CN113201982B - 轨道交通结构的减振方法 - Google Patents

Abstract

一种轨道交通结构的减振方法，其包括如下步骤：步骤一：在支撑车轮的轨道下设有轨道结构，所述轨道结构的下方设置柱支撑的结构板，所述结构板和下方的结构底板之间设有多个支撑柱，由此将由车辆的车轮与轨道撞击产生的振动能量的传播方式，由面式传播变为点式传播，进行振动能量的第一次消减；步骤二：所述支撑柱为多层圆柱结构，所述多层圆柱结构内设有多层依次套设的钢筋混凝土结构，在各钢筋混凝土结构之间设有圆环状的耗能层，对顺柱传递出去的振动能量进行吸收，从而延振动能量传播途径进行第二次振动消减；步骤三：在站台板下设置耗能球；由此，本发明使轨道交通沿线大量建筑结构获得良好的减振效果。而地面建筑设置水平隔振层、新建建筑周边设置周期性排桩的方式仅能使个别建筑结构获得减振效果。轨道交通结构下方设置减震垫的方式亦离振源相对较远，仅能消减通过结构底板向土体传播的振动能量。工程造价低，相比轨道减振一次性投入费用少，且不需要养护和更换成本。

Description

轨道交通结构的减振方法

技术领域

本发明涉及轨道交通减振的技术领域，尤其涉及一种轨道交通结构的减振方法。

背景技术

轨道交通因可以解决城市的道路堵塞与空气污染等问题，同时具备能耗低、快捷方便准时的优点，在全世界范围得到大力发展。在我国，随着综合国力的增强及城镇化进程的加速，轨道交通在我国取得了迅猛的发展，目前我国轨道交通运营总里程已位居世界首位，并远超第二名。随着运营里程的增加及运营经验的积累，轨道交通引起的环境振动问题日益突出。高速运行中车辆与轨道的相互作用产生振动, 通过结构传递到周围的地层并经过地层向四周传播,或直接传给相连接的结构，激励附近地下结构或地面建筑物产生振动，从而对建筑物的结构安全以及建筑物内居民的工作和生活产生影响。因振动问题影响的复杂性，国际上已经把振动同大气污染共同列为七大环境公害。如日本的《公害对策基本法》规定必须采取有效措施加以限制振动强度，而且在日本《限制振动法》中,对轨道交通振动提出严格的要求以保护生活环境和人民的健康。轨道交通振动的危害主要体现在以下几个方面。

(1)轨道交通运营时长为365天/年，16～18小时/天，对沿线环境有着持续性的影响。

(2)轨道交通引发的振动降低了沿线居民的生活品质，影响了居民的生理与心理健康，轨道交通振动经土体传播到地表后的频率主要在0～200Hz，集中在20Hz左右。根据《城市区域环境振动标准》与《机械振动与冲击人体暴露在全身振动的评价》等规范，影响人体舒适与健康的振动频率范围为0.5Hz～80Hz，因此长期处于轨道交通振动环境内的居民会因振动强度的不同而受到不同程度的伤害。居民一旦感受到振动，就易产生心情烦躁、心理失衡等不良反应，工作效率也会随之下降，从而长期处于亚健康状态。

(3)轨道交通振动影响沿线建筑的安全，轨道交通产生的振动激励附近地下结构或地面建筑物产生振动，长期作用下建筑物(尤其是古建筑)将产生动力疲劳和应力集中，降低结构薄弱部位的耐久性，减少建筑的使用年限，甚至引起建筑局部或整体的动力失稳与损坏，如墙体开裂、地基液化或基础不均匀沉降，最终导致建筑物倾斜与倒塌。例如：捷克轨道交通附近砖石结构的古建筑因轨道交通振动而产生裂缝，其中布拉格、哈斯特帕斯和霍索夫等地甚至发生了由于裂缝不断扩大导致古教堂倒塌的恶性事件。北京地铁3号线、6号线、8 号线、16号线等多条线路为确保古建筑不发生损伤而被迫改线；在广州、西安等古老城市，为了绕避这类环境振动敏感建筑而被迫调整路网的案例比比皆是。

