基于全尺寸模型落锤试验的无砟轨道功率流评估

《KSCE Journal of Civil Engineering》：Evaluation of power flow of ballastlass track by drop–weight test on full–scale model

　　

摘要专业翻译 为评估无砟轨道结构的功率流，研究人员在全尺寸无砟轨道模型上开展了落锤冲击试验。基于简化力学模型，建立了功率流的理论公式。在全尺寸模型上布置了加速度传感器和钢轨冲击点，并验证了加速度互谱密度（acceleration cross-spectral density）在量化轨道功率流方面的有效性。研究人员开展了一系列参数化试验，以量化测点位置、冲击距离和锤头材料对轨道振动能量的影响。结果表明：激励点与测点之间的最小距离需达到1.8 m，以减轻近场干扰；在扣件支点处施加激励能够为常规无砟轨道提供更优的能量输入；对于频率依赖性测试，在440–1000 Hz频段内建议采用铅锤进行钢轨功率流测量，而在440 Hz以下频段，橡胶锤更适用于轨道板和支承层的测量。最后，该测试方法仅适用于常规无砟轨道；阻尼无砟轨道中的非线性效应会改变能量分布，使该方法不再适用。

论文解读

一、研究背景与问题提出

高速铁路因其高耐久性、稳定性和安全性在全球范围内得到广泛部署。截至2025年底，中国已建成运营超过50,000公里的高速铁路线路，运营速度正从350 km/h逐步提升至400 km/h。中国高速铁路网络的一个显著特征是广泛采用无砟轨道结构。与传统有砟轨道相比，无砟轨道具有更优的耐久性和几何精度，长期维护成本更低。然而，无砟轨道相对较高的刚度可能放大振动传递，引发对环境影响和结构完整性的担忧。

在传统的轨道动力学研究中，通常采用车辆–轨道耦合模型，以位移和加速度作为评价指标。尽管这些指标对于评估特定动力学行为（如列车通过时的时域加速度或三分之一倍频程频域加速度水平）是有用的，但它们往往无法整体表征层状结构系统内振动能量的分布特征。大量数值研究仅关注无砟轨道的时域动力学特性，很少涉及振动与声学特性以及无砟轨道的不利影响。

功率流理论起源于机械、船舶和航空航天工程领域，用于分析振动传递路径、预测振动行为和设计隔振系统。近年来，基于功率流的方法逐渐应用于铁路工程，特别是在高速铁路和城市轨道交通领域，以解决源自轨道结构的振动与噪声问题。然而，大多数现有研究仍停留在理论层面，实验验证十分有限，尤其是针对无砟轨道的研究。因此，亟需发展实验方法。

功率流测量技术分为直接法和间接法。直接法需要在随机激励下同时测量某点的力和速度，但精确测量力较为困难，常导致显著误差。间接法通过加速度测量和互谱密度计算推导功率流，是一种更为可行的替代方案。尽管已有多种传感器布置方案被提出以提高精度，但当前功率流测试方法仅应用于简单板和梁结构。无砟轨道结构系统是一个层状结构，钢轨可简化为梁模型，轨道板可简化为板模型，然而目前仍缺乏对整个无砟轨道结构振动功率流的测量。因此，有必要在全尺寸模型上进行试验，以获得振动能量传递和分布的准确特征，从而有效控制轨道振动与噪声。

二、研究内容与结论

研究人员在无砟轨道全尺寸模型上开展了系统的落锤试验，以实验研究无砟轨道的功率流特性。首先建立了功率流理论并推导了无砟轨道的计算公式；随后进行了全尺寸模型落锤试验，评估了传感器位置、距冲击点距离和锤头材料等关键参数对实测振动能量的影响；最后给出了振动能量传递和分布的特征。

研究得出以下主要结论：激励点与测点之间的最小距离需达到1.8 m以减轻近场干扰；在扣件支点处施加激励能够为常规无砟轨道提供更优的能量输入；对于频率依赖性测试，在440–1000 Hz频段内建议采用铅锤进行钢轨功率流测量，而在440 Hz以下频段，橡胶锤更适用于轨道板和支承层的测量。该测试方法仅适用于常规无砟轨道，阻尼无砟轨道中的非线性效应会改变能量分布，使该方法不再适用。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：

功率流理论建模：基于加速度互谱密度建立功率流表征方法。在无砟轨道经典动力学模型中，钢轨被建模为梁，轨道板和支承层被建模为板，采用相邻两个测点加速度信号的互谱密度来表征无砟轨道层状结构的功率流。

全尺寸模型落锤试验：在无砟轨道全尺寸模型上布置加速度传感器和钢轨冲击点，通过落锤冲击施加激励，采集加速度信号并计算互谱密度以量化轨道功率流。

参数化试验设计：系统变化测点位置、冲击距离（激励点与测点间距）和锤头材料（铅锤、橡胶锤等），量化这些参数对轨道振动能量测量的影响。

四、研究结果

功率流理论推导：研究人员基于板的弯曲波动方程，推导了弯曲波强度表达式，建立了无砟轨道功率流的理论公式。该方法基于加速度互谱密度，属于远场功率流测量方法，因此要求测点与冲击位置之间的距离足够大以避免显著的近场误差。

加速度互谱密度的有效性验证：通过全尺寸模型试验，研究人员验证了加速度互谱密度在量化轨道功率流方面的有效性，为无砟轨道振动能量测量提供了可行的间接测量途径。

测点位置的影响：参数化试验结果表明，测点位置对功率流测量结果有显著影响。激励点与测点之间的最小距离需达到1.8 m，以减轻近场干扰对测量精度的影响。

冲击距离的影响：研究发现冲击距离是影响测量结果的关键参数之一。适当的冲击距离能够确保测量处于远场区域，从而获得准确的功率流数据。

锤头材料的影响：锤头材料对功率流测量结果具有频率依赖性影响。在440–1000 Hz频段内，铅锤适用于钢轨功率流测量；在440 Hz以下频段，橡胶锤更适用于轨道板和支承层的测量。不同锤头材料提供了不同的激励频率特性，适用于不同结构层和频段的测量需求。

激励位置的影响：研究发现，在扣件支点处施加激励能够为常规无砟轨道提供更优的能量输入，这对于试验方案设计和激励位置选择具有重要指导意义。

五、讨论与结论

讨论部分总结：该研究提出的测试方法存在一定的适用范围限制。该方法仅适用于常规无砟轨道结构；对于阻尼无砟轨道，非线性效应会改变能量分布，使该测量方法不再适用。这一局限性表明，对于具有非线性特征的特殊轨道结构，需要发展更复杂的功率流测量方法。

研究结论：研究人员通过全尺寸模型落锤试验，系统评估了无砟轨道结构的功率流特性。建立了基于加速度互谱密度的功率流理论公式，并通过试验验证了其有效性。研究确定了测点与激励点之间的最小安全距离为1.8 m，确认扣件支点处激励能够提供更优的能量输入，并给出了不同频段下锤头材料的选用建议：440–1000 Hz频段采用铅锤测量钢轨功率流，440 Hz以下频段采用橡胶锤测量轨道板和支承层。该研究填补了无砟轨道功率流实验测量的空白，为轨道振动能量传递与分布特征的表征提供了实验方法和数据支撑，对轨道振动与噪声的有效控制具有重要的工程指导意义。