行业应用-轨道交通-轨道桥隧部分.pdf

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1、 2017 DASP+INV 测试系统 在轨道交通行业中的应用 轨道桥隧部分 北京东方振动和噪声技术研究所 1 目 录 1 轨道系统.3 1.1 轨道系统试验概述.3 1.2 铁路验收测试联调联试、重载测试.3 1.2.1 试验意义.3 1.2.2 试验内容.3 1.2.3 试验结果.5 1.3 兰新高铁轨道结构模态测试.5 1.3.1 试验意义.5 1.3.2 试验内容.6 1.3.3 试验结果.6 1.4 深圳地铁浮置板模态测试.10 1.4.1 试验意义.10 1.4.2 试验内容.10 1.4.3 试验结果.11 1.5 轨道隔振器隔振效果测试分析.12 1.5.1 试验意义.12 1

2、.5.2 试验内容.12 1.5.3 试验结果.12 1.6 城市轨道交通扣件螺栓应力测试.13 1.6.1 试验意义.13 1.6.2 试验内容.13 1.6.3 试验结果.14 2 铁路桥涵.15 2.1 铁路桥梁检测.15 2.1.1 试验意义.15 2.1.2 试验内容.15 2.1.3 试验结果.16 2.2 铁路桥梁动力学特性测试.16 北京东方振动和噪声技术研究所 2 2.2.1 试验意义.16 2.2.2 试验内容.16 2.2.3 试验结果.17 2.3 西江特大桥铁在线监测系统.17 2.3.1 项目意义.17 2.3.2 系统构成.17 2.3.3 系统效果.18 2.4

3、 安庆长江大桥在线监测系统.18 2.4.1 项目意义.18 2.4.2 系统构成.19 2.4.3 系统效果.21 3 轨道交通环境.22 3.1 城市轨道交通环境振动、噪声评价.22 3.1.1 试验意义.22 3.1.2 试验内容.22 3.1.3 试验结果.23 3.2 地铁施工对附近环境影响.23 3.2.1 试验意义.23 3.2.2 试验内容.23 3.3.3 试验结果.24 北京东方振动和噪声技术研究所 3 1 轨道系统 1.1 轨道系统试验概述 铁路轨道是一个长大工程结构。其基本的物理力学参数如道床密实度、道床脏污率、道床变形模量、道床阻力、道床阻尼、钢轨基础弹性系数、轨道横

4、向刚度、钢轨支点弹性系数等，都因受轨道使用年限、地质情况、气候条件及线路养护水平等多种因素的影响而因时、因地而易，对于某种给定的轨道类型来说各参数值总是在一定的范围内变化。作用在轨道上的荷载，也因受机车车辆的结构、车辆装载、司机操作水平、行车速度、车轮圆顺程度、轨面平顺性及轨下基础弹性的均匀性等多种因素的影响而带有强烈的随机性。因此在列车作用下，在轨道中引起的各种动力效应，包括轮轨之间及轨道各部件之间的相互作用荷载，轨道各部件的位移、应力、应变、振动等也是随机的。轨道结构的计算理论，都是以一定的力学模型及给定的荷载采数和轨道参数为前提，其计算结果只能反映一定的轨道结构在给定的运营条件下，各轨道

5、动力效应值的大致水平和量级，不可能给出某次行车在某个轨道断面上的真实值，这往往给许多实际工程问题的解决带来一定的困难。轨道的基本物理力学参数直接表征了轨道所处的状态及轨道承受列车荷载的能力。而行车的安全、轨道的失效或破坏，又总是和一种或几种动力效应有关。因此通过测试，就可能估算轨道的承载能力。挖掘运输潜力；检验轨道的工况，保证行车安全；了解轨道所处的状态，合理安排轨道修理，实现轨道全面质量管理提供第一手资料。1.2 铁路验收测试联调联试、重载测试 1.2.1 试验意义 高速列车高速通过测试点时，具有电磁干扰强，试验人员不能靠近轨道等特殊、恶劣试验条件，所以对试验设备的可靠性、抗电磁干扰特性要求

