高速铁路轨道振动分析及减振策略

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2019年第23期

高速铁路轨道振动分析及减振策略

殷 俊，曾陈鑫

（西南交通大学希望学院，四川󰀃成都󰀃610400）

摘 要：随着高速铁路技术的不断创新与发展，安全性和舒适性受到更为广泛的重视，高速铁路振动问题也成为广大学者研究的重要方向。文章主要阐述了高速铁路轨道振动的评价标准，分析了振动产生的原因及其影响，并提出了高速铁路减振的有效策略。

关键词：高速铁路轨道；振动；减振策略中图分类号：U213.2󰀃󰀃󰀃󰀃󰀃文献标志码：A󰀃1964年世界上第一条高速铁路——日本东海道新干线的投入运营，成了世界铁路发展历史的转折点，标志着高速铁路正式进入人们的生活。数十年来，更快的速度和更高的舒适性成为铁路发展不断追求的目标，高速铁路也突出展现了速度快、运能大、安全性高、舒适度高、效益好等优势。但高速铁路运行时产生的振动却极大影响了高铁的安全性和舒适性，特别是车辆长期处于高频振动状态，会对车辆本身及轨道等产生许多不稳定的安全隐患，甚至有引发高铁事故的隐患。

1 高速铁路轨道振动成因

高速铁路列车在运行过程中持续产生的高频振动与车辆本身、车轮与钢轨接触面、轨道平顺性、地基强度等有关，分析高速铁路的振动产生原因有助于提前预防并尽可能减少振动产生，从而降低振动的危害。1.1 由车辆自身引发的振动

高速铁路的振动不是由单一原因引起的，一般是在高速运行状态下由列车本身与轨道共同作用产生的。仅考虑列车自身因素，引起振动的主要原因主要与车轮有关，列车的长期运行会造成车轮擦伤，当列车高速运行时，擦伤的车轮与钢轨在不断接触的过程中就会产生振动。除此以外，还与轨道接头的状态以及几何不平顺性等有关。1.2 由微小不匹配而产生的冲击作用

高速铁路从开始运营起，其使用寿命一般为一百年。在如此长的使用年限内，高速铁路会产生许多的微小形变，比如钢轨的变形、长期运营引起的轨道不平顺、路堤和地基的变形等。而这些微小形变会导致列车产生各种微小的不匹配，降低各个部位接触面的精度，同时各种微小的不匹配会导致列车在高速运行的状态下产生振动。1.3 由相关因素诱发的二次振动

当高速铁路在上述情况下产生振动后，在传播的过程中振动会通过钢轨等结构件传递到周围的地层中，通过大地来削弱振动。在该过程中，部分作用力会产生反弹，而反弹回去的这部分力会重新作用在路堤和地基上，然后使其振动，产生二次振动。

2 高速铁路轨道振动的影响

高铁因为运行而产生的振动以及二次振动会对沿线的建筑物以及人产生影响，振动问题也成为高速铁路在市内建设发展的重要考虑因素。

作者简介：殷俊（1987—），男，硕士，讲师，研究方向：轨道交通。

󰀃󰀃文章编号：2096-2789（2019）23-0210-02

2.1 对人体的影响

列车在高速铁路上高速运行时产生的振动，会对居住在铁路沿线工作单位的工作人员以及居民的生活产生不同程度的影响，危害身体健康、降低生活舒适度以及工作效率等。日本学者山崎秀和曾就振动对人的睡眠影响进行专门的试验研究。研究的数据经过分析后表明，当振动加速度在65dB以下时，一般不会对人的睡眠产生影响，极度敏感者除外；振动加速度一旦达到70dB人就很难顺利进入睡眠状态；当振动加速度达到80dB还会使已经进入睡眠状态的人惊醒过来。不仅是睡眠质量，当振动的频率比较强烈时，还会对人体的骨骼、肌肉、关节、韧带等造成严重损伤，促使消化系统肠胃蠕动增加、影响胃液分泌和消化系统能力，导致肝脏的解读功能代谢发生障碍。同时，对于振动比较敏感的人群，容易发生心情烦躁、心理失衡等现象。2.2 对高速铁路安全性的影响

目前，高铁以其超高的安全性成为深受全球人民的青睐的出行方式。但是，偶发的高速铁路事故时刻警醒着我们，并没有绝对意义上安全的出行方式。高速铁路列车运行所产生的振动不仅仅会对沿途的人、建筑物以及精密仪器产生影响，振动对高铁本身的安全性也存在一定的影响。例如1998年德国ICE城际快车特大事故，事故的原因之一就是车轮在经过长时间的振动影响下产生金属疲劳使弹性车轮钢圈脱落而造成的。高速铁路在运行时产生的高频振动会使车辆的零件、车轮与钢轨等同样产生高速振动，加速车轮与钢轨的磨损，缩短列车的使用寿命。随着科技的高速发展，相关检测工具也越来越先进，诸多因振动造成的各种微小破损可以被及时检测出来并得到及时、有效的保养和维修，从而减少了因振动而可能引发的高铁事故。2.3 对建筑物的影响

一般情况下由交通载荷引起的振动不会对建筑物造成倒塌等直接性危害，但由交通载荷引起的振动会持续不断地一直对建筑物产生不利影响。高速铁路运营时的振动同样具有相同的特性，并且因为高速铁路运行时的速度很快，其频率也相对较高，随着时间的推移，会慢慢影响到建筑物的静力状况，严重时可能会导致建筑物倒塌，尤其是对一些特殊材料建造而成的建筑，危害更大。如古建筑基本是由石材等脆性材料建造而成，振动对于这种古建筑的危害将会更加严重，持续的高频振动会使建筑物出现裂缝，导致作用力失效，造成结构性破坏。2.4 对精密仪器的影响