(4)轨道交通振动影响沿线精密仪器与设备的正常工作，精密仪器对环境振动的要求较高，《电子工业防微振工程技术规范》中规定精密仪器的振动速度允许值为0.05mm/s^2，其中纳米研发装置的允许值仅为0.178*10-3mm/s^2。根据西南大学牵引动力国家重点实验室与北京工业大学联合调查发现：当列车运行时速为80km/h速度时，距离轨道中心线50m的地表振动加速度可达50mm/s^2，远大于精密仪器的振动要求。环境振动将引起仪器读数不准，并且造成机械疲劳与磨耗，进而引发事故。例如：当环境振动加速度大于 0.314mm/s^2时，电子显微镜将无法使用，灵敏继电器将失效，精密机床的工作精度将下降，车床的刀具使用寿命将减小。环境振动过大甚至会导致零件变形过大而断裂，机械设备发生破坏，从而造成重大事故。

根据北京交通大学调查发现：近十余年形成的密集轨道交通网络，使得北京市区距离轨道交通100m以内的环境振动水平在短期内提高了近20dB。随着城市轨道交通路网的加密，轨道线路走向与埋深设计将更加难以绕避环境振动敏感点；最终导致新的轨道交通线路开通运行后，社会对轨道交通振动的投诉迅速增多。国家对轨道交通振动的危害越来越重视，国务院2019年9月印发实施的《交通强国建设纲要》中明确要求降低交通沿线噪声、振动；因此解决轨道交通振动问题刻不容缓。

而目前，轨道交通减振控制的现状较为多样话，是一项综合减振技术，涉及车辆、轨道及结构减振多个途径，在《现代轨道交通工程科技前沿与挑战》中翟婉明院士指出轨道交通引起的振动与诸多因素有关，如车辆状况、轨道条件、结构形式与地质条件等，因此，其减振应该从系统的角度进行综合整治；在《我国城市轨道交通环境振动影响的研究现况》中，刘维宁教授等业内专家认为减少或控制城市轨道交通振动的负面影响是一个综合性工程。所以经过行业多年研究与总结：轨道交通减振应该从车辆、轨道、结构多方面入手，形成综合减振体系。

目前国内外轨道交通减振措施如下：

1)车辆减振，目前国内外轨道列车主要在转向架内设置减振器，阻碍振动传递到车体并减小振动，通过改善车体的连接装置抑制纵向振动的传递与扩大，包含：(a)转向架减振设置，一系悬挂系统设置的轴向弹簧与一系垂向减振器和二系悬挂系统内设置的空气弹簧、二系横向减振器与抗蛇形减振器共同组成车辆的减振系统，其能够减小轨道交通振动对车辆与车内乘客的影响。列车通过调整一系悬挂与二系悬挂的刚度与阻尼系数优化车体减振效果，保证了列车的平稳运行并减小轨道交通振动。(b)车体连接减振设置：列车通过密接式车钩减小车体的纵向连接间隙，抑制车体的纵向冲动，提高列车的纵向舒适性和安全性；并且通过增加缓冲装置(弹性胶泥缓冲器或橡胶结构缓冲器)、车端减振装置与车间纵向减振器减小车体的纵向振动。此外列车通过可变阻尼减振器改善尾车的横向振动，抑制尾车的振动扩大效应。

2)轨道减振，目前国内外主要在钢轨、扣件、轨枕与道床板方面进行轨道减振设计与应用。其中，钢轨是在轨道通过重型(60kg/m) 无缝钢轨提升钢轨质量与厚度，进而降低钢轨自振频率与腹板振动；通过定期打磨钢轨，保持轨面平顺度，降低轮轨相互作用；减振扣件是轨道通过在钢轨下增加弹性衬垫(多为橡胶材料等有机材料)，形成弹性阻尼消耗振动能量进而产生减振降噪的效果；轨枕是轨道采用梯形轨枕实现轨枕的减振设计，其通过聚氨酯减振材料支撑梯形轨枕、达到制约轨道振动、阻碍振动传递，降低振动强度的目的；道床在目前主要采用橡胶浮置板整体道床和弹簧浮置板整体道床进行道床减振，两者通过弹性模量较小的弹簧或橡胶，与道床板形成“弹簧-质量”隔振系统，降低轨道自身振动频率进而降低轨道交通的振动强度，最终阻止振动传递到周围环境中。

3)结构减振，目前国内外结构减振只针对轨道线路的敏感建筑结构，采用水平隔振层与周期性排桩进行隔振处理；其中，水平隔振层主要通过橡胶垫层、聚氨酯垫层或者弹簧减振支座在目标建筑物的结构与基础间形成水平隔振层，进而延长建筑物的竖向自振周期，使得建筑物的自振频率降低至轨道交通振动主频的截止频率之下，最终降低轨道交通振动对建筑的激励效果；并且使用阻尼装置消耗振动能量；最终减小目标建筑在轨道交通影响下的振动；周期性排桩是通过空心桩和填土桩等桩体在目标建筑物四周形成平面周期性结构，利用周期性结构的局域共振效应与散射效应过滤特定频率的弹性波(即周期性结构的带隙特性)从而阻隔或削弱振动波的传播，减小周期性排桩后土体的振动强度，阻隔轨道交通振动对建筑的振动激励，最终实现建筑的减振目标。