6、高，同时，必须保证现场试验人员的人身安全。1.2.2 试验内容 应用软件：DASP V10 专业版数据采集与信号处理软件 北京东方振动和噪声技术研究所 4 采集硬件：INV3060V 型 24 位智能信号采集处理分析仪 INV3060S 型 24 位智能信号采集处理分析仪、INV1861 型应变调理仪 传感器：振动、应变传感器 特色：屏蔽强电磁干扰的能力；内置 8G 的存储卡，自动触发采集数据及离线采样的功能；使用最新的 3G 技术，做到无线远程控制现场的采集仪。图 2 强电磁环境对应变测量的影响（某厂家设备所测数据）图 1 试验现场布置 北京东方振动和噪声技术研究所 5 图 3 强电磁环境下

7、使用东方所设备仍能获得理想的应变数据 1.2.3 试验结果 在多次高铁联调联试中，顺利的采集了各个高速下的振动、应力数据。INV3060S 测试系统，经受了高铁强电磁场的考验，表现出高可靠、高精度等良好性能，得到了中国铁道科学研究院的好评。图 4 轮轨力数据 1.3 兰新高铁轨道结构模态测试 1.3.1 试验意义 此次模态试验于 2016 年 12 月在兰新高铁民和段进行，主要测试钢轨（22米及 1.2 米）竖向及横向模态、扣件弹条竖向模态、轨道板竖向模态以及轨道系统竖向振动传递函数。北京东方振动和噪声技术研究所 6 1.3.2 试验内容 应用软件：DASP V10 专业版软件 模态分析软件

8、采集硬件：INV3062V 型 24 位智能信号采集处理分析仪 传感器：LC0104(T)-50 ICP 型加速度传感器（22m 钢轨模态测试）LC0102T-5 ICP 型加速度传感器 INV9206 ICP 型测量传声器（弹条模态测试）力 锤：MSC-3 试验中力锤（1.2 米钢轨模态测试）MSC-1 试验小力锤（弹条模态测试）INV9314 力棒（22 米钢轨模态测试）特色：使用东方所特有的变时基技术与高聚能弹性力锤，对大型低频结构进行经典模态试验，试验操作简便，效率高、成本低、效果好。另，可以通过东方所软件中的多种模态拟合方法得到准确可靠的模态参数。对于轻小试件的模态试验，声模态测试与

9、分析方法很好的解决了传感器对结构的影响，可得到准确的模态参数；新研制的力棒，直接输出 ICP 信号，不用外接调理，使用方便快捷，大大提高试验效率。1.3.3 试验结果（1）22m 钢轨模态测试 测点布置：均匀布置在每个轨枕上方及两个轨枕中间，如下图所示，图中红色三角代表轨枕，如下图所示。图 5 测点布置图 北京东方振动和噪声技术研究所 7 图 6 钢轨模态分析部分振型（2）1.2m 钢轨模态测试 选择两个枕跨距离（约 1.2 米）进行局部钢轨模态测试，将被测钢轨在纵向进行 8 等分，共计 9 个截面，每截面测点布置位置及方向如下图所示。图 7 测点布置截面图 北京东方振动和噪声技术研究所 8

10、图 8 1.2m 钢轨前四阶模态振型（3）扣件弹条模态测试 扣件弹条使用固定响应点，移动敲击点的方式进行测试，在弹条上均布 29个测点，依次激励各测点并采集激励及响应信号。测点布置位置如下图所示。图 9 测试现场图及测点布置示意图 北京东方振动和噪声技术研究所 9 图 10 扣件弹条前六阶模态振型（4）轨道板模态测试 轨道板模态使用固定响应点，移动激励点的方法进行测试，将轨道板纵向 9等分，横向 4 等分，共计 50 个测点。图 11 测点布置示意图 图 12 轨道板前四阶模态振型 北京东方振动和噪声技术研究所 10（5）轨道系统振动传递特性测试 试验中分别在钢轨轨枕上方，钢轨枕跨中间进行激励

11、，在钢轨枕轨上方、枕 跨中间、扣件垫板、轨枕、轨道板及扣件弹条布置传感器，传感器布置位置如下图所示，图中数字为对应测点号。试验使用 INV9314 铝头进行激励。图 13 测点布置示意图 图 14 激励钢轨轨枕上方时传递函数与激励钢轨枕跨跨中时传递函数 1.4 深圳地铁浮置板模态测试 1.4.1 试验意义 人们对城市轨道交通所产生的振动和噪声污染问题越来越重视，为此在减振要求特殊地段采用了浮置板轨道结构。而轨道结构的减振性能与其固有频率 有关，因此需要对轨道结构的动力特性进行更深入的研究。建立了浮置板轨道系统的振动法分析模型，并对浮置板轨道系统进行模态分析，得到了该系统的振动动力学特性（固有频

