 、 建筑物基础以及 施 工 和 维 修 养 护 等 四 方 面 降 低 振 动 和噪声的技术控制措施 关键词 轨道交通 ,振动 ,噪声 ,减振时 的动力作用 ; 3) 轨 道 不 平 顺 ,以 及 钢 轨 顶 面 不 均匀 磨耗 ;4) 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 1 . 2 振动的影响因 地 铁 行 驶 产 生 的 振 动 将 引 起 列 车 振 动 和 轨道 结构振动 ,后 者 又 会 激 励 地 铁 隧 道 的 振 动 ,并 引 起贴近地铁隧道 、 或直接建在地铁隧道上面的建筑 物振动 可能造成的不利影响主要有 :1) 机车 和 客 车的平稳性降低 ,达 不 到 规 定 的 舒 适 度 要 求 ; 2) 过 大的振动加速度会造成轨道部件 ,尤其是钢轨和道 床 的提前损伤 ,甚 至 破 坏 ; 3) 钢 轨 的 高 频 振 动 是 地 铁噪声的主要根源 ;4) 贴近地铁隧道或直接建 在 地 铁 隧道上面的建 筑 物 过 大 的 振 动 影 响 建 筑 使 用 性 和适应性 。

发 展 快 速 轨 道 交 通 不 仅 能 有 效 改 善 城 市 的 交通环境 ,而且还有助于城市建设和经济的发展 但 是也应该承认 ,地铁交通系统在行驶过程中由于轮子与钢轨的撞击 ,产生冲击波和噪声 冲击波将在地铁轨道结构 、 隧道 、 土层和地面建筑物内转播 ,产 生 相应的振动 ,对 周 围 环 境 可 能 造 成 不 利 影 响 ,尤 其 是对贴近地铁 隧 道 或 直 接 建 在 地 铁 隧 道 上 面 的 建 筑物引起的过 大 振 动 将 直 接 影 响 建 筑 物 的 使 用性和适应性 因而在已有地铁时设计新建筑物 ,或 在 已有建筑物条 件 下 设 计 地 铁 就 应 该 考 虑 这 种 不 利 影 响 ,采 取 有 效 的 控 制 措 施 但 遗 憾 的 是 ,我 国 现 有的 《 建 筑 结 构 设 计 规 范 》 和 《 地 下 铁 道 设 计 规 范 》 都没有涉及这方面的内容 本文结合国内外理论研究成果和现场实测情况 ,分析了地铁振动的原 因 ,初步总结了包括地铁结构和建筑物基础等方面 的一些减隔振和降低噪声的技术措施 2 振 动 控 制 方 法前述引起振动原因是多方面的 , 因此要减小轮轨间的撞击和由此产生的振动就应多因素分析 , 采 取振动综合控制方法来解决问题 。

所谓振动综合控 制 , 也就是为了达 到 有 效 的 减 隔 振 目 的 , 在 地 铁 规划 、 线路平面设计 、 轨道结构设计 、 线路施工和维修 养护 、 以及减隔振体系的运用等方面技术措施的有 机 综合 其中减 隔 振 体 系 的 减 隔 振 效 果 最 为 明 显 下面以基础隔振体系为例 , 说明结构隔振的基本原理 图 1 为基础隔振体系对地面竖向动力作用 反 应 的计算模型 其中 : M 为上部结构重量 ; Kv , Cv 为隔振装置的刚度和 阻 尼 系 数 ; Xvg 为 地 面 竖 向 运 动 位1 地 铁 结 构 振 动 原 因 及 影 响1 . 1 振动原因当地铁列车以一定速度通过轨道时 ,车辆和轨道 将 产 生 振 动 ,引 起 振 动 的 原 因 可 归 结 为 1 : 1) 机 车本身的动力作用 ;2) 机车和车辆以一定速度 通 过Ξ周 建 民 :同 济 大 学 铁 道 建 筑 系 ,副 教 授 ,上 海 200331·16 ·百 家 论 坛2) 地铁地 下 线 路 尽 量 与 道 路 红 线 及 城 市 主 要 建筑物平行 ,应避免在建筑物地下通过 。

