1研究背景
随着我国经济的快速发展，为满足人们的出行需求，城市轨道的建设进入了蓬勃发展阶段。截止到2020年底，我国内地已有 45 座城市开通城市轨道交通线路7969.7km，位居世界第一。目前城市轨道交通主要以地下线与高架线路为主，其中在高架线路中，由于槽形梁具有美观、施工便捷以及成本较低的优势，在国内外城市的轨道交通建设中得到了广泛的应用。随着轨道交通的运量提升、速度加快，引发的轨道交通槽型梁低频振动与噪声问题越来越突出。目前针对轨道交通桥梁振动与噪声产生及传播机理研究仍在不断深入，如何快速、精确预测轨道交通桥梁振动与噪声仍然是目前亟待解决的难题。高飞等听过了二维声场有限元模型预测桥梁结构噪声，并通过现场测试进行验证。LI等通过结合有限元法与边界元法分析桥梁结构的噪声辐射特性。刘林芽等通过结合有限元法与快速多极边界元法分析箱型桥梁结构的振动与噪声问题时，计算效率得以提高。目前针对桥梁低频振动与噪声的频域模型的研究相对较少。
2 振动噪声成因分析
通过对我国各大城市现有轨道交通地下线路进行调研，总结归纳出轨道振动噪声的主要产生原因如下。1) 钢轨波磨；近年来，我国大部分城市轨道交通线路的钢轨波磨现象越来越普遍。轨道线路现场部分小曲线地段存在钢轨波磨病害，波长基本在20～50mm，属于短波波磨，钢轨波磨如图1所示。钢轨波磨会导致轮轨关系恶化，加剧轮轨系统中的高频振动，产生振动和噪声，同时影响行车安全和乘坐舒适性，造成运营安全隐患。研究表明，影响钢轨波磨的因素众多，如钢轨共振、钢轨扣件刚度过小、钢轨不平顺、轨道几何形位不良、轨枕间距过大、行车速度高和钢轨材质缺陷等。根据现场调研情况，在所有居民投诉的敏感点中，关于钢轨波磨问题的敏感点数量占投诉敏感点总数量的2/3。
图 1 钢轨波磨
2) 钢轨焊接接头不平；顺钢轨之间及道岔区的焊接接头是其最薄弱的环节之一，现场部分地段存在钢轨焊接接头不平顺的问题，钢轨接头不平顺如图2所示。由于焊接方式、焊缝材质、廓形打磨等多方面因素的影响，车轮多次经过钢轨焊接接头后，两端的钢轨接头将产生错位，导致钢轨焊接接头不平顺。车轮经过钢轨焊接接头错台处，会不断地撞击钢轨接头，加速不平顺的发展，也会影响到行车的安全，造成更大的振动与噪声。
(a) 焊接接头不平顺 (b) 道岔区接头轨缝。
图 2 钢轨接头不平顺
3) 其他原因
(1) 轨道减振级别设置偏低。对应线路并未采取减振措施或减振级别设置偏低，导致敏感点振动噪声值偏大。(2) 轨道病害或状态不良；存在扣件脏污或板结、道床沉降以及轨枕与道床剥离等问题。(3) 地质条件的影响。部分地段虽距离线路较远，超出了环评预测的范围，但由于该处敏感点对应的地质以中风化泥岩为主，振动的衰减小，因此反而造成了振动超标。(4) 房屋结构体量小。例如房屋结构为 4～6层的砖混/钢混结构的敏感点，房屋体量小，容易产生激振和共振激发振动，设计中应引起足够重视。
3 主要整治方案
城市轨道交通轨道振动噪声的整治方案宜遵循先易后难、分步实施的原则，既要降低既有线路改造的难度，又要确保方案安全可靠，并具有良好的整治效果。基于上述原则，提出的整治方案如下。1)提高轨道平顺性其包括钢轨打磨和对钢轨焊接接头状态不良地段的整治等。钢轨打磨现场如图3所示。
图 3 钢轨打磨现场
2) 提升轨道减振降噪等级针对敏感点对应线路采用了普通扣件或减振扣件，但扣件刚度值有衰减的区段，拟采用针对原位扣件设计的分体嵌套式减振扣件进行替换，替换用分体嵌套式减振扣件。此方案不仅无需改变既有轨枕的尺寸、钉孔位置和轨面高程，也能利用既有扣件的零部件(如弹条、螺栓、轨距块等)，技术经济性好。对于整治方案实施后，振动噪声效果评估仍然偏大的敏感点，则应进行道床类改造方案的研究。3) 减缓钢轨波磨其包括安装钢轨阻尼降噪装置、轨顶涂覆装置等。钢轨打磨及减振扣件原位替换实施完成后，运营部门应密切关注曲线地段钢轨波磨的发展情况，并择机启用钢轨阻尼降噪装置［如调频式钢轨阻尼器( TRD) 或迷宫式钢轨阻尼器(TMD)］、轨顶摩擦控制装置等以延缓钢轨波磨的发展。轨顶摩擦控制装置如图 4所示。若上述整治效果评估后仍存在振动噪声超标的敏感点，可考虑道床类的改造方案。4)替换分体嵌套式减振扣件分体嵌套式减振扣件采用子母铁垫板嵌套式减振扣件的结构。经线上测试，分体嵌套式减振扣件减振效果约为 7dB。该扣件组装高度、钉孔距与普通扣件完全相同，是目前可分离式压缩型减振扣件中唯一一种组装高度与普通扣件一致的减振扣件。将普通扣件更换为分体嵌套式减振扣件后，轨道结构高度不会产生变化。5) 安装钢轨阻尼降噪装置钢轨阻尼降噪装置包括调频式钢轨阻尼器和迷宫式钢轨阻尼器等。其中，调频式钢轨阻尼器由减振体(包括弹性体和金属质量块) 和金属卡组成。弹性体、质量块和金属卡一起构成了“阻尼—质量—弹簧”减振系统，也相当于沿钢轨纵向附加了一系列分布式质量调谐阻尼耗能器。
图 4轨顶摩擦控制装置
结束语
综上所述，根据现场对轨道的调研和总结，归纳出振动噪声的主要产生原因，包括钢轨波磨、钢轨焊接接头不平顺、轨道减振级别设置偏低等; 并提出了相对应的整治方案，包括: 提高轨道平顺性、提升轨道减振降噪等级和减缓钢轨波磨等。具体整治措施包括钢轨打磨、替换分体嵌套式减振扣件、安装钢轨阻尼降噪装置、安装轨顶摩擦控制装置等。
参考文献：
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