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1、減振原理在城市高架軌道交通中的應(yīng)用摘 要:從高架軌道振動(dòng)產(chǎn)生的原因及減振的基本原理入手,分別從軌道結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、周?chē)慕ㄖ锶齻€(gè)方面,討論如何利用減振原理減小高架軌道交通中振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響,并對(duì)未來(lái)城市高架軌道的發(fā)展提出了建議,以使城市高架軌道交通真正走上可持續(xù)發(fā)展的道路。關(guān)鍵詞:高架軌道,減振原理,減振措施隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,城市規(guī)模的擴(kuò)大,私家車(chē)數(shù)量的增加,城市車(chē)滿為患,交通擁堵?tīng)顩r日益嚴(yán)重。尤其是2008年奧運(yùn)會(huì)將在北京舉辦,屆時(shí)將會(huì)有大批的運(yùn)動(dòng)員和游客涌入中國(guó),城市交通將接受更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此,解決城市交通擁堵問(wèn)題
2、已成為政府的當(dāng)務(wù)之急。軌道交通與其他交通工具相比,具有快捷、運(yùn)輸量大、安全可靠等優(yōu)勢(shì),在解決城市交通擁堵問(wèn)題時(shí),它成為許多大城市優(yōu)先發(fā)展的公共基礎(chǔ)設(shè)施。然而,軌道交通在解決交通擁堵的同時(shí),由于輪軌之間的撞擊、車(chē)輛設(shè)備等產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生極其不利的影響,特別對(duì)沿線居民的生活和工作影響巨大,這在一定程度上制約了軌道交通的發(fā)展。隨著人們生活水平的提高,對(duì)環(huán)境要求也越來(lái)越高,城市軌道交通要走可持續(xù)發(fā)展的道路,就要解決振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。文中從城市軌道交通振動(dòng)產(chǎn)生的原因入手,討論如何利用減振技術(shù)減小振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。1高架軌道振動(dòng)產(chǎn)生
3、的原因城市高架軌道交通中,引起振動(dòng)的原因主要有以下幾個(gè)方面[2]:機(jī)車(chē)本身的動(dòng)力作用;機(jī)車(chē)和車(chē)輛以一定速度通過(guò)時(shí)的動(dòng)力作用;軌道不平順,以及鋼軌頂面不均勻磨耗;車(chē)輪安裝偏心產(chǎn)生的連續(xù)不平順,以及車(chē)輪踏面不均勻磨耗引起的單獨(dú)不平順。輪軌之間的振動(dòng)經(jīng)過(guò)軌枕、道床,傳遞至橋梁基礎(chǔ),再傳遞給地面,從而對(duì)周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生振動(dòng),并進(jìn)一步傳播到周?chē)ㄖ铩F溆绊懸蛩刂饕辛熊?chē)速度、車(chē)輛重量、橋梁結(jié)構(gòu)類(lèi)型和基礎(chǔ)類(lèi)型、橋梁跨度、剛度、撓度等,列車(chē)與橋梁的動(dòng)力相互作用也會(huì)加大振動(dòng)作用。2減振的基本原理減振控制的基本原理是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間或建筑物與基礎(chǔ)之間設(shè)置
4、減振裝置,通過(guò)減振裝置的耗能特性,減小振動(dòng)能量向周?chē)h(huán)境的傳遞,達(dá)到減小振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境影響的目的。下面以基礎(chǔ)隔振體系為例,說(shuō)明減振的基本原理[3]。如圖1所示,圖1中xg為地面豎向位移;xs為上部結(jié)構(gòu)豎向位移;Ds為上部結(jié)構(gòu)與地面之間的相對(duì)位移;M為上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量;K為隔震裝置的豎向剛度;C為隔震裝置的阻尼。根據(jù)圖1,可以得出振動(dòng)下結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)動(dòng)方程:轉(zhuǎn)換函數(shù)H(ω)的物理意義為振動(dòng)時(shí)隔震結(jié)構(gòu)加速度與地面加速度的比值。它表明隔震結(jié)構(gòu)對(duì)地面振動(dòng)加速度的衰減效果?,F(xiàn)定義Ra為隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)衰減比:3從式(4)中可以看出,如結(jié)構(gòu)所在的
5、場(chǎng)地頻率ω為已知,通過(guò)合理選取隔震裝置(其固有頻率ωn,阻尼比ζ),控制隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)衰減比Ra,達(dá)到最佳的減振效果。3減振措施的應(yīng)用3.1軌道結(jié)構(gòu)減振措施采用減振設(shè)計(jì)的新型軌道結(jié)構(gòu),利用結(jié)構(gòu)的特殊構(gòu)造,通過(guò)彈性構(gòu)件的耗能作用,可有效降低列車(chē)運(yùn)行時(shí)引起的振動(dòng),新型軌道結(jié)構(gòu)主要有以下幾類(lèi)。3.1.1浮置板式軌道結(jié)構(gòu)浮置板式軌道結(jié)構(gòu)是由整塊鋼筋混凝土板和支撐它的彈性元件組成。常用的彈性元件有橡膠墊,玻璃纖維墊及阻尼彈簧隔振器等。彈性元件厚度約40mm,鋼筋混凝土板“浮”在基面上的,列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的高頻振動(dòng),透過(guò)隔振器減為低頻,振動(dòng)幅
6、度明顯減弱,在所有減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)中,浮置板軌道結(jié)構(gòu)具有最好的減振降噪效果。據(jù)聯(lián)邦德國(guó)有關(guān)部門(mén)測(cè)試,有道碴下墊層和浮置板式的軌道結(jié)構(gòu)其阻尼效應(yīng)可減振達(dá)30dB,且在垂直荷載20%~100%變化范圍內(nèi)其隔振的效果幾乎保持不變。3.1.2LVT無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)LVT無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)(彈性支承塊式)是普通支承塊的改進(jìn)形式,即在支承塊下加設(shè)彈性橡膠套。橡膠套的設(shè)置使軌道沿縱、橫向發(fā)生彈性變形,使這種無(wú)碴軌道在承載、動(dòng)力傳遞和能量吸收等方面更接近堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上的碎石軌道,使列車(chē)引起的振動(dòng)降低到最小。由于LVT的減振降噪效果較為明顯,因此,城市軌道交通中
7、對(duì)振動(dòng)和噪聲敏感的地段,特別是高架結(jié)構(gòu),彈性支承塊式無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)是一種比較理想的選擇方案。3.1.3有碴軌道加設(shè)減振件結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)是在有碴軌道上加設(shè)減振扣件[5](主要有WJ-2型、DTⅢ型、WJ-4型及Cologne-Egg彈性扣件),減振扣件應(yīng)具有一定的扣壓力、必要的彈性和相應(yīng)的可調(diào)能力。軌道減振器扣件的垂直剛度較低,而且不過(guò)度犧牲鋼軌的橫向穩(wěn)定性。對(duì)于有碴軌道,其減振水平為10dB~15dB,當(dāng)振動(dòng)頻率較高時(shí)可減振25dB。上海、新加坡、德國(guó)科隆地鐵采用了軌道減振扣件,減振效果顯著,能有效地減少對(duì)周?chē)h(huán)境的干擾。3.2高架橋梁
8、的減振措施采用減振支座(主要有普通橡膠支座、疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座等)是高架橋中減少振動(dòng)的有效措施。通過(guò)調(diào)整減振支座的剛度,從而控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和周期,避開(kāi)列車(chē)運(yùn)行引起的豎向振動(dòng)頻率,達(dá)到減振的效果。工程實(shí)踐中采用減振支座的橋梁