城市高架軌道交通體系振動與噪聲控制
1 概述
1 . 1 加快發(fā)展城市軌道交通的必要性城市化是世界各國共同的發(fā)展趨勢。發(fā)達(dá)國家城市化進(jìn)程的經(jīng)驗教訓(xùn)告訴我們: 住房、環(huán)境和交通是影響城市發(fā)展的三大要素, 尤以交通為甚。當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)快速增長, 城市人口急劇增加, 特別是近 40 個百萬人口以上的大城市, 城市交通問題日益尖銳, 從而軌道交通工具迅速起步。地鐵、輕軌和單軌是最主要的軌道交通形式。隨著 99 年北京地鐵“復(fù)八線”的建成通車, 我國在北京、天津、上海和廣州建成的城市軌道交通線路已超過100 公里。我國快速軌道交通建設(shè)正面臨著大發(fā)展的歷史性機(jī)遇。
1 . 2 高架軌道交通
城市軌道交通按走行方式分為地下、地面和高架三種。高架軌道交通作為一種經(jīng)濟(jì)、實用、高效、安全的快速交通模式, 成為城市軌道交通建設(shè)的世界性趨勢。它相對于其它走行方式的優(yōu)勢在于:
(1)高架軌道交通經(jīng)濟(jì), 建設(shè)周期短。
高架軌道交通的優(yōu)越性是很明顯的: ①高架線路造價為地下線的 1/3, 高架車站的建設(shè)費(fèi)用為地下車站的 1/9, 運(yùn)營費(fèi)用是地下線的 1/3。建設(shè)一條地下線的資金可以建三條同樣長度的高架線。②由于高架線是在地面上建設(shè), 建造速度快, 適應(yīng)了大城市發(fā)展的需要。
(2)相對地面線與地面道路交通相沖突的缺點(diǎn), 高架軌道交通更為高效和實用。
(3)與普通道路交通運(yùn)輸形式相比, 高架軌道交通在完全封閉的系統(tǒng)中運(yùn)行, 安全性更好。
1 . 3 高架軌道交通的三大問題
振動、噪聲和城市景觀是高架軌道交通的三大問題。世界各國都非常重視高架軌道交通的振動噪聲以及它與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的研究。對于振動噪聲問題, 由于高架軌道交通大多穿越或位于鬧市區(qū)和居民區(qū), 因此輪軌噪聲、車輛噪聲等聲源產(chǎn)生的振動噪聲對周圍環(huán)境的影響變得十分突出。振動噪聲問題成為建設(shè)高架軌道交通的最大障礙, 能否將振動與噪聲控制在最低限度內(nèi), 是高架軌道交通在城市可行與否的關(guān)鍵。
2 高架軌道交通振動、噪聲源
2 . 1 主要振動源
(1)列車速度對結(jié)構(gòu)的豎向動力影響按 Chua 在文章中提供的車速 80km/h (22m/s)來考慮[ 1 ] , 根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)振動學(xué), 可不記列車速度對結(jié)構(gòu)動力的影響。
主要與車輛動力機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)及技術(shù)參數(shù)有關(guān), 如彈簧剛度、簧上質(zhì)量、簧下質(zhì)量等。
(3)軌道結(jié)構(gòu)振動
主要是與軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān), 如: 質(zhì)量、剛度、阻尼等。
(4)輪軌不平順
大量研究表明: 輪軌不平順是引起輪軌振動的主要原因, 主要包括車輪的不平順和軌道的不平順。
2 . 2 主要噪聲源
軌道交通系統(tǒng)的噪聲源有
(1)機(jī)械噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲
①車輛運(yùn)行時輪軌部產(chǎn)生的噪聲。
滾動噪聲
由于車輪踏面和鋼軌表面粗糙, 凹凸不平, 鋼軌表面?zhèn)鄣仍? 車輛在鋼軌上運(yùn)行不是單純的滾動, 而是滾動的同時在極小的范圍產(chǎn)生跳動, 輪軌間出現(xiàn)一定沖擊, 使鋼軌的車輪產(chǎn)生強(qiáng)迫振動而發(fā)出的噪聲。
沖擊噪聲
輪軌沖擊噪聲是車輪通過鋼軌接頭、道岔部分以及車輪踏面擦傷、剝離后在鋼軌上運(yùn)行時由于沖擊而產(chǎn)生的噪聲。從噪聲源來考慮, 分為軌道振動和車輪振動而引起噪聲兩種情況。沖擊噪聲與滾動噪聲不同的是其沖擊, 而且是不連續(xù)的。
摩擦噪聲