3) 曲线半径 400 m 以下 的 线 路 钢 轨 磨 耗 大 、 会 产生较大的振动和噪声 ,在实际中应尽量少用 4) 在正线 上 若 曲 线 半 径 等 于 或 小 于 2 000 m ,则 圆曲线同直线 的 连 接 应 根 据 不 同 的 曲 线 半 径 和 行车速度设置缓和曲线 5) 从减少地铁噪声对两侧建筑物的影响 角 度 ,地铁的高架线和地面线应布置在道路中心带上 第 4 期移 ; Xvs 为上部结构竖向运动位移 由达朗贝尔原理得到的运动微分方程如下 :x vs + 2ωvnζv x vs + ω2 x = 2ω ζ x + ω2 x (1)vn vs vn v vg vn vg式中 :ωvn ———结构竖向固有频率 ,= ( Kv / m) 1/ 2 ;ωvnζv ———结竖向振动等效阻尼比 ,ζv = C/ 2 mωvn 3 . 2 轨道结构设计时的措施1) 重型钢 轨 受 地 铁 冲 击 振 动 相 对 较 小 有 试验 表明 ,60 kg/ m 钢 轨 较 50 kg/ m 钢 轨 振 动 要 减 少20 % 故在允许情况下应尽量采用 60 kg/ m 钢轨 。

2) 直线和 曲 线 半 径 大 于 300 m 的 区 域 宜 采 用 无 缝线路 ,曲 线 半 径 小 于 300 m 的 地 带 可 以 铺 设 耐磨长钢轨 接头大量减少 ,有效地降低轮轨间冲击振动和噪声 3) 钢轨顶面 不 平 度 的 打 磨 、 车 轮 的 镟 圆 、 小 半 径 曲线区域的 钢 轨 涂 油 等 措 施 也 有 助 于 振 动 和 噪声的减少 4) 铺轨施工应严格控制质量标准 ,保证轨 道 平 顺 5) 为了降低地铁的振动和噪声 ,国内开发 研 制 了 轨道 减 振 器 其 外 形 为 椭 圆 形 锥 形 的 橡 胶 圈充分利用了橡胶剪切变形 ,具有较好的弹性 橡胶 圈 、 承载板 、 底座硫化成整体等措施 ,避免了应力集 中 ,提高其耐久性 上海地铁 1 号线在较高减 振 区 段 铺设约 5 km 轨 道 减 振 器 扣 件 ,减 振 效 果 十 分 明 显 经 现 场 调 查 ,一 、 二 类 房 屋 对 下 面 地 铁 通 过 无感 觉 ,在 三 类 旧 房 屋 对 地 铁 引 起 的 振 动 有 轻 微 感 觉 ,完全达到国家环境保护要求 。

6) 道床 型 式 的 选 用 道 床 分 为 碎 石 和 整 体 两 种 地铁的地面线可用碎石道床 ,而地铁的地下线 和高架线由于结构高度的限制 ,则宜采用整体式道床 整体式 道 床 又 分 无 枕 式 和 轨 枕 式 试 验 研 究 表明 3 ,无枕式整体道床的地铁冲击振动比轨枕式 整体道床大的多 所以为了降低振动和噪声 ,应尽 量 采用轨枕式 整 体 道 床 轨 枕 式 整 体 道 床 包 括 短 枕 式和长枕式 两 种 上 海 地 铁 选 用 了 长 枕 式 整 体道 床 ,使 用 状 况 良 好 另 外 ,浮 置 式 整 体 道 床 对 隧 道外的减振效果 十 分 显 著 ,美 国 、 德 国 等 都 铺 设 过 这 种道床 我 国 广 州 地 铁 1 号 线 也 在 部 分 区 段 采·17 ·图 1 计算模型令 L va 为隔振结构竖向 加 速 度 反 应 的 衰 减 比 ,由式 ( 1) 求得x · 1 + ( 2ζω/ ω ) 2vs v vnL va = x · = [ 1 - (ω/ ω ) 2 ]2 + (2ζω/ ω ) 2vg vn v vn(2) 通过 改 变 上 式 中 的 频 率 比 (ω/ ωvn) 即 可 进 行 结 构 的隔振控制 。