12、率、振型）。1.4.2 试验内容 深圳地铁 6 号线，六米长轨道板（六米是一个周期）模态测试 北京东方振动和噪声技术研究所 11 浮置板模态测试 应用软件：DASPV10 工程版 模态分析软件 采集硬件：INV3062 型 24 位智能数据采集分析仪 传感器：100m/ss 加速度传感器 力锤：MSC-3 中力锤 1.4.3 试验结果 图 15 现场照片 图 16 前四阶振型动画 北京东方振动和噪声技术研究所 12 1.5 轨道隔振器隔振效果测试分析 1.5.1 试验意义 为了评价不同类型轨道减振器的减振效果，于 2012 年 6 月北京东方振动和噪声技术研究所同中铁二院、隔而固（青岛）减振技

13、术有限公司、深圳地铁有限公司对世界之窗到华侨城北段进行了隧道内的振动测试。通过测试，了解地铁列车作用下轨道结构的道床和隧道边墙加速度的频谱特性，对比分析地铁 2 号线工程普通道床与钢弹簧浮置板道床、橡胶隔振垫的振动响应，评价其减振效果。1.5.2 试验内容 不同类型轨道结构在地铁运营列车作用下的振动加速度特征值，分析不同类型轨道结构的振动 Z 振级以及相应的加速度频谱特性，对照普通道床分析其实际减振效果。应用软件：DASP V10 专业版数据采集与信号处理软件 采集硬件：INV3060S 型 24 位智能信号采集处理分析仪 传感器：INV9824、INV9822A、INV9828 型加速度传感

14、器 特色：先进的分布式数据采集方式，不同测点的多台采集仪同时工作，无人值守。1.5.3 试验结果 图 17 中可看出,安装钢弹簧复置板的道床较普通道床,减振效果明显。图 17 钢弹簧复置板隔振效果 北京东方振动和噪声技术研究所 13 1.6 城市轨道交通扣件螺栓应力测试 1.6.1 试验意义 地铁扣件螺栓承受的各种载荷和受力工况对车辆安全运行有重要意义，本试验测试了扣件螺栓的受力情况，为分析螺纹相关强度是否满足地铁运行要求提供数据支持。1.6.2 试验内容 动态应变测试 应用软件：DASPV10 工程版 采集硬件：INV3062 采集仪+1861 调理器 传感器：应变片 特色：先进的压接式接线

15、方式(应变)，屏蔽强电磁干扰能力。图 18 现场测点布置 北京东方振动和噪声技术研究所 14 1.6.3 试验结果 图 19 试验结果 北京东方振动和噪声技术研究所 2 铁路桥涵 桥梁结构试验时对实桥进行无损检测的一项科学实验工作，其目的是通过荷载试验，了解结构在荷载作用下的实际工作状态，借以综合判断结构的承载能力和制定安全运用条件。荷载试验的内容及目的：1 静载试验：试验荷载停于预定加载位置对结构进行静应变、静位移等测定，以了解结构截面的应力分布、桁梁杆件的实际内力、混凝土梁的中性轴位置、梁跨中点的挠度、活动支座的水平位移等，据以判断结构在静载荷作用下的工作状态。2 动载试验：试验荷载以不同

16、速度通过试验桥梁进行动应力、动位移、竖向与横向振动的测定，以了解结构的动力系数、振动特征（振幅、频率、模态振型、阻尼比）等，据以判断结构在动载作用下的工作状态。3 制动试验：试验荷载以特定速度运行，在桥上进行紧急制动，以测定荷载制动时产生的构件应力和位移，据以检验结构物在制动力作用下的工作状态。桥梁试验可根据具体的试验目的进行上述单项或多项试验 2.1 铁路桥梁检测 2.1.1 试验意义 本项目通过 DASP 测试系统对桥梁进行检测，了解桥跨结构在实际荷载下的工作状态，评价其在设计使用荷载下的工作性能。2.1.2 试验内容 应用软件：DASP V10 专业版数据采集与信号处理软件 采集硬件：I