摩擦噪聲是車輛通過小半徑曲線和道岔時產(chǎn)生的頻率較高的刺耳的“吱吱”聲。在曲線區(qū)段, 盡管車輪踏面有一定錐度, 車輛仍然不能以純滾動通過曲線, 這正是產(chǎn)生強(qiáng)烈刺耳尖叫聲的根本原因。
②結(jié)構(gòu)噪聲
由于輪軌表面相互作用產(chǎn)生的振動通過軌道、橋梁、地基等傳遞導(dǎo)致橋梁、地下結(jié)構(gòu)、附近建筑墻壁、樓板振動而輻射噪聲。
(2)車輛設(shè)備的噪聲
通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、牽引電機(jī)噪聲。
(3)車輛運(yùn)行時的空氣動力噪聲
總之, 高架軌道交通噪聲源種類繁多, 其噪聲具有寬頻帶特征, 從0- 6kHz, 因此對其傳播控制是一個比較復(fù)雜的問題。
3 高架軌道交通振動噪聲的控制
對于振動噪聲控制主要采取振源與聲源控制、振動傳播與聲傳播控制以及承受物控制三個方面進(jìn)行。其中, 從振源及聲源進(jìn)行控制是根本途徑, 對于交通系統(tǒng)來說分為線路防振降噪和機(jī)車防振降噪兩個方面, 但這種防振降噪是有一定限度的, 通常是從規(guī)劃上或設(shè)計上著手。從規(guī)劃上著手是一種比較主動的方式, 而從設(shè)計上著手則是一種被動的方式。
3 . 1 從振源及聲源角度采取的防振降噪措施
(1)車輛的防振與降噪措施
各國在研制新型軌道交通車輛時, 采取了如下幾方面的防振降噪措施。
①采用了彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪及彈性踏面車輪等。
采用這些經(jīng)過特殊處理的車輪, 可減振降噪 2- 10dBA。如在巴黎地鐵中有 4 條線以及里昂、馬賽、墨西哥等城市軌道交通車輛和日本跨坐式獨(dú)輪交通車輛均采用充氣橡膠車輪, 這種車輪比普通鋼輪, 可降低噪聲10dBA。
②用改變車輪結(jié)構(gòu)的方法來改變噪聲的發(fā)射性能, 降低輪軌噪聲。
國外一些國家, 把制動盤放在輪輻上來減少噪聲的發(fā)射。如德國的一些車輛就采用這種方法, 試驗證明對 1000Hz 以上的噪聲有明顯的改善, 大約減少噪聲5dB 左右。
③運(yùn)用線性電機(jī)驅(qū)動及徑向轉(zhuǎn)向架。
溫哥華、多倫多、底特律、大阪等城市在八十年代的軌道交通系統(tǒng)中, 采用了線性電機(jī)車輛。該車型采用線性電機(jī)牽引、徑向轉(zhuǎn)向架及自動控制等三項新技術(shù)。由于采用線性電機(jī)牽引, 動力系統(tǒng)不需要從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動; 省去了齒輪箱等一系列傳動機(jī)構(gòu), 減輕了輪軌間磨損, 減少了許多噪聲源, 因而噪聲比一般車 33 城市高架軌道交通體系振動與噪聲控制輛降低了10dBA 之多。此外, 由于采用徑向轉(zhuǎn)向架, 車輛能順利地通過曲線, 減少輪軌磨耗和消除常規(guī)固定軸距轉(zhuǎn)向架通過曲線時刺耳的尖叫聲, 因而噪聲比一般車輛降低近 20dBA , 特別適用于高架軌道交通系統(tǒng)。
④采用磁懸浮技術(shù)
由法國、德國、日本、加拿大等國家研制成功磁懸浮列車, 改變了 原來輪軌粘著作用, 使車體懸浮在導(dǎo)軌上面行駛, 其振動小、噪聲低。
(2)軌道結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制措施
軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)組成。根據(jù)振動理論, 輪軌之間的振動噪聲與鋼軌各部件的質(zhì)量、剛度以及結(jié)構(gòu)阻尼密切相關(guān)。軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪, 也就可以通過改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)實現(xiàn)。
①無縫線路
將標(biāo)準(zhǔn)軌焊接成長鋼軌, 減少鋼軌接頭數(shù)量, 從而減少接頭沖擊引起的振動噪聲。測試結(jié)果表明: 在鋼軌接頭處, 輪軌噪聲比非接頭部位增加5- 7dBA。
②減振型鋼軌
在鋼軌腰部粘貼防振吸音材料, 如橡膠, 其降噪聲效果顯著。測試表明, 采用彈性鋼軌, 可降低噪聲 4- 8 (響度單位) , 特別適用于高架鐵道需特殊降噪地段。
