城市轨道交通减振降噪技术研究.docx
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城市轨道交通减振降噪技术研究
城市轨道交通减振降噪技术研究
摘要:
城市轨道交通引起的振动、噪声是不可避免的问题,而且对周边居民、建筑物、精密仪器的影响不容忽视。
本文首先介绍了城市轨道交通引起振动和噪声的产生、分类及控制标准,然后从不同方面就如何减小振动和噪声对现有技术措施进行了综述,希望能在振动、噪声更为敏感的古城西安地铁建设过程中起到积极作用。
关键词:
城市轨道交通减振降噪
城市轨道交通是城市公共交通的一种便捷工具,是解决城市交通拥挤的一项切实可行的措施。
目前,城市轨道交通进入了快速发展阶段,“十五”末,我国有9个城市拥有运营线路,总里程约450公里;经过五年建设,“十一五”末,运营线路的城市达到12个,总里程约1400公里;规划“十二五”末,我国拥有运营线路的城市将达到27个,运营总里程超过3000公里。
由于城市轨道交通工程结构的特殊性,其产生的振动和噪声问题已引起了社会的广泛关注。
美国纽约地铁车站噪声曾高达100~115dB,接近人耳的痛阈[1];北京地铁1号线西单车站附近的居民,就地铁造成的振动和结构噪声问题进行过投诉,4号线通过北京大学遥感物理楼时因为振动问题引起过不小的争议;我国某城市地铁现场测试表明,当地铁列车仅以15~20km/h的速度通过时,地铁正上方居民住宅的振动高达85dB[2]。
目前,对城市轨道交通振动和噪声问题的研究已成为人们日益关注的扰民和公害问题。
1振动和噪声的产生与传播机理
轨道交通噪声产生实质上和振动是密不可分的。
振动越大,则噪声也就越大。
它们是通过不同介质进行传播的。
1.1振动的产生与传播机理
城市轨道交通在运营过程中,列车车轮与钢轨之间产生撞击振动,经过轨枕、道床,传递至隧道或桥梁基础,再传递给地面,从而对周围区域产生振动,并进一步传播到周围建筑物。
这种振动干扰不仅对地铁沿线民宅、学校、医院等环境产生不良影响,而且可能对沿线基础较差的建筑物造成损害。
振动波在土介质中的传递过程,其作用机理及传播特性与地震基本相同。
这些振动波遇到自由界面时,在一定条件下重新组合,形成一种弹性表面波,随着离振源距离的不同,它们之间的能量也在改变,同时传播速度、衰减率也为距离的函数。
根据振动传播理论,振动从地面进入建筑物,不同结构建筑物其振动衰减也不同。
1.2噪声的产生与传播机理
大量研究结果表明,列车引起的噪声可分为四个部分:
轮轨噪声、集电噪声、车厢的空气动力噪声和桥梁结构的二次振动噪声。
随着列车运行速度的变化,轨道交通的主噪声源也随之变化。
轨道交通的噪声源图如图1所示。
我国城市轨道交通列车运行速度一般在60~80km/h,故相应的主噪声源为轮轨噪声,有效分析轮轨噪声产生的机理是找到城市轨道交通减振降噪的关键。
城市轨道交通轨道结构的轮轨噪声的振动来源于轨道的不平顺。
钢轨与运行中的列车车轮相互作用,激起钢轨和轨下基础的振动,钢轨就向外辐射噪声,振动随轨下基础向周围传递,或引起振动,或造成结构的“二次噪声”。
2我国区域环境振动与噪声的控制标准
针对区域环境振动与噪声,各个国家都制定了相应的控制标准。
我国此方面的控制标准参用《城市区域环境振动标准》(GB10070-88)和《城市区域环境噪声标准》(GB3096-93),见表1和表2。
随着生活水平的提高和技术的发展,区域环境振动与噪声控制标准有进一步修订的可能。
3城市轨道交通减振降噪的技术措施
3.1车辆的减振降噪措施
(1)对机车车辆动力系统的转动部件进行转子动力学设计,使系统的工作频段远离共振区(临界转速区)和不稳定区,尽量避免电磁耦合激发振动和噪声。
(2)在机车车辆上使用新型减振器,能有效地降低振动和噪声。
目前在国内外的城市轨道交通中,金属-橡胶复合减振器是应用最为广泛的减振降噪装置。
这是由于橡胶在很宽的温度范围内具有独特的粘弹行为,不仅可以象钢弹簧一样通过弹性形变来吸收、储存冲击能量,而且还可以通过分子链相对运动而大幅度地消耗能量。
然而,橡胶件既是减振降噪的主要部分,也是影响使用寿命的关键部分。
以少量具有纳米片层结构的有机改性蒙脱土与橡胶进行插层纳米复合,可显著降低材料的疲劳生热,延缓疲劳破坏过程,从而改善橡胶的强度、耐蠕变、耐疲劳和耐老化等综合性能,使减振器的质量和机车车辆的舒适性、安全性得到较大的提高。