目前轨道交通减振是国内外研究的热点内容，但近些年的研究成果主要集中于轨道减振方面。车辆减振研究更多的是关心车辆内部乘客的舒适度，其对于沿线建构筑物的振动效果有所改善，但并未有系统的研究也不是其研究的重点。结构减振技术仅在音乐厅及高标酒店等敏感建筑中得到了应用，其非轨道交通结构设计之初给与的考虑，均因新建地面建筑对于振动较为“敏感”，或轨道交通振动因发投诉后给与的补救措施，同时这种做法并不能对全线振动进行改善。

轨道减振因其原理简单直接，近些年在轨道交通减振中得到了大规模的应用，并且一直是减振研究的热点区域。施仲衡院士在其主编的《地铁列车振动环境影响的预测、评估与控制》一书中指出：由于轨道减振措施在建设审批及管理上较为便利，地铁的管理者青睐轨道减振措施，然而轨道减振措施不是万能药，减振功能仅仅是轨道结构的附加功能。翟婉明院士在《现代轨道交通工程科技前沿与挑战》中表明：近年来的轨道交通工程设计中，一旦涉及振动噪声问题，就会在“轨道减振”上做文章，这使减振轨道的铺设比例逐年上升；然而，减振轨道并非万能，其减振效果并不理想。轨道减振的问题主要体现在以下几个方面：

1)轨道交通减振应为综合减振，只采用轨道减振措施的效果有限，无法彻底解决振动问题，轨道交通振动始于轮轨的相互作用，主要受轮轨材质匹配、车辆转向架结构与参数、轮缘与钢轨接触面间的摩擦系数、车轮踏面与钢轨轨头几何形状及其匹配程度、轨道与车辆养护维修技术条件、结构尺寸与形式、结构基础形式、传播途径等诸多因素影响。单一改善轨道无法避免振动产生，并且受轨道减振机理限制，其减振效果有限。根据北京交通大学调研：高等级轨道减振措施的减振效果在15dB左右，即使采用了轨道减振措施，地表距离轨道中心线100m处依然存在振动。

2)轨道减振措施易引起钢轨异常波磨，不仅增加运营成本，而且导致减振效果下降、消失甚至导致振动增加，轨道减振普遍采用降低轨道刚度的方式。降低刚度会导致钢轨在轮轨作用下移动变位，加剧轮轨间的非正常接触，从而诱发钢轨波磨产生并加剧发展。波磨造成钢轨表面不平顺，提高车轮与钢轨的相互作用，振动强度因此也会提高，最终导致轨道减振效果降低、消失甚至导致振动加剧。根据北京4号线统计：采用减振轨道的线路，不论是直线段还是曲线段均会出现连续的波长固定为35～50mm的钢轨波磨，出现钢轨波磨的轨道长度占所有减振轨道总长的67％以上。钢轨波磨产生后减振效果随之下降，原因是减振轨道的刚度不足，所以钢轨打磨后减振效果虽短暂提升，但2个月后波磨又会再次出现，减振效果再次下降；如此循环下，轨道交通的运营将无法维系。

3)轨道减振措施使用寿命短，其材料老化降低减振效果，更换则影响轨道交通正常运营，轨道减振措施的使用年限仅为10～18年：随着时间增加，减振扣件或者浮置道床板采用的橡胶、聚氨酯等有机材料逐渐变得硬而脆，丧失弹性与阻尼，导致减振效果消失。根据北京强度环境研究所的老化试验，橡胶类有机材料减振器的使用寿命为 12.36年。地铁的设计年限为100年，因此在地铁运营中，轨道减振构件需要经历5～8次更换，而地铁运营一般为18小时/天，繁忙时列车的间隔仅为2～3min，所以更换浮置道床板或者减振扣件需要暂停轨道交通的运行，阻碍轨道交通正常运营。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种轨道交通结构的减振方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轨道交通结构的减振方法，以弥补现有轨道交通减振过渡依赖轨道减振、减振方法单一、减振效果存在瓶颈、轨道交通结构本身未实现结构减振设计的问题，能有效降低轨道交通振害影响。

