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文章编号:10094539(2017)04002104·科技研究·收稿日期:20170128作者简介:WolfgangDaiminger,男,德国慕尼黑Planegg工程咨询公司Mueller-BBMGmbH认证噪声振动测试实验室负责人。道砟垫长期使用后质量特性研究WolfgangDaiminger1MirkoDold2(1.Mueller-BBM公司德国慕尼黑;2.格士纳公司奥地利布尔斯)摘要:1983“年修建慕尼黑的Gasteig”文化中心时,在临近的铁路线上安装了Sylomer®B851道砟垫来保护文化中心免受结构噪声的影响。经过30年共计13亿t轮载荷载作用之后,为检测道砟垫的长期效果,在实验室中和铁路上分别对该道砟垫的质量特性展开了深入测试。检测结果发现道砟垫仍能满足安装时设定的严格的结构噪声降低要求。与安装时的测量结果相比,测得的特性(静态/动态)只发生了细微变化,因此可以肯定的说,道砟垫还能够再有效使用30年。关键词:道砟垫结构噪声静态刚度动态刚度中图分类号:U213.2+12文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2017.04.004ResearchontheLong-termQualityofUnderBallastMatsWolfgangDaiminger1,MirkoDold2(1.Müller-BBM,Planegg,Munich.ProductManagement;2.GetznerWerkstoffeGmbH,A-6706Bürs/Bludenz)Abstract:In1983,whilstthe“Gasteig”culturalcentreinMunichwasstillunderconstruction,underballastmatsoftypeSylomer®B851wereinstalledtoprotectitfromthestructure-bornenoiseemittedfromanearbyrailtunnel.Afterbeingex-posedtoextremelyhighoperationalloadinglevelsof1.3billiontonnesover30years,in-depthinvestigationsinthelabora-toryandonthetrackhavebeencarriedouttodeterminethelong-termeffectivenessofthemats.Theinvestigationsshowedthatthehighstructure-bornenoiseinsulationrequirementsplacedonthematsatthetimeoftheirinstallationcontinuetobemet.Comparedtothemeasurementstakenatthetimeofinstallation,themeasuredcharacteristics(static/dynamic)revealonlyslightdifferences,supportingtheassumptionthatthematswillretaintheireffectivenessforanother30years.Keywords:underballastmatsstructure-bornenoise;staticstiffness;dynamicstiffness1引言1983年,我们利用隧道的夜间关闭时间,借助一种专门开发的技术[1-2]在两段隧道中分别安装了由GetznerWerkstoffeGmbH生产的长345m的Sy-lomer®道砟垫。标书规定,道砟垫的静态模量为0.008±0.001N/mm3。在1983年,道砟垫安装前后,列车驶过时对这两段隧道内与音乐厅施工现场的结构噪声水平进行了测量,测量结果与计算得出的道砟垫的插入损失[3-4]极为相符。各种测量结果完全满足要求。迄今为止,未发现该降低结构噪声的措施在效果上有明显减弱。2实验室检测为检测Sylomer®B851道砟垫的长期性能,我们于2012年8月,也就是道砟垫投入使用29年之“后,在慕尼黑AmGasteig”音乐厅附近的隧道中采集了一块样本。该调查由GetznerWerkstoffeGmbH委托开展,全程由DeutscheBahnAG监督。样本采集自km2+560轨道区段:道砟高度较低(处于低洼地带,轨枕下方道砟厚度约18cm),样本尺寸约为1200×1200mm2(如图1所示)。图1道砟垫取样区域(表面上的水清晰可见)12铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·科技研究·“PrüfamtfürBauvonLandverkehrswegen”(公路、铁路和机场建设研究所)在慕尼黑工业大学依据DIN45673-5对该样本进行了疲劳试验并进行了目视评估。除此之外还测量了样本的静态刚度,并将结果与1983年产品安装时[5]以及2001年产品拆除时[6-11]所测得的质量检测结果进行了比较。这些结果记录在一份单独的报告中[12]。样本的动态刚度在位于慕尼黑Planegg的Mueller-BBMGmbH的试验台上进行了测试[13]。2.1目视检查道砟垫样本被取出时浸在隧道地面上的水中,因此,试验之前必须对其进行干燥,以使测量条件与1983年和2001年相同。