17、NV3060S 型 24 位智能信号采集处理分析仪 传感器：941B 拾振器 特色：AVD 三测量技术 北京东方振动和噪声技术研究所 16 图 20 现场试验照片 2.1.3 试验结果 图 21 铁路桥速度、位移测试结果 2.2 铁路桥梁动力学特性测试 2.2.1 试验意义 通过对该铁路桥进行模态测试，了解其动力学特性。2.2.2 试验内容 应用软件：DASP V10 专业版数据采集与信号处理软件 采集硬件：INV3062 型 24 位智能信号采集处理分析仪（多台）传感器：941B 拾振器 北京东方振动和噪声技术研究所 17 特色：先进的分布式信号采集系统，免去测试现场拉线的烦恼。2.2.3

18、试验结果 图 22 前四阶竖向阵型 2.3 西江特大桥铁在线监测系统 2.3.1 项目意义 本项目通过 MTS 云智慧系统对桥梁进行在线监测，对桥梁结构设计的合理性、检验桥梁工程施工质量，确定工程的可靠性验证进行验证，以直接了解桥跨结构在实际荷载下的工作状态，评价其在设计使用荷载下的工作性能，同时也为建立桥梁维护管理档案提供动力学参数。分析桥梁结构的安全状况、评价其承受静、动态荷载的能力和结构的安全可靠性，为运营及管理决策提供依据。2.3.2 系统构成 应用软件：DASP-MTS 云智慧系统 采集硬件：INV3060V 传感器：941B、共和应变传感器、风速风向仪 特色：北京东方振动和噪声技术

19、研究所 18 1）通过互联网直接登录访问整个监测系统，远程修改监测设备参数，实时掌握现场情况；2）系统可以自动发送预警、报警信号，可以对现场情况做出及时的反应；3）可以进行大容量数据自动处理，快速输出监测报告；4）界面灵活多样，可以根据工程的多样化需求进行定制。2.3.3 系统效果 图 24 MTS 实时监测界面与实时波形浏览 2.4 安庆长江大桥在线监测系统 2.4.1 项目意义 本项目通过 MTS 云智慧系统对桥梁进行在线监测，对桥梁结构设计的合理性、检验桥梁工程施工质量，确定工程的可靠性验证进行验证，以直接了解桥跨结构在实际荷载下的工作状态，评价其在设计使用荷载下的工作性能，同时也为图

20、23 南广铁路西江特大桥实景图与机柜现场安装图 北京东方振动和噪声技术研究所 19 建立桥梁维护管理档案提供动力学参数。分析桥梁结构的安全状况、评价其承受 静、动态荷载的能力和结构的安全可靠性，为运营及管理决策提供依据。图 25 安庆长江大桥 2.4.2 系统构成 应用软件：DASP-MTS 云智慧系统 采集硬件：INV3062V 传感器：模拟量：索力美泰传感器 桥面振动 891-2 桥墩振动 891-4 数字量：风速风向仪、测速雷达、倾角仪、结构温度、大气温湿度、支座位移、水准仪 具体检测内容如下表 No 监测量 仪器型号 仪器名称 仪器说明 数量 2 索力监测 MSV1100A 变电容式加

21、速度传感器 0 1KHz，200mV/g，电压，差分，量程 10g，零位：2.5 0.1v，宽电压供电 7V-36V,可承受 20000g 的冲击载荷和恒定加速度作用 12 3 桥墩测试 891-4 超低频加速度速度拾振器 频率范围：0.1 30Hz，四档选择，可直接测加速度或速度信号。6 桥面测试 891-2 超低频加速度速度拾振器 频率范围：0.17 100Hz，四档选择，可直接测加速度或速度信号 4 4 主梁线性 BGK-3475T 静力水准仪 量程 1700mm 8 北京东方振动和噪声技术研究所 20 特色：1）通过互联网直接登录访问整个监测系统，远程修改监测设备参数，实时掌握现场情况

22、；2）系统可以自动发送预警、报警信号，可以对现场情况做出及时的反应；3）可以进行大容量数据自动处理，快速输出监测报告；4）界面灵活多样，可以根据工程的多样化需求进行定制。图 26 现场图片 S 5 梁端转角 HCA516T 高精度数字输出型单轴倾角传感器 单轴倾角测量；量程 1 90可选；精度：参考性能表；DC 9 36V 宽电压输入；宽温工作-40+85；分辨率 0.001；IP67 防护等级；高抗振性能 2000g；尺寸90 50 33mm。2 6 行车速度 CSR-1 平板型微带阵列天线 测速范围：（2 400）km/h；测速准确度：（4 0）km/h；反应时间：26ms；额定电压：12