为实现上述目的，本发明公开了一种轨道交通结构的减振方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在支撑车轮的轨道下设有轨道结构，所述轨道结构的下方设置柱支撑的结构板，所述结构板和下方的结构底板之间设有多个支撑柱，由此将由车辆的车轮与轨道撞击产生的振动能量的传播方式，由面式传播变为点式传播，进行振动能量的第一次消减；

步骤二：所述支撑柱为多层圆柱结构，所述多层圆柱结构内设有多层依次套设的钢筋混凝土结构，在各钢筋混凝土结构之间设有圆环状的耗能层，对顺柱传递出去的振动能量进行吸收，从而延振动能量传播途径进行第二次振动消减；

步骤三：在站台板下设置耗能球，耗能球由柔性弹簧和质量球组成，质量球通过柔性弹簧连接至站台板，车辆车轮与轨道撞击产生的振动，沿着轨道向两侧结构传递的过程中，会引起耗能球的变形，通过耗能球的变形对振动能量进行消减，从而降低振动能量，达到结构减振的目的。

其中：柱支撑的结构板与抵抗水土压力的结构底板之间形成不小于100mm的间隙以隔断振动能量的传播。

其中：所述结构板的厚度、支撑柱的截面尺寸、支撑柱的数量通过结构静力计算及振动动力计算确定。

其中：结构静力中需验算板的承载能力及变形能力，振动动力计算在满足静力计算的前提下，由减振效果的优劣优化结构构件的布置形式。

其中：所述耗能层的材质采用橡胶。

其中：还包含步骤四：在站台板下结构空腔内铺设耗能砂，耗能砂取普通细颗粒砂，由现场施工时挖出的砂性土经筛分而成。

通过上述内容可知，本发明的轨道交通结构的减振方法具有如下效果：

1、为轨道交通综合减振的有效实施提供了一种新的结构减振方式。

2、可单独实现减振效果，也可配合轨道减振形成综合减振效果。

3、弥补了单靠轨道减振减振效果有效，但又无其它方法可循的困境。

4、本结构减振设计方法减振原理清晰，便于工程建设人员理解。

5、达到结构减振的效果，同时其使用方式灵活多样，便于工程设计人员操作。

6、因其减振的主基材为钢筋混凝土结构，其相比轨道减振其具有耐久性好减振效果持久的优点。

7、相比地面建筑设置水平隔振层、新建建筑周边设置周期性排桩、轨道交通结构下方设置减震垫的方式，其减振手段更靠近振源(车辆轮子与轨道的撞击)，周所周知在振源处进行减振处理，在同样的经济代价下更容易获得良好的效果。

8、更接近振源处减振，通过对轨道交通一个结构减振措施的实施，可使轨道交通沿线大量建筑结构获得良好的减振效果。而地面建筑设置水平隔振层、新建建筑周边设置周期性排桩的方式仅能使个别建筑结构获得减振效果。轨道交通结构下方设置减震垫的方式亦离振源相对较远，仅能消减通过结构底板向土体传播的振动能量。

9、工程造价低，相比轨道减振一次性投入费用少，且不需要养护和更换成本。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的轨道交通结构的减振方法的结构示意图。

图2显示了本发明中支撑柱的竖向剖视图。

图3显示了本发明中支撑柱的横向剖视图。

图4显示了本发明中耗能球和耗能砂的设置图。

附图标记：

10、车轮；11、轨道；12、轨道结构；13、结构板；14、支撑柱；141、钢筋混凝土结构；142、耗能层；15、间隙 ；16、结构底板； 20、站台板；21、耗能球；22、耗能砂。

具体实施方式

参见图1至图4，显示了本发明的轨道交通结构的减振方法。

所述轨道交通结构的减振方法包括如下步骤：

步骤一：在支撑车轮10的轨道11下设有轨道结构12，所述轨道结构12的下方设置柱支撑的结构板13，所述结构板13和下方的结构底板16之间设有多个支撑柱14，由此将由车辆的车轮10与轨道11撞击产生的振动能量的传播方式，由“面式”传播变为“点式”传播，通过模拟“隔断”的方式，进行振动能量的第一次消减。柱支撑的结构板13需与抵抗水、土压力的结构底板16脱开设置，二者之间要形成不小于100mm的间隙15，以隔断振动能量的传播。同时应严控支撑柱的数量，以消减振动能量的传播途径，使支撑轨道结构的结构板形成“悬浮”效应。此外应严格控制支撑轨道结构的结构板的刚度，避免轨道不平顺效应的产生。

