CN113355954B - 轨道交通结构的改良减振方法 - Google Patents

Abstract

一种轨道交通结构的改良减振方法，其包括如下步骤：步骤一：在轨道交通临土侧的受力结构内设置耗能结构层，对车辆车轮与轨道作用而产生的振动进行第一次消减；步骤二：将轨道交通的受力结构置于耗能地基上，使由车辆轮轨与轨道产生的振动能量进行第二次振动消减；步骤三：在轨道交通的结构底板下设置阵列状的减振桩基础，将振动能量传至地层深部；步骤四：在轨道交通的受力结构的外侧施作全包减振层，全包减振层由柔性耗能材料构成，对振动能量进行衰；由此，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，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。本发明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。且工程造价低，节约了大量的人员成本。

Description

轨道交通结构的改良减振方法

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改良减振方法。

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改良减振方法，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改良减振方法，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改良减振方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在轨道交通临土侧的受力结构内设置耗能结构层，对车辆车轮与轨道作用而产生的振动进行第一次消减，耗能结构层设置在临土侧的受力构件内部受弯矩及剪力较小的位置，所述受力构件包含结构底板、结构顶板和结构侧墙；

步骤二：将轨道交通的受力结构置于耗能地基土上，使由车辆轮轨与轨道产生的振动能量进行第二次振动消减；

步骤三：在轨道交通的结构底板下设置阵列状的减振桩基础，将振动能量传至地层深部，同时形成周期性排桩的作用，从而减低轨道交通沿线建筑的振感；

步骤四：在轨道交通的受力结构的外侧施作全包减振层，全包减振层由柔性耗能材料构成，对振动能量进行衰减。

其中：所述受力构件的结构底板、结构顶板和结构侧墙通过钢筋混凝土结构制成，所述耗能结构层通过在钢筋混凝土结构的内部设置空腔并在空腔内填充耗能材料来形成。

其中：所述耗能材料采用橡胶。

其中：在受力构件中每一结构跨度的三分之一位置设置一耗能层。

其中：地基土为粘性土。

其中：所述地基土采用换填的方式进行处理，，处理深度在0.3m～1m之间，换填采用天然土体进行，土体应具有较好的减振效果。

其中：所述减振桩基础设置于结构侧墙、底板纵梁和底板的正下方。

其中：减振桩基础按结构静力计算确定结构永久使用工况下，所需桩基工程的最优工程量。

其中：减振桩基础正对轨道结构下方布设，以使桩更好的吸收振动能量，并传递至深层土层。

通过上述内容可知，本发明的轨道交通结构的改良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、其自身内包含多个结构减振方法，即可单独使用，也可混合使用，从而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，主要通过主受力构件结构形式的变化达到结构减振的效果，其相比轨道减振其具有耐久性好减振效果持久的优点。

7、本结构减振设计方法更接近振源处减振，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。

8、本结构减振设计方法工程造价低，在大部分情况下几乎不增加轨道交通工程的投资(个别增设桩基的情况下对投资会造成一定的影响)。同时其不需要人员定期养护更换，节约了大量的人员成本。

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改良减振方法中步骤一的示意图。

图2显示了本发明的步骤二的示意图。

图3显示了本发明的步骤三的示意图。

图4显示了图3的横截面示意图。

图5显示了本发明的步骤四的示意图。

具体实施方式

参见图1至图5，显示了本发明的轨道交通结构的改良减振方法。

所述轨道交通结构的改良减振方法包括如下步骤：

步骤一：参见图1，在轨道交通临土侧的受力结构10内设置耗能结构层11，对车辆车轮与轨道作用而产生的振动进行第一次消减，耗能结构层设置在临土侧的受力构件10内部受弯矩及剪力较小的位置，具体如图1所示，所述受力构件10可包含结构底板101、结构顶板102和结构侧墙103，以形成图中的框型结构，所述受力构件10的结构底板101、结构顶板102和结构侧墙103通过钢筋混凝土结构制成，所述耗能结构层11通过在钢筋混凝土结构的内部设置空腔并在空腔内填充耗能材料来形成，所述耗能材料的材质可采用橡胶或其他的耗能材料。弯矩及剪力较小的位置通过结构静力学计算确定，具体而言(，可采用荷载结构模型对结构进行静力分析，分析后提取弯矩及剪力包络图，经弯矩及剪力包络图对比分析，选择二者均较小的位置设计耗能结构层，通常在三分之一的结构跨度处设置，如图1的上部、下部和侧部所示，在受力构件10中每一结构跨度的三分之一位置设置一耗能层，所述空腔的大小亦通过结构静力学计算确定，其中，空腔设置在截面中性轴位置，设置空腔的位置不再考虑混凝土结构参与受拉及受压计算，首先假定空腔高度为H1进行首次验算，当混凝土压区及拉区应力均不超标且留有适当余量时，即为满足受力的合理空腔高度。当混凝土压区及拉区应力余量较大时适当增加空腔高度，当混凝土压区及拉区应力不满足时，减少空腔高度。空腔长度亦采用同样方法计算，空腔结构设置后不能降低结构整体的受力性能。

