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地铁减振降噪技术研究进展

发表时间：2021/8/10 来源：《建筑科技》2021年8月下作者：杨生斌

[导读] 现阶段，随着我国经济的快速发展，地铁的建设也在加快。地铁列车运行过程中产生的振动会给沿线的建筑和居民带来很大的破坏和困扰。地铁减振控制的对象，主要集中在振源和振动的初始传递对象轨道结构上，从根源入手，降低振源的振动强度，阻碍振动向地基和周围建筑物传递。各种减振器、隔振器以及减振轨道结构，已在地铁减振中得到广泛应用，但减振降噪效果仍达不到预期要求。

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摘要:现阶段，随着我国经济的快速发展，地铁的建设也在加快。地铁列车运行过程中产生的振动会给沿线的建筑和居民带来很大的破坏和困扰。地铁减振控制的对象，主要集中在振源和振动的初始传递对象轨道结构上，从根源入手，降低振源的振动强度，阻碍振动向地基和周围建筑物传递。各种减振器、隔振器以及减振轨道结构，已在地铁减振中得到广泛应用，但减振降噪效果仍达不到预期要求。黏弹性阻尼材料具有优异的阻尼性能，并且在减振钢轨和低噪声车轮上得到了应用，其在地铁道床中的应用，明显提高了道床结构的减振效果，为地铁减振降噪技术提供了新思路。
关键词：地铁减振降噪技术研究进展
        引言
        地铁作为轨道交通的一种重要形式，具有快速、安全、准时、环保等特点，可以有效解决地面交通的拥堵问题。然而，地铁运行所带来的振动和噪声污染问题也给沿线的居民带来严重的干扰，甚至还会危及地铁车辆的行车安全。地铁振动和噪音主要来自运行过程中车轮与轨道之间的相互作用，受到车轮形状、轨道刚度和平直程度、车体结构与自重、车速等因素影响。地铁振动产生以后，经过轨道、道床、周围岩土向地面传播，从而引发地铁隧道周围地下结构与地面建筑的二次振动。
        1轨道减振设计原则
        1）分级减振原则根据现有轨道减振技术的发展水平，各种减振措施的实际使用效果，结合各工程的实际情况划分减振等级。各地段采用不同的减振措施，使轨道部件配置合理，达到减振目标。GB50157—2003《地铁设计规范》修订稿在总结近年轨道减振技术发展的基础上，将轨道减振结构划分为减振5～10dB的中级减振地段、减振10～15dB的高级减振地段和减振15dB以上的特殊减振地段。2）经济合理、技术可行原则轨道减振结构应具有较高的可靠性，在正常使用条件下，达到设计使用周期内少维修或免维修的要求。减振结构易损件和更换困难的部件采用与钢轨等寿命设计。3）结构稳定原则轨道减振措施除了要满足列车安全平稳运行的要求外，在正常情况下还要确保轨道动态、静态几何变形在正常范围内，避免出现钢轨异常波磨等现象。4）满足标准规范要求原则采取相应的轨道减振措施后，要保证地铁对沿线敏感区域的噪声和振动影响满足GB3096—2008《声环境质量标准》及GB10070—1988《城市区域环境振动标准》的要求。
        2地铁振动与噪声的危害
        (1)对地铁车辆舒适性和安全性的影响。轨道交通具有轴载快、载频快、振动强等特点。地铁车辆高速行驶时，轮轨之间会产生强烈的振动冲击。一方面，由此产生的振动和噪声会直接影响车厢内的人体，严重影响乘客的舒适性。特别是地铁的低频振动会引起人体某些器官的共振，长期接触会对人体健康造成危害。另一方面，剧烈的振动也可能导致车辆关键部件的损坏，造成翻车、脱轨等严重后果，给行车安全带来重大隐患。(2)对沿线建筑物的影响。混凝土材料在现代建筑中被广泛使用。然而，混凝土是一种多相复合材料，其结构非常复杂，特别是内部存在不同程度的原始缺陷。在地铁列车振动的激励作用下，周围的建筑结构会产生反应，引发混凝土原有缺陷，导致大量微裂缝和快速膨胀。不可避免地对结构的损伤积累、阻力衰减，最终影响结构的安全性和耐久性，甚至直接导致结构的损伤。特别是地铁沿线的古建筑，由于其年代久远，结构相对脆弱，更容易受到地铁振动的破坏。(3)对周围环境的影响。当列车运行时,车轮之间的接触表面的应力分布和铁路将相应地改变,引起周围建筑物的二次振动,它有一个巨大的影响沿线居民的工作和生活,和这个问题有悠久的历史。