如图2所示,在道砟垫表面上可清晰看到因道砟石受力挤压造成的压痕。载荷分布层(与道砟相接触的保护层)状态良好,仅有一些轻微的塑性道砟压痕,但并未受损。例如无穿孔,见图3。图2隧道底部的积水图3载荷分布层上的道砟压痕道砟产生的压痕表明,道砟石很好地嵌入道砟垫。接触面积的增加最大程度减小了道砟和隧道地面之间的单位面积所受的载荷。下面的两层弹性层也都完好无损。2.2静态刚度静态刚度由慕尼黑工业大学交通研究所进行测试。确定了一份样本在0.16kN/s的试验速度和最高载荷0.25N/mm2时的静态载荷挠度曲线。样本尺寸为200×200mm2。根据1983年安装工作的标书条款中所规定的特殊要求(不同于文献[14]中规定的要求)和载荷挠度曲线得出了样本的实际基础模量cactual,并将其与之前标书中给出的目标值ctarget进行了比较。结果表明,测量得出的基础模量值在标书规定的cactual=ctarget+0.001N/mm3允许范围之内。换句话说,尽管在过去的29年以来共承受了约13亿t的超大负载后,依然能够符合标书规定的目标值。2.3动态刚度在文献[14]和文献[16]规定的条件下,依据ISO10846-2[15],使用俗称的直接法确定了道砟垫样本的动态刚度。文献[13]中介绍了测量方法和测量结果。最新测得的动态刚度值略微低于2001年的测量值。值得注意的是,道砟垫的质保要求允许与规定的目标值有15%的偏差。总体结果表明,Sylomer®B851道砟垫虽然在29年中承受了极大的工作负载,但其动态特性却无明显变化。甚至是浸泡在隧道地面的积水中,道砟垫也未受到不利影响。由实验室的试验结果可以推断,在隧道环境(列车、铁轨表面和上部结构刚度等)相似的条件下,仍然保持了1983年的结构噪声减噪效果,见表1。表11983年-2012年结构噪声减噪效果比较静态/动态特性比较2012年2000年1983年1Cstat/(N/mm2)0.00900.00870.00832Cdyn/(N/mm2)0.03920.03960.0388注:(1)根据标书采用三次加载,割线模量评价范围0.01~0.02N/mm3;(2)预加载:0.03N/mm2,频率20Hz。3列车经过时在隧道内测量结构噪声“”为在真实的交通条件下验证已经在实验室中测定的长期性能,有必要在1983年的测点处再次测量结构噪声。将这些测量结果与1983年道砟垫安装前后测得的结果进行比较,来确定和评估道砟垫在运营线路下承受如此长时间的负载后减振效果的变化情况。3.1结构噪声测量的条件为确保研究能获得真实可靠的结果,所有可能影响结构噪声产生的环境参数都尽量保持不变。而对很多参数(如道砟固结效果、水、轨枕和轨条扣件质量等)而言,这实际上几乎是不可能的,因此特别关注了铁轨粗糙度和铁轨表面状态。铁轨状态成为了比较测量值时的决定性因素。研究表明,钢轨波磨造成的结构噪声水平在频率200Hz左右时会提高多达20dB。2011年12月制定测量计划时,我们与来自DeutscheBahnAG的代表一起对隧道进22铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·科技研究·行了检查,以确定在什么位置采集样本。我们认为不必检查铁轨状态,因为主线的部分路段已计划在2012年夏天更换铁轨和重新打磨(测点附近的铁轨只是重新打磨,未进行更换)。从图4中可以看到铁轨顶部平滑的轮轨接触面,同时在轨头外侧,除轮轨接触面之外还可以清晰地看到铁轨打磨列车的旋转打磨盘留下的痕迹。然而测量条件的一个明显变化是铁路列车类型发生改变。1983年安装道砟垫期间进行测量时,整个慕尼黑轻轨铁路网中只有ET420一种列车。等到2001年时,就已引入ET423型列车组。2001年也针对这种列车进行了测量,但测量结果在整体评估时没有考虑。截止到2003年末,慕尼黑的所有轻轨都采用了ET423型列车组,所以30年以后的评估只限于这种列车组。3.2测试过程2013年1月底完成了铁轨打磨,测量工作在5月份展开。该测量结果可与1983年道砟垫安装前后测得的结果进行比较,因为铁轨同样处于最佳状态,表面光滑。详情见图4。在隧道一共对四个点进行了测量,这四个测点与隧道北段之前的测点对应。编号方式同之前一样,将所选测点编号为1、2、图4测量时测点5的铁轨状态5和6。其中测量点6是道砟垫铺设区域以外的一个参考点。传感器被安装到1983年测量中使用的固定装置(固定在隧道壁上的铝板)上。如图5所示。图5隧道中测量点的位置(共测量了34列列车经过时的振动水平)3.3测量结果评估单次列车驶过时使用Max-Hold三分之一倍频程频谱(rms“,时间常量Slow”1s)的形式进行评估,评估过程与之前完全一样。根据每列列车经过时的评估结果,计算出每个测点上Max-Hold三分之一倍频程频谱的能量平均值。振动分贝频谱图频率范围为4~315Hz。举例来说,我们将测点2的所有结果分别列出比较:道砟垫安装前后的测量结果、长期使用之后2001年和2013年的后续测量结果。如图6所示。图6道砟垫安装前后的测量结果以及2001年和2013年的测量结果测得的效果(插入损失)可用振动级差表示。用安装前后的测量结果相减得出。我们计算出了这些测点的振动速度级差,并对不同的结果进行比较:(1)安装前结果减去安装后结果(1983年)。(2)安装前结果减去使用18年后的结果(2001年)。(3)安装前结果减去使用30年后的结果(2013年),见图7。