其中，所述结构板的厚度、支撑柱的截面尺寸、支撑柱的数量通过常规的结构静力计算及振动动力计算确定。

结构静力中需验算板的承载能力及变形能力。振动动力计算在满足静力计算的前提下，由减振效果优劣进一步确定构件的布置形式。

步骤二：参见图2和图3，所述支撑柱14为多层圆柱结构，所述多层圆柱结构内设有多层依次套设的钢筋混凝土结构141，在各钢筋混凝土结构141之间设有圆环状的耗能层142，优选的是，所述耗能层142的材质可采用橡胶或其他的耗能材料，对顺柱传递出去的振动能量进行吸收，从而延振动能量传播途径进行第二次振动消减。由此，柱内耗能材料应与钢筋混凝土结构间隔设置，形成“葱”型结构。其中混凝土结构用于形成竖向承载结构，耗能材料用于对振动能力的消耗。混凝土及耗能材料的层数经计算确定。

步骤三：参见图4，在站台板20下设置耗能球21，耗能球21 由柔性弹簧和质量球组成，质量球通过柔性弹簧连接至站台板20。车辆车轮与轨道撞击产生的振动，沿着轨道向两侧结构传递的过程中，会引起耗能球的变形，通过变形耗能球的变形对振动能量进行消减，从而降低振动能量，达到结构减振的目的。耗能球的质量及弹簧刚度通过振动计算确定。在站台板施作时，在站台板内预埋有耗能球挂钩，耗能球挂设于预埋挂钩上方。在具体布设时可根据振动实际效果，适当调整耗能球的布设点位及数量，以达到最优减振效果。

步骤四：同时参见图4，在站台板下结构空腔内铺设耗能砂。耗能砂取普通细颗粒砂即可。可由现场施工时挖出的砂性土经筛分而成。在空腔内的耗能砂层应保持干燥状态同时不能过厚(砂层过厚，在振动作用下不利于砂砾的变形，从而不利于振动的消减)。车辆车轮与轨道撞击产生的振动，沿着轨道向两侧结构传递的过程中，会引起砂砾的振动，砂砾通过振动，对振动能量进行消减。

由此，本发明具有如下优点：

1、相比传统轨道交通结构，本方法增加了轨道交通下方的结构支撑板及柱，但本结构板及柱相比其他轨道交通所使用的其他结构构件工程量极小，且施工操作方便，对轨道交通结构实施造价影响甚微。

2、板下耗能球制作工艺简易，施作方便，且数量有限，造价极低。

3、耗能砂利用现场剩余砂即可，几乎不增加工程投资。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (5)

1.一种轨道交通结构的减振方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在支撑车轮的轨道下设有轨道结构，所述轨道结构的下方设置柱支撑的结构板，所述结构板和下方的结构底板之间设有多个支撑柱，由此将由车辆的车轮与轨道撞击产生的振动能量的传播方式，由面式传播变为点式传播，进行振动能量的第一次消减；

步骤二：所述支撑柱为多层圆柱结构，所述多层圆柱结构由多层由内至外依次套设的钢筋混凝土结构组成，在各钢筋混凝土结构之间设有圆环状的耗能层，所述耗能层的材质采用橡胶，从而对顺着支撑柱传递出去的振动能量进行吸收，从而沿振动能量传播途径进行第二次振动消减；

步骤三：在站台板下设置耗能球，耗能球由柔性弹簧和质量球组成，质量球通过柔性弹簧连接至站台板，车辆车轮与轨道撞击产生的振动，沿着轨道向两侧结构传递的过程中，会引起耗能球的变形，通过变形耗能球的变形对振动能量进行消减，从而降低振动能量，达到结构减振的目的。

2.如权利要求1所述的轨道交通结构的减振方法，其特征在于：柱支撑的结构板与抵抗水土压力的结构底板之间形成不小于100mm的间隙以隔断振动能量的传播。

3.如权利要求1所述的轨道交通结构的减振方法，其特征在于：所述结构板的厚度、支撑柱的截面尺寸、支撑柱的数量通过结构静力计算及振动动力计算确定。

4.如权利要求3所述的轨道交通结构的减振方法，其特征在于：结构静力中需验算板的承载能力及变形能力，振动动力计算在满足静力计算的前提下，由减振效果的优劣优化结构构件的布置形式。

5.如权利要求1所述的轨道交通结构的减振方法，其特征在于：还包含步骤四：在站台板下结构空腔内铺设耗能砂，耗能砂取普通细颗粒砂，由现场施工时挖出的砂性土经筛分而成。

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