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早在上世纪90年代初，北京西直门附近的居民就报告了地铁振动困扰居民的问题，甚至家具也因振动而移位。长期的噪声污染会对人的听力造成损害，造成不可恢复的高频听力损害，严重时甚至造成耳聋和鼓膜破裂。损伤程度受噪声频率、强度、作用时间等因素的影响。此外，地铁噪音还会危害人们的听力和中枢神经系统，引起交感神经系统紧张，造成高频听力损害、心率加快、心律失常、血管痉挛、血压升高等不良影响。
        3地铁减振降噪技术研究进展
        3.1约束阻尼结构减振整体道床
        约束阻尼结构减振整体道床是利用阻尼减振降噪技术实现地铁轨道的减振。阻尼减振降噪技术的原理是利用系统的阻尼损耗性能，将机械振动的能量转变为热能或其它可以消耗的能量，从而达到减振的目的。在阻尼减振降噪技术中，存在多种复合结构，其中以约束阻尼结构的减振效果最佳。约束阻尼结构是一种将黏弹性阻尼材料粘合在刚度较大的基层和约束层之间的结构，当结构弯曲变形时，基层与约束层产生相对滑移运动，黏弹性阻尼材料产生剪切应变使一部分机械能损耗。约束阻尼结构减振整体道床，是将原有道床结构的混凝土道床以及混凝土路基，与新型黏弹性阻尼材料巧妙结合，在混凝土道床和混凝土路基之间喷涂黏弹性阻尼材料，形成由混凝土路基、黏弹性阻尼层、混凝土道床组成的约束阻尼结构。该整体道床的剪切耗能作用能将轮轨的振动和冲击能量转化为热能消耗掉，减少振动和冲击，达到减振降噪的目的。该设计具有结构简单可靠、减振效果好、耐久性好、防渗水性好、抗列车冲击性和抗疲劳作用能力强、施工周期短、成本低等特点。约束阻尼结构减振整体道床的施工工艺方便快捷，采用高温高压的喷涂设备进行高效的喷涂施工；阻尼材料对混凝土基材表面的平整度无特殊要求，只要保证表面无松散颗粒，阻尼层与混凝土的附着强度能满足要求即可。该结构采用的阻尼材料属于黏弹性高分子材料类，具有形状记忆功能；对聚氨酯阻尼材料的研究和应用进行了系统的研究，包括交联度、软硬段含量和结构对阻尼材料损耗因子和阻尼温域的影响，聚氨酯结构与约束阻尼结构的阻尼性能之间的关系。
        3.2橡胶支座浮置板轨道
        橡胶支座浮置板轨道也是一种重要的浮制板轨道结构，根据支撑方式的不同，可将其分为整体支撑、线形支撑、点支撑式3种结构形式。其中整体支撑类型可以将地铁振动频率降至15Hz以下，减振效果可以达到20dB以上。线性支撑轨道结构的固有频率较低，减振效果可以达到25dB左右。点支撑式轨道结构的固有频率最低，减振效果也最好，往往可以达到30dB。
        结语
        地铁轨道的减振降噪问题已成为各国进行地铁设计首要解决的问题。地铁减振结构的设计正在不断的完善，新减振降噪技术的出现，带动了阻尼材料在地铁减振中的应用。到目前为止，黏弹性阻尼材料主要运用在振源体——车轮和钢轨上，缺乏在振动传播载体轨道结构上的应用。轨道结构的减振主要靠有一定刚度和惯性的橡胶支承块或钢弹簧来实现，黏弹性阻尼材料刚度小但阻尼性能好，虽不能像橡胶块和钢弹簧为轨道提供足够的支撑，但可作为两个刚性体中间的减振夹层，以约束阻尼结构减振整体道床的形式，实现地铁道床结构的减振。黏弹性阻尼材料这一创新性的应用，必将推动地铁减振降噪技术的发展，进一步提高地铁减振降噪的效果。
参考文献
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[2]王昌林.高速铁路噪声与振动因素的分析及其对策的探讨[J].铁道标准设计，2019（12）：61-62.
[3]江波.城市轨道交通轨道结构噪声分析与减振降噪措施[J].铁道建筑，2017（2）：62-65.
[4]焦守恭，大熊伸二.低噪声车轮的研制[J].国外内燃机车，2018（7）：17-19.