图71983年、2001年和2013年列车经过时的插入损失32铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·科技研究·此外还比较了2001年和2013年测量的测点1、2和5振动速度级差的算术平均值。正值和负值分别表示与1983年道砟垫安装前的测量结果相比,结构噪声分贝的降低和提高。解读这些结果时应注意,1983年和2001年的测量结果基于ET420列车,而2013年的测量结果则基于ET423列车。当然,2001年同样测量了几次运行ET423列车的情况。2001年测量的ET423型列车经过时隧道壁的振动结果表明,同ET420车型相比,ET423车型在频率小于63Hz的三分之一倍频程范围内振动水平较低,在频率高于63Hz三分之一倍频程范围时振动水平较高。我们确定了ET420和ET423列车经过时2001年测量点1、2和5以及参考点6的测量结果的级差并求得算术平均值。图8所示为各个测量点两种列车的平均振动速度级差。图82001年与2013年ET420与ET423列车振动速度级差对比2013年的测量结果已使用这一级差校正,并与之前的测量结果进行了比较。如图9所示。图930年使用之后经校正的插入损失4结论上述调查结果表明,Sylomer®B851道砟垫在30年的使用过程中轻松承受住了超过13亿标准t的超大轮载作用,且仍能够满足道砟垫安装时所设定的严格的结构噪声减低要求。采集的样本虽然长期浸在水中,但道砟垫的效果并没有受到影响。同样,较低的道砟深度(由于轨道超高,部分轨枕一侧顶部下方只有18cm)产生的较高单位载荷和机械应力也没有产生什么负面影响。调查证明,Sylomer®道砟垫保持了始终如一的高效性。根据此次调查结果和其他长期研究结果[17],我们可以推定道砟垫在功能不受影响的情况下至少可以再使用30年时间。除了能够减少振动和结构噪声外,道砟垫还有助于降低铁路的生命周期成本。如果没有道砟垫,频繁的铁路维护将增加运营成本,有时甚至需要更换整个上部结构。参考文献[1]SpindlerJ.SchallschutzmaBnahmenineinemMünchnerS-BahntunnelEinbauelastischerMattenzwischenTun-nelsohleundSchotterbett[J].DerNahverkehr,1986(2):63-66.[2]TecklenburgM.UnterschottermattenfürleiseBahnen-nachträglicherEinbauvonerschütterungsminderndenMaBnahmenimEisenbahnoberbau[J].DerEisenbah-ningenieur,2001(11):20-22.[3]WettschureckRG,KurzeUJ.EinfügungsdämmmaBvonUnterschottermatten[J].Acustica,1985(58):177-182.[4]WettschureckRG.BallastMatsinTunnels-AnalyticalModelandMeasurements[C].慕尼黑:国际噪声控制工程大会,1985:721-724.[5]Mueller-BBM.KulturzentrumAmGasteig,EinbauvonUn-terschottermattenindenS-Bahnröhren/Bauüberwachung-KurzberichtüberMessungenderdynamischenSteifigkeitanProbenderUnterschottermatte,TypB851derFirmaGetzner[R].慕尼黑:Mueller-BBM,1983.[6]WettschureckRG,HeimM.undTecklenburgM.Long-termpropertiesofSylomerballastmatsinstalledintherapidtransitrailwaytunnelnearthePhilharmonicHallofMunich,Germany[J].RailEngineeringInternational,2002(4):6-11.(下转第40页)42铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·设计咨询·相较于原方案,优化方案在远期高峰小时客流流线顺畅,乘客无滞留和发生明显拥堵现象,空间利用率较为均衡,同时两线换乘距离及换乘时间较短,换乘能力适宜。8结束语目前轨道交通厦门北站已投入运营,运营过程中还会有诸多细节需要调整,如站房方案调整、轨道交通附属建筑、装修的细节完善等等,经过对换乘客流的详细分析,以及换乘设计细节方面的推敲,均经得起实际运营的考验[11-12]。籍此与各位专家同仁探讨,希望能为轨道交通与综合交通枢纽车站的换乘设计提供新的思路和素材。参考文献[1]中国城市轨道交通年度报告课题组.中国城市轨道交通年度报告2011[M].北京:北京交通大学出版社,2012:2-8.[2]张喜正.新型地铁车站形式的探讨[J].都市快轨交通,2005(4):126-127.[3]漆宏.因地制宜确定地铁车站形式及站位[J].地铁与轻轨,2002(2):13.[4]顾静航.城市轨道交通枢纽一体化布局及换乘研究[D].上海:上海同济大学,2008.[5]林国成.城市综合客运枢纽换乘衔接研究[D].西安:长安大学,2010.[6]管旭日.城市轨道交通换乘站方案设计与评价研究[D].上海:上海同济大学城市轨道交通研究,2009.