23、V DC；额定电流：0.3A 2 7 风速风向 Windsonic 超声波风速风向仪 超声波风速风向传感器，低功耗，0-60 米/秒风速，快速启动，0-359 风向，结构坚固，免维护，无腐蚀 1 8 大气温湿度 HMP60 维萨拉INTERCAP温湿度传感器 微型湿度探头；低功耗；测量范围：0.100%RH；-40.+60；带有标准 M8 接头的可插拔电缆；坚固的金属外壳 1 9 结构/钢轨温度 PT100 温度传感器器 测量范围：-50-150 14 10 支座位移 拉线式/复位式位移传感器 客户提供 15 合计 9 种传感器，其中数字量 7 种 43 个 65 北京东方振动和噪声技术研究所

24、 21 2.4.3 系统效果 图 27 3 号机柜采集仪监测量列表 图 28 风速风向 图 29 行车速度 北京东方振动和噪声技术研究所 22 3 轨道交通环境 随着城市现代化进程，振动对生活和工作环境的影响引起人们的普遍关注。据统计，除工厂、企业和建筑施工外，交通系统引起环境振动是公众反映中最强烈的，已经引起了各国政府、研究机构和高等院校的高度重视。对振源（交通车辆和支承结构）传播路径（地基土）受振体（人、建筑物、仪器设备）动力相互作用系统进行综合研究，以便对交通引起的环境振动影响作出分析和评估，是合理进行铁路、公路、城市轨道交通工程规划、设计的实际需要，对于承受移动荷载的交通土建工程结构物

25、的可持续发展、改善城市环境质量、降低振动水平、提高城市居民生活质量、保证建筑物安全具有十分重要的理论和实际意义。3.1 城市轨道交通环境振动、噪声评价 3.1.1 试验意义 地铁某线路开通后,需要从一居民区下穿行。为了获得地铁列车运行时振动量值和频率，故进行地铁振动测试。选取过程主要考虑线路的埋深、线形、隧道结构的型式、地质条件、线路两侧的大型管沟的情况、列车的运行速度以及轴重等因素。测点的布置应考虑离开线路的距离分布、建筑基础的影响、地面交通的贡献现状(包括大小和分布)等因素。3.1.2 试验内容 振动测试 应用软件：DASPV10 工程版功能软件 采集硬件：INV3060V+移动电池组 传

26、感器：INV9824 型加速度传感器 INV9822A 型加速度传感器 INV9828 型加速度传感器 特色：采用移动电池组供电，可避免现场有 50Hz 工频干扰、避免配备现场北京东方振动和噪声技术研究所 23 隧道内百米箱等供电设备，提高便携性。图 30 测试现场及 INV3060V 分布式采集系统 3.1.3 试验结果 图 31 地铁振动测试结果 3.2 地铁施工对附近环境影响 3.2.1 试验意义 为了研究城铁、地铁运行中产生的振动对古建筑的影响程度，受设计方委托，北京东方振动和噪声技术研究所于 2007 年 1 月 30 号至 2 月 1 号对城铁 13 号线-八家村段，回龙观段以及地

27、铁 1 号线玉泉公园段进行振动测试，经过 INV306 智能大容量数据采集信号分析处理系统的分析得到各测点的振动值和频谱值。3.2.2 试验内容 在城铁 13 号线八家村附近测试时，测点数为 8 个点。分别为距离城铁 10m，20m，30m，50m，100m，200m，300m，400m 处，每个测点测量两个方向的振动，分别为垂直向、水平纵向（与城铁垂直的水平方向）。北京东方振动和噪声技术研究所 24 图 32 测点布置图 应用软件：DASP 2006 专业版数据采集与信号处理软件 采集硬件：INV306U 型智能信号采集处理分析仪 DLF-8 四合一放大器（电荷放大、电压放大、积分功能及抗混滤波）传感器：891-2型速度传感器 特色：传统的测试方式（采集仪+放大器），测试数据依然准确、可靠。3.3.3 试验结果 图 33 地面振动时域图 北京东方振动和噪声技术研究所 25 图 34 振动频谱