城市高架軌道交通體系振動與噪聲控制
1 概述
1 . 1 加快發展城市軌道交通的必要性城市化是世界各國共同的發展趨勢。發達國家城市化進程的經驗教訓告訴我們: 住房、環境和交通是影響城市發展的三大要素, 尤以交通為甚。當前我國經濟快速增長, 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正面臨著大發展的歷史性機遇。
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濟、實用、高效、安全的快速交通模式, 成為城市軌道交通建設的世界性趨勢。它相對于其它走行方式的優勢在于:
(1)高架軌道交通經濟, 建設周期短。
高架軌道交通的優越性是很明顯的: ①高架線路造價為地下線的 1/3, 高架車站的建設費用為地下車站的 1/9, 運營費用是地下線的 1/3。建設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, 建造速度快, 適應了大城市發展的需要。
(2)相對地面線與地面道路交通相沖突的缺點, 高架軌道交通更為高效和實用。
(3)與普通道路交通運輸形式相比, 高架軌道交通在完全封閉的系統中運行, 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境相協調的研究。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和居民區, 因此輪軌噪聲、車輛噪聲等聲源產生的振動噪聲對周圍環境的影響變得十分突出。振動噪聲問題成為建設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, 是高架軌道交通在城市可行與否的關鍵。
2 高架軌道交通振動、噪聲源
2 . 1 主要振動源
(1)列車速度對結構的豎向動力影響按 Chua 在文章中提供的車速 80km/h (22m/s)來考慮[ 1 ] , 根據橋梁結構振動學, 可不記列車速度對結構動力的影響。
主要與車輛動力機械運轉及技術參數有關, 如彈簧剛度、簧上質量、簧下質量等。
(3)軌道結構振動
主要是與軌道結構參數有關, 如: 質量、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
軌道交通系統的噪聲源有
(1)機械噪聲及結構噪聲
①車輛運行時輪軌部產生的噪聲。
滾動噪聲
由于車輪踏面和鋼軌表面粗糙, 凹凸不平, 鋼軌表面傷痕等原因, 車輛在鋼軌上運行不是單純的滾動, 而是滾動的同時在極小的范圍產生跳動, 輪軌間出現一定沖擊, 使鋼軌的車輪產生強迫振動而發出的噪聲。
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、剝離后在鋼軌上運行時由于沖擊而產生的噪聲。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, 而且是不連續的。
摩擦噪聲
摩擦噪聲是車輛通過小半徑曲線和道岔時產生的頻率較高的刺耳的“吱吱”聲。在曲線區段, 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, 這正是產生強烈刺耳尖叫聲的根本原因。
②結構噪聲
由于輪軌表面相互作用產生的振動通過軌道、橋梁、地基等傳遞導致橋梁、地下結構、附近建筑墻壁、樓板振動而輻射噪聲。
(2)車輛設備的噪聲
通風機、壓縮機、牽引電機噪聲。
(3)車輛運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行。其中, 從振源及聲源進行控制是根本途徑, 對于交通系統來說分為線路防振降噪和機車防振降噪兩個方面, 但這種防振降噪是有一定限度的, 通常是從規劃上或設計上著手。從規劃上著手是一種比較主動的方式, 而從設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用改變車輪結構的方法來改變噪聲的發射性能, 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運用線性電機驅動及徑向轉向架。
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中, 采用了線性電機車輛。該車型采用線性電機牽引、徑向轉向架及自動控制等三項新技術。由于采用線性電機牽引, 動力系統不需要從旋轉運動轉換成直線運動; 省去了齒輪箱等一系列傳動機構, 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, 由于采用徑向轉向架, 車輛能順利地通過曲線, 減少輪軌磨耗和消除常規固定軸距轉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。
④采用磁懸浮技術
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, 使車體懸浮在導軌上面行駛, 其振動小、噪聲低。
(2)軌道結構振動與噪聲控制措施
軌道結構主要由鋼軌、扣件及軌下基礎組成。根據振動理論, 輪軌之間的振動噪聲與鋼軌各部件的質量、剛度以及結構阻尼密切相關。軌道結構的減振降噪, 也就可以通過改變結構的參數實現。
①無縫線路
將標準軌焊接成長鋼軌, 減少鋼軌接頭數量, 從而減少接頭沖擊引起的振動噪聲。測試結果表明: 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, 國內外都作了大量研究工作, 研制開發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境的干擾。
④減振型軌下基礎
為了適用于不同減振要求, 各國都對傳統的碎石道床與整體道床作了大量改進研究工作, 開發了各種減振型軌下基礎。主要有: 在碎石道床的基礎上, 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。在整體道床基礎上, 開發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構, 減振效果非常顯著。
⑤進行軌道不平順管理
鋼軌打磨后, 在振動頻率為 8- 100Hz 范圍內, 振動下降4- 8dBA , 站臺上的振動下降 5 - 15dBA。控制軌道不平順是降低輪軌之間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)項目規劃
美國交通部門對城市高架軌道交通系統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行項目規劃的一系列方法。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, 由軌道交通誘發的振動噪聲出現的可能性, 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, 選擇不同的土建結構形式可能產生不同程度的振動噪聲, 供設計參考。
(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。
國外輕軌高架橋結構大多采用箱形梁形式, 據日本在山線對各種構造形式、斷面形式、跨度的橋梁進行對比試驗結果, 表明控空板形式噪聲最低。近年來, 新建的巴黎地區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)設置聲屏障
聲屏障是一種降低噪聲的有效措施。技術發達的美國、日本、英國、法國、澳大利亞及香港地區, 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, 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構選型方面應加以重視。特別應選擇隔聲性能好, 抗振性能好, 質量輕的建筑材料或結構型式。如陶粒混凝土材料具有良好的吸音隔聲能力和良好的動力性能, 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中; 而空間網架結構, 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
[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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