[7]宋博.新建地铁换乘车站对已建车站影响的研究[J].地下工程与隧道,2004(1):33-35.[8]刘健航.上海地铁网络的重要枢纽-人民广场站[J].地下工程与隧道,2006(1):1-5.[9]胡晓燕.上海轨道交通8号线、6号线淮海路站换乘节点结构设计[J].地下工程与隧道,2006(1):11-14.[10]许俊峰.行人仿真模拟在地铁换乘站设计中的应用[J].隧道建设,2010(1):24-32.[11]邱荣.新建线路与既有线路换乘方案研究[J].铁道建筑技术,2013(6):55-58.[12]张喜正.地铁车站建筑布置形式的多样性分析[J].铁道建筑技术,2008(S1):檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪202-204.(上接第24页)[7]WettschureckRG,HeimM.undTecklenburgM.Long-termefficiencyofballastmatsinstalledintherapidtransitrailwaytunnelnearthePhilharmonicHallofMunich,Germany[R].斯德哥尔摩:国际声与振动学术会议,2003:403-410.[8]WettschureckRG,HeimM.undTecklenburgM.Lang-zeit-EigenschaftenderUnterschottermattenimMuenchnerS-BahntunnelnahederPhilharmonieAmGasteig[J].Verkehr+Technik,2004(57):H.1,S.3-9.[9]Mueller-BBM.BestimmungdesdynamischenBettungsmod-ulseinerUnterschottermattenprobedesTypsSylomer®B851nach17jaehrigerGebrauchsdauerimTunnelKul-turzentrumAmGasteig/Philharmonie,Muenchen[R].奥地利:Mueller-BBM,2008.[10]Mueller-BBM.UnterschottermattenimS-Bahntunnelun-terhalbdesKulturzentrumsAmGasteiginMuenchen-Messungennach18-jaehrigerBetriebsbelastung[R].慕尼黑:Mueller-BBM,2001.[11]PrüfamtfürBauvonLandverkehrswegen.ErmittlungderstatischenSteifigkeitanausgebautenUnterschottermattenausdemS-BahntunnelMuenchen[R].慕尼黑:PrüfamtfürBauvonLandverkehrswegen,2000.[12]TUMunichPruefamtfuerdenBauvonLandverkehrswe-gen.ErmittlungdesstatischenBettungsmodulseineraus-gebautenUnterschottermatteausSylomer®B851ausdemS-BahntunnelMuenchenGasteig[R].慕尼黑:TechnicalUniversityMunich,2013.[13]BestimmungdesdynamischenBettungsmodulseinerUnter-schottermattedesTypsB851nach29-jaehrigerGe-brauchsdauerimS-BahntunnelMuenchenBereichPhilhar-monie/Gasteig[R].慕尼黑:MuellerBBM,2012.[14]TechnischeLieferbedingungenUnterschottermatten[DB].DeutscheBundesbahn,1988:TL918071.[15]Getzner.ISO10846-2Acousticsandvibration-Laboratorymeasurementofvibro-acoustictransferpropertiesofresili-entelements-Part2:Dynamicstiffnessofelasticsupportsfortranslatorymotion-directmethod[S].Munich:Muel-ler-BBM,1997:1-28.[16]TechnischeLieferbedingungenUnterschottermatten,Teil1:UnterschottermattenzurMinderungderSchotterbeans-pruchung[DB].eutscheBahnAG,2010:918071D.[17]DoldM,PotocanS.LangzeitverhaltenvonUnterschotter-mattenausSylomer[J].BartelsgrabenEIEisenbahninge-nieur,2012(11):31-33.04铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据
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