除金属-橡胶复合减振器外,目前国际上开始将自适应(有源/半有源)电/磁流变液减振器用于车辆的悬架系统和转向架系统,以有效地调节系统的阻尼或刚度特性。
电/磁流变液减振器是利用电/磁流变液的粘度在电/磁场作用下急剧变化的特性而制成的新型振动控制元件。
电/磁流变液在无外场作用下为流动良好的液体状态,在强电/磁场作用下,短时间(毫秒级)内其粘度可增加一到两个数量级以上,并呈现类似固体的力学性能,而且粘度的变化是连续、可逆的,一旦去掉电/磁场后,又变成可流动的液体。
这些特点使电/磁流变液装置成为电气控制与机械系统之间的简单、安静而且响应迅速的中间装置。
(3)在车辆动力驱动系统中应用直线电机技术,可省去齿轮箱等一系列传动机构,减少了许多噪声源,噪声水平比一般车辆可降低大约10dB(A)。
(4)采用径向转向架能避免车轮在钢轨上的蠕动,使车辆能顺利地通过曲线,减少轮轨磨耗和消除常规转向架通过曲线时的尖叫声,因而噪声比一般车辆降低近20dB(A)。
(5)采用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等技术,通常可减振降噪2~10dB(A)。
(6)用改变车轮结构的方法来改变噪声的发射性能,可降低轮轨噪声。
如德国通过把制动盘放在轮心上来减少噪声,试验结果证明对1kHz以上的噪声大约可降低5dB(A)。
3.2轨道结构的振动和噪声控制
轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成。
根据振动理论,轮轨之间的振动噪声与轨道各部件的质量、刚度以及结构阻尼密切相关。
轨道结构的减振降噪主要是通过改变结构参数来实现。
在国内外轨道交通减振降噪研究成果的基础上,结合我国轨道交通的实际,对轨道结构的减振降噪可采取下列有效措施:
(1)采用焊接长钢轨,可减少因列车通过钢轨接头所产生的振动噪声。
根据地铁设计规范,轨道交通的正式线路应铺设无缝轨道,实际减振效果可达到5dB~10dB[3]。
(2)采用钢轨打磨技术,以控制轨道的不平顺度,保证轮轨接触面的良好状态,从而获得良好的减振降噪效果。
实践表明,钢轨打磨后,在振动频率为8Hz~100Hz范围内,振动噪声可下降4~8dB(A)[4]。
(3)采用防振型钢轨[5],在钢轨轨腰两侧粘贴(或包覆)防振吸音材料(如橡胶、树脂等),可有效地减少噪声,结构示意如图2。
(4)采用弹性扣件。
轨道的弹性,尤其是刚性基础整体道床结构的弹性,主要取决于扣件的弹性,国内外在此方面做了大量研究工作,研制并开发了满足不同减振降噪要求的扣件。
在减振要求一般的地段,上海地铁采用了DTIII型扣件,如图3所示。
该扣件采用二级减振,在钢轨和铁垫板下都设绝缘橡胶板,扣件弹性好,比北京地铁采用的DTI型减少5dB~10dB。
在减振要求较高的地段,德国科隆、美国华盛顿、法国巴黎、上海、新加坡地铁均采用了轨道减振器扣件(科隆蛋),如图4所示。
该扣件的承轨板与底座之间用减振橡胶硫化粘结在一起,利用橡胶圈的剪切变形,获得较低竖向刚度,较DTI型扣件的加速度传递函数减少15dB~30dB,较DTIII型扣件减少10dB~20dB,减振效果显著,能有效减少对周围环境的干扰。
类似的减振型扣件还有很多种,要根据不同的适用条件进行选择。
(5)采用弹性支承块式无碴道床轨道,如图5所示。
这是一种低振动(LVT)轨道结构。
目前我国轨道交通主要采用支承块式混凝土整体道床,由于只有扣件弹性垫板一个减振环节,其减振效果并不理想。
如在扣件垫板和支承块下各设置一层橡胶垫,便能大大降低轨道整体支承刚度,显著提高轨道的减振降噪性能。
该种结构能使轮轨动力在钢轨上经过分配后传到轨下胶垫得到第一次减振,再经过支承块传到其下的胶垫进行第二次减振,这样,振动的高频成分及其幅值在得到了相当的衰减后才传递给基础。
巴黎7号、13号地铁线在巴士底狱的新歌剧院下通过,歌剧院方面认为地铁车辆的噪声和振动对剧场的演出有影响,为此巴黎地铁公司对此进行了研究、试验,并会同歌剧院、巴黎声学研究所共同进行了现场测试,试验证明在轨枕底部加了一层橡胶垫后情况得到了改善。
(6)采用浮置板式轨道结构。