当高速铁路列车运行产生的振动达到一定的强度

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时，会导致精密仪器不能正常使用。虽然高速铁路在规划时会避免穿过安装有精密仪器的区域，不过在一些特殊的地域里，这种由于振动产生的影响依旧有可能对精密仪器产生影响。如台北至高雄的高速铁路运行穿越台湾南部科学园区域时在一定程度上影响了园区精密仪器工作的精确性。

2.5 对高速铁路舒适性的影响

高速铁路在投入运营以后，因为长期使用以及各种原因会导致高速铁路的轨道出现微小的高低不平现象，会使列车运行时产生振动从而降低舒适感。尽管车辆悬挂装置在一定程度上会过滤部分振动，但持续振动对悬挂设备本身的工作性能也会造成一定程度的损耗。

从以上几个方面可得出，高速铁路轨道振动对于高速铁路运行安全性、舒适性及周边环境均有较大影响，使得研究和解决高速铁路轨道振动问题对高速铁路发展有极其重要的意义。

3 振动问题评价标准

为了更好进行环境振动的影响评价，国际化组织以及一些西方的发达国家，如美国、英国、德国、加拿大等都先后提出了各自有关环境场地和建筑物的控制标准，但是环境评价标准一直以来并没有形成一个统一的模式。

在已发布的各种振动问题评价标准中，以国际标准化组织进行的研究和标准制定较为系统，且更具广泛性。世界各主要国家所制定的振动评价标准均是以国际标准化组织ISO公布的 《Guide for the evaluation of human exposure to whole-body vibration》（ISO 2631）为指导而制定的。我国也于1988年制定了适应于我国相关行业的标准——《城市区域环境振动标准》（GB 10070-88）。

4 高速铁路减振对策

振动的传播过程是相互关联的链式传播，牵一发而动全身，因此在研究减振对策时必须综合考虑所有有可能的影响因素。高速铁路轨道振动的传递过程：车辆→轨道→结构物→基础→地基→建筑物。4.1 改进车辆技术

通过分析高铁振动的振动因素可知，车辆是振动的主要因素之一。在针对车辆振动的控制措施方面，主要包括进一步使车辆轻量化、改善轮轴配置、合理优化弹簧系统等方法。例如研发新的高性能轻型材料，降低列车的整体重量，以期达到轻量化的目的。目前我国在振动源方面的控制技术上已经比较成熟，形成了一套自己的控制方法。

4.2 改进轨道技术

目前世界各主要国家基本都是采用的无缝线路长钢轨，其不仅能增加轨道结构的弹性，还能增加钢轨的平

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顺度，可以有效降低施加在结构物的冲击作用。也可采用重型钢轨，重型钢轨相比较轻型钢轨，在受到相同大小的冲击力作用下所产生的振动相对较小，但造价相对轻型钢轨而言较高。与此同时，应加大研究减振型轨道结构的力度，采用能够更好地吸收能量的弹性扣件、轨道弹性垫层、道床厚度；为保持钢轨的高平顺度，还需要研究更先进的检测设备和更加完善的维护方案。4.3 提高路堤、地基施工精度和质量

路堤、地基一经修建完成难以开展根本性修复，因此路堤、地基在修建的过程中必须保持足够的刚度，确保线路在设计的使用寿命年限内总沉降量和不均匀沉降量控制在一定的范围内。

4.4 在线路和受影响的建筑物之间安装减振结构

国内外曾参照预防减弱声波的结构方案隔音墙，在振动的传播途径中设置隔振沟、地屏障等隔振措施来削弱振动对高速铁路以及铁路沿线的影响。铁科院曾在铁科院东郊的试验线设置不同类型的隔振沟、地屏障来开展相关研究，希望以此达到降低铁路对环境的振动影响。但在高速铁路用地沿线范围内设置减振沟或地屏障等隔振装置本身便对高速铁路运输安全存在一定的隐患。目前并无有关这方面的实际效果报道。4.5 提高建筑物的抗振能力

在高速铁路修建的过程中，提前研究计算相应线路各种条件下产生的振动的影响，对需要搬迁的对象予以论述规划。同时，提高建筑物的抗振能力，研发效果更加的抗振结构，采用能吸振的材料等等来尽可能地降低振动对高速铁路沿线工作单位的影响。

5 结束语

经过不断研究，文章对轨道交通引起的环境振动已经有了相对较全面的认识，在有效减振方面进行了诸多探索和实践。当前，国内外仍然在研究自行减振轨道、设计更为合理的高架桥梁结构、隔振沟、阻振障、道床减振材料等方面不断开展深入研究，以寻求更为有效的方式和途径消除振动，控制振动传播范围，减小振动的负面影响。相信在未来，高速铁路轨道减振技术必将得到全面推广和使用。

参考文献：

[1]徐路遥.复杂地形对铁路环境振动的影响分析[D].南昌:

华东交通大学,2018.[2]邹志锋.高速动车组车轮磨耗对振动特性的影响[D].南昌:

华东交通大学,2018.[3]刘海涛,刘伟斌,王继军.高速铁路减振无砟轨道关键技术

研究[J].铁道建筑,2019(1):71-75.[4]中国铁道科学研究院.典型地屏障对铁路线路减振效果的

分析研究[R].2010.