③減振型扣件
軌道的彈性, 尤其是整體道床, 主要取決于扣件彈性, 國內(nèi)外都作了大量研究工作, 研制開發(fā)了滿足不同減振要求的鋼軌扣件。如在減振要求較高地段, 上海、新加坡、德國科隆地鐵均采用了軌道減振器扣件, 減振效果顯著, 能有效地減少對周圍環(huán)境的干擾。
④減振型軌下基礎(chǔ)
為了適用于不同減振要求, 各國都對傳統(tǒng)的碎石道床與整體道床作了大量改進(jìn)研究工作, 開發(fā)了各種減振型軌下基礎(chǔ)。主要有: 在碎石道床的基礎(chǔ)上, 研制了彈性軌枕道床和道碴墊道床, 增加道床彈性, 有效降低道碴振動, 與一般碎石道床相比, 有 5- 15dB 減振。在整體道床基礎(chǔ)上, 開發(fā)了短軌枕包套式和彈性長軌枕整體道床。在日本新干線特殊減振地段, 采用了防振型板式軌道。在新加坡、香港地鐵中, 特殊減振地段浮置板結(jié)構(gòu), 減振效果非常顯著。
⑤進(jìn)行軌道不平順管理
鋼軌打磨后, 在振動頻率為 8- 100Hz 范圍內(nèi), 振動下降4- 8dBA , 站臺上的振動下降 5 - 15dBA？刂栖壍啦黄巾樖墙档洼嗆壷g振動與噪聲的有效措施。
3 . 2 傳播過程中控制振動噪聲的方法
(1)項目規(guī)劃
美國交通部門對城市高架軌道交通系統(tǒng)的振動與噪聲評估作了大量的研究工作, 得出了為防振降噪而進(jìn)行項目規(guī)劃的一系列方法。大致分三個階段: Screen ing P rocedu re 主要針對項目決策階段, 用來確定在一定距離范圍內(nèi), 由軌道交通誘發(fā)的振動噪聲出現(xiàn)的可能性, 供決策 參 考。 General A ssessm en t 與 Detailed A nalysis 用于評價振動噪聲的潛能或程度。 GeneralA ssessm en t 指在確定線路方位時對振動噪聲的評估, 供規(guī)劃線路參考。Detailed A nalysis 則用于項目的實施階段, 評價振動噪聲的影響, 比如, 選擇不同的土建結(jié)構(gòu)形式可能產(chǎn)生不同程度的振動噪聲, 供設(shè)計參考。
(2)橋梁防振降噪措施
①選擇低噪聲橋梁形式, 采用箱形梁比較合理。
國外輕軌高架橋結(jié)構(gòu)大多采用箱形梁形式, 據(jù)日本在山線對各種構(gòu)造形式、斷面形式、跨度的橋梁進(jìn)行對比試驗結(jié)果, 表明控空板形式噪聲最低。近年來, 新建的巴黎地區(qū)快速鐵路高架橋和新加坡高架鐵道均采用箱形梁。
②采用橡膠支座
(3)設(shè)置聲屏障
聲屏障是一種降低噪聲的有效措施。技術(shù)發(fā)達(dá)的美國、日本、英國、法國、澳大利亞及香港地區(qū), 都在主干線上修建聲屏障并取得了較好的治理效果。
3 . 3 地基與建筑物振動噪聲控制措施
建筑物本身可采用寬基礎(chǔ), 加固地板, 隔振墊等, 也可對建筑物表面貼附吸聲、隔聲材料。高架軌道沿線的建筑物在選材及結(jié)構(gòu)選型方面應(yīng)加以重視。特別應(yīng)選擇隔聲性能好, 抗振性能好, 質(zhì)量輕的建筑材料或結(jié)構(gòu)型式。如陶；炷敛牧暇哂辛己玫奈舾袈暷芰土己玫膭恿π阅, 容重輕、彈性模量低、變形性能好, 可以用于軌道沿線建筑物的建設(shè)中; 而空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu), 因其良好的動力性能, 也可以作為軌道沿線大跨建筑物的合理選型加以考慮。
參 考 文 獻(xiàn)
[1 ] Chua K. H. , L K. W. and Koh C. G. ( 1997). “Perfo rmance of U rban Rail T ransit System: V ibrat ion and No ise System [ J ] 1 Journal of Perfo rmance of Const ructed Facilit ies, 67～ 75.
[2 ] U. S . Depar tment of T ranspo r tat ion, Federal T ransit A dm inist rat ion1 T ransit No ise and V ibrat ion Impact A ssessment1 Repo r t DDT— T—95—16,Ap r il 1995.
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