设置耗能结构层后，空腔内填充的耗能材料，可有效对振动能量进行吸收，同时耗能结构层设置后，振动在结构传递途径上的刚性接触面积减少，从而减弱了振动传递的效应，从而起到进一步减振的效果。

步骤二：参见图2，在进行详细地质勘察后，将轨道交通的受力结构置于耗能性较好的地基土13(如粘性土)上，使由车辆轮轨与轨道产生的振动能量进行第二次振动消减。当放置于耗能性较好的土体上，需增加基坑埋深，从而导致工程造价过度增加时，其中，所述地基可采用换填的方式进行处理，其中，可将坑底耗能较差的天然土挖除，置换成耗能性较好的天然土，换填深度经动力学计算确定，处理深度在0.3m～1m之间。换填土要兼顾承载力及耗能要求。

步骤三：参见图3和图4，在轨道交通的结构底板101下设置阵列状的减振桩基础14，将振动能量传至地层深部，同时形成周期性排桩的作用，从而减低轨道交通沿线建筑的振感。减振桩基础可结合永久受力桩基础设置也可单独设置。为提升桩基减振的经济及减振的综合效果，所述减振桩基础14可设置于结构侧墙103、底板纵梁104和结构底板101的正下方。减振桩基础14的布置按如下原则进行设计。(1)按结构静力计算确定结构永久使用工况下，所需桩基工程的最优工程量，其中，桩基的计算需考虑竖向承载力及抗浮需求，桩径、桩长计算按照桩基规范进行。当承载力及抗浮无需求时，仅以动力学计算为准。(2)在桩基最优工程量基本不变的前提下，调节桩基础的桩径、桩长及布置方式，并进行不同方式下的减振效果计算，从而确定桩基础的布置方式。(3)在具备条件的情况下，正对轨道结构下方应布设桩基，以使桩更好的吸收振动能量，并传递至深层土层。

步骤四：参见图5，在轨道交通的受力结构10的外侧施作全包减振层15，全包减振层由柔性耗能材料构成，柔性耗能材料附着于受力结构外侧，对振动能量进行衰减，全包减振层宜结合结构防水层设置，其中，可在传统防水层的基础上增加5cm～10cm的耗能包裹层，其包裹于防水层外侧，耗能包裹层采用聚乙烯泡沫板等耗能材料，材料厚度经结构振动计算分析。

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 (7)

1.一种轨道交通结构的改良减振方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在轨道交通临土侧的受力结构内设置耗能结构层，对车辆车轮与轨道作用而产生的振动进行第一次消减，耗能结构层设置在临土侧的受力构件内部受弯矩及剪力较小的位置，所述受力构件包含结构底板、结构顶板和结构侧墙，以形成框型结构，所述受力构件的结构底板、结构顶板和结构侧墙通过钢筋混凝土结构制成，所述耗能结构层通过在钢筋混凝土结构的内部设置空腔并在空腔内填充耗能材料来形成，所述耗能材料的材质采用橡胶的耗能材料，弯矩及剪力较小的位置通过结构静力学计算确定，即采用荷载结构模型对结构进行静力分析，分析后提取弯矩及剪力包络图，经弯矩及剪力包络图对比分析，选择二者均较小的位置设计耗能结构层，所述空腔的大小亦通过结构静力学计算确定，其中，空腔设置在截面中性轴位置，设置空腔的位置不再考虑混凝土结构参与受拉及受压计算，设置耗能结构层后，空腔内填充的耗能材料有效对振动能量进行吸收，同时耗能结构层设置后，振动在结构传递途径上的刚性接触面积减少，从而减弱了振动传递的效应，从而起到进一步减振的效果；

步骤二：将轨道交通的受力结构置于耗能地基土上，使由车辆轮轨与轨道产生的振动能量进行第二次振动消减，所述地基土采用换填的方式进行处理，处理深度在0.3m～1m之间，换填采用天然土体进行；

步骤三：在轨道交通的结构底板下设置阵列状的减振桩基础，将振动能量传至地层深部，同时形成周期性排桩的作用，从而减低轨道交通沿线建筑的振感；

步骤四：在轨道交通的受力结构的外侧施作全包减振层，全包减振层由柔性耗能材料构成，对振动能量进行衰减。

2.如权利要求1所述的轨道交通结构的改良减振方法，其特征在于：在受力构件中每一结构跨度的三分之一位置设置一耗能层。

3.如权利要求1所述的轨道交通结构的改良减振方法，其特征在于：地基土为粘性土。

4.如权利要求1所述的轨道交通结构的改良减振方法，其特征在于：所述减振桩基础设置于结构侧墙、底板纵梁和底板的正下方。

5.如权利要求1所述的轨道交通结构的改良减振方法，其特征在于：减振桩基础按结构静力计算确定结构永久使用工况下，所需桩基工程的最优工程量。

6.如权利要求1所述的轨道交通结构的改良减振方法，其特征在于：减振桩基础正对轨道结构下方布设，以使桩更好的吸收振动能量，并传递至深层土层。

7.如权利要求1所述的轨道交通结构的改良减振方法，其特征在于：全包减振层宜结合结构防水层设置，其中，在防水层的基础上增加5cm～10cm的耗能包裹层，其包裹于防水层外侧，耗能包裹层采用聚乙烯泡沫板。

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