该结构使用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上,浮置板置于橡胶支座或螺旋钢弹簧上。
浮置板可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载,只有静荷载和少量残余动荷载会通过弹性元件传到基础结构上。
其弹性元件有面支承、线支承和分布支承3种形式,其中分布支承效果最好。
采用橡胶的称橡胶浮置板,采用螺旋钢弹簧(一般采用分布支承)的称钢弹簧浮置板。
在目前的减振措施中,浮置板轨道减振效果最好,可达20dB~40dB[6],与其他同类型隔振方案的比较如表3所示。
图6为浮置板轨道结构的安装示意图。
(7)采用梯形轨枕。
弹性支撑的梯形减振轨枕轨道系统,以钢管连接连接纵向混凝土轨枕,并与道床结构以橡胶减振垫相隔,形状如梯子,故称“梯形轨枕”,它可以称之为板式整体道床的第二代产品。
梯形轨枕采用预制,其与底座间的缓冲调整等原理与板式轨道基本相同。
它具有既能够发挥轨枕本来的特性,大幅度提高荷载的分散能力,又可补充钢轨本身的刚性和质量的性能特点,是一种能提高弯曲刚度和剪切刚度,实现了相当于减少车辆簧下质量的较理想的整体减振系统。
梯形轨枕结构如图7所示。
3.3高架线路和桥梁的减振降噪措施
目前,国内外城市轨道交通的高架桥结构大多采用箱形梁形式。
由于箱形梁的内部空腔在轨道交通噪声主要频段内存在声学模态,腔内的声场共振可能使桥梁的上下两个面的辐射声增加,而且,箱形梁桥的底面是大面积的平面,声辐射效率比较高,因此,有必要研究箱形梁的减振降噪措施。
目前箱形梁的降噪处理有以下几类技术。
(1)在箱形梁腔内设置隔声板,将箱形梁腔内的声学共振频率向上移至轨道交通噪声的主要频段以外,则可有效降低桥梁振动噪声[7]。
(2)在箱形梁腔内安装动力吸振器,这是控制桥梁振动噪声最有效的方法。
(3)选用桥梁隔振支座。
桥梁隔振支座(主要有普通橡胶支座、叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座等)是高架桥中减少振动的有效措施。
通过调整减振支座的刚度,从而控制结构的振动频率和周期,避开列车运行引起的竖向振动频率,达到减振和降噪的效果。
(4)铺设轻质吸声桥面和路面。
高架轨道交通线的桥面是声反射面,降低桥面的声反射可以大大降低列车通过时的噪声。
近年发展起来的各种多孔混凝土都可以有效降低桥面的声反射。
即在桥面铺浇一定厚度的多孔混凝土,既不影响检修者行走,又有一定的吸声效果。
但是,多孔混凝土对1kHz以下的中低频噪声的吸声效果不够理想,而高架轨道交通噪声中以500Hz为中心的中低频噪声占主要成分,因此对这类噪声可以使用发泡混凝土。
(5)在高架桥上安装吸声天棚或悬挂空间吸声体等吸声结构,可以大大降低桥梁振动的辐射噪声。
高架轨道交通噪声的各个声源中,桥梁振动的辐射噪声对周边环境尤其是低楼层有较大影响。
高吸声、安全、美观、易清洗保养是设计这类吸声结构的要点。
(6)设置声屏障是降低轨道交通运行噪声的一种有效措施。
现有的吸声型声屏障均为板式结构,所用的吸声材料分别有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纤维类吸声材料、微穿孔板等;但其频带窄,尤其是低频段吸声系数小,通常只有0.5左右,这是现有吸声型声屏障的共同缺点。
常见的微穿孔板和其他抗性吸声结构对低频噪声比较有效,但在中高频段的吸声系数往往很低。
总之,由于交通噪声主要分布在100kHz~5kHz,单纯阻性吸声或抗性材料都难以在如此宽的频率范围内达到满意的吸声效果。
因此,国内外都把研究阻抗复合型声屏障作为拓宽吸声频带、提高降噪效果的主要方向。
(7)挖减振沟和设隔振墙。
可以在建筑物和轨道之间通过挖减振沟和设隔振墙等设置隔振屏障。
只要沟的深度和墙的板质、厚度、深度合适,就可以获得理想的减振效果。
4结语和建议
西安作为世界四大文明古都之一,建设地铁过程中更应充分考虑环境振动和噪声的影响,采取较为成熟的减振降噪措施的同时,建议进行创新性的减振降噪措施研究,应用在西安地铁的敏感地段,更加有效地减小振动和噪声的影响,提升西安地铁的建设水平,扩大西安地铁在减振降噪方面的影响。
参考文献
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