广州地铁曾采用橡胶垫进行控制环境振动的 列车产生的竖向 振 动 频 率 在 20～ 30 Hz ,隔 振 体 系 的结构竖向固有频率为 10 Hz 左右 ,即 ω /ω vn在 2～3 由此经式 (2) 计 算 得 到 的 L va 为 0 . 1～ 0 . 3 ,说 明隔振效果十 分 理 想 2 捷 克 在 布 拉 格 地 铁 车 站 附 近几栋住宅楼基础下面设置橡胶垫 ,也取得了很好 的 降噪减振 效 果 3 应 该 指 出 ,价 格 合 理 、 性 能 安 全 可靠的橡胶 垫 隔 振 装 置 不 但 用 于 建 筑 物 的 基 础 隔振和轨道结构的隔振 ,在结构减隔振中也得到广 泛运用 3 减 隔 振 技 术 措 施文献 4 中介绍了如下 3 方面的地铁 减 隔 振 技术措施 :3 . 1 线路平面设计时的措施1) 地铁线 路 规 划 在 有 条 件 时 应 尽 量 与 城 市 建筑发展和改造相结合 城 市 轨 道 交 通 研 究用了浮置式整体道床 2000 年力过滤装置或弹性 装 置 ( 橡 胶 垫 块 ) 能 有 效 降 低 这个频率域的振动 3) 动力作 用 频 率 在 80 Hz 以 上 范 围 的 动 力 作 用实际上不会引起大多数建筑物的振动 ,仅在建筑 与 地铁结 构 之 间 刚 性 连 接 时 能 听 到 振 动 的 声 音 。

这 个频率域的动 力 作 用 减 弱 可 以 通 过 在 结 构 之 间 设置柔性层或进行动力过滤而得到有效控制 3 . 3 建筑物基础的隔振措施对建筑物来说 ,地铁行驶的动力作用一般有两种 情形 :其一是 动 力 作 用 使 建 筑 物 产 生 振 动 ; 其 二 是动力作用本身的噪声 因此 ,可以按不同的频率区域来讨论动力作用的影响 ,并采取相应的隔振措施 1) 动力作用频率在 0～ 3 Hz 范 围 ,地 铁 结 构 处 于准静态运动 这种运动很慢 ,通常不会转递到建筑物 ,除非建筑物直接建在隧道上方或地铁站的顶 板 上面 建筑 物 和 结 构 构 件 的 最 小 自 振 频 率 一 般 在 5～ 10 Hz (结构 水 平 振 动 除 外 ) ,所 以 对 频 率 在 0～ 3 Hz 范围的 激 励 并 不 敏 感 这 个 频 率 域 的 减 振 通常采用设置防水沥青弹性层和沙垫层的方法 2) 动 力 作 用 频 率 在 3～ 80 Hz 范 围 , 建 筑 物 楼 板基频为 15～ 30 Hz ,楼板第二 、 第三 频 率 以 及 墙 体 的弯曲自振频率 一 般 在 40～ 60 Hz ,所 以 该 动 力 作 用频率域对建筑物影响很大 ,会引起结构构件的非 稳态振动 。

在结构的动力分析计算基础上 ,设置动4 结 束 语快速轨道交通行驶中产生的振动和噪声 ,是发展 城市轨 道 交 通 建 设 必 然 要 注 意 和 解 决 的 问 题 由于引起振动和噪声的原因是多方面的 ,涉及的部 门 很 多 ,职 责 不 明 给 控 制 带 来 较 大 难 度 另 外 ,缺 乏明确的控制标准和规定也是很大的不足 例如 ,目 前由于国内还 没 有 轨 道 交 通 环 境 振 动 和 噪 声 的 控 制标准 ,只能 参 考 国 家 城 市 区 域 环 境 振 动 标 准 建 议有关主管部 门 组 织 力 量 尽 快 制 定 我 国 城 市 轨 道交通振动和噪声控制标准和规定 参 考 文 献1 雷晓燕 . 铁路轨道结构数值分析方法 . 北京 :中国铁道出版社 ,19982 周福霖 . 工程结构减震控制 . 北京 :地震出版社 ,19973 Makovicka D. Structural analysis under technical seismic excitation. Proceeding of the European conference on structural 。