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作者：记者 唐琳 来源： 发布时间：2016-9-14 15:20:50
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北京，西直门。
凡是途径这里的人，都无法忽视由三座椭圆形高楼组合而成的著名建筑群——西环广场。
随着北京城市功能、定位与整体布局的调整，应运而生的西环广场不仅为新北京、新城区增添了一道夺目的形象标志，更成为城市经济发展强有力的发动机。
但鲜为人知的是，如今俨然已经成为地标建筑的西环广场，却差一点“夭折”。
原来，西环广场地处西直门巨大交通枢纽的中心，高架轻轨桥从城铁指挥中心穿楼而过。由于原设计道床采用刚性结构连接，地铁运行时将会对写字楼和城铁指挥中心造成严重影响，因此广场项目迟迟得不到环保部门的批复。
今天的西环广场来之实在不易，这其中除了凝聚着中国振动控制工程人员的智慧与汗水，更离不开一项项足以改变中国轨道交通减振降噪历史的卓越创新技术。
而这些减振降噪技术，正逐渐应用于全国乃至世界的轨道交通建设中，它们在创造极高经济和社会效益的同时，也书写下中国减振降噪水平的新高点。
唯一方案
21世纪，城市不断扩容，交通愈发拥挤。在这一背景下，轨道交通作为最现代化和最舒适环保的出行解决方案，得到了大规模且快速的发展。
但是，无论采用哪种形式的轨道交通，即便是磁悬浮列车，都会在行驶过程中产生令人烦躁的振动和噪声。
伴随着城市规模的扩大，轨道交通线路也不断增多。我国先有城市，后有地铁，这就使得在城市规划中难以避免会出现新线紧贴建筑物，甚至是直接下穿建筑物的情况。一旦地铁经过，附近建筑就会受到强烈的振动与噪声干扰，这对沿线居民的生活与工作、精密仪器及建筑结构都会产生一定的影响。
加之传统的措施，如改线、拆迁、深挖解决起来相当复杂，每公里大约耗资数亿元，还浪费宝贵的土地，因此，为轨道交通减振降噪就成为了唯一的解决方案。
与国外不少国家从上世纪80年代就开始对城市轨道交通进行减振降噪相比，我国在这一领域起步较晚，这就导致早期修建的部分地铁在工程建设时忽略了振动和噪声问题。
而随着减振降噪问题逐渐被人们所重视，陆续修建的上海、广州、深圳地铁都在设计之初不同程度地融入了减振降噪技术，开始向着可持续的方向发展。
轨道交通一般都采用钢轮钢轨，轮轨的不平顺以及地铁运行过程中的加速、减速和刹车都会造成钢轮和钢轨直接撞击和摩擦。也就是说，城市轨道交通的振动和噪音源主要来自于轮轨。
撞击和摩擦由钢轨通过扣件和道床传递到隧道或高架结构，并由该结构传向大地，引发隧道或高架结构附近地面建筑物的振动。
针对轨道交通的振动和噪声控制问题，我国工程技术人员陆续开展过大量的工作，围绕振源与声源控制、振动传播与声传播控制，以及材料和结构控制等方面采取了一系列控制措施。
在振源与声源控制方面，改变车轮结构以更改噪声的发射性能，降低轮轨噪声是一种比较常用的方法。工程人员往往采用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮等技术达到减振降噪的目的。
例如，德国通过把制动盘放在轮辐上来减少噪声的发射，其试验结果证明对1000Hz以上的噪声有明显的抑制作用，大约可降低噪声5dB左右。
但在我国，从材料和结构控制方面下功夫的情况则更为常见。
轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成。根据振动理论，轮轨之间的振动噪声与钢轨各部件的质量、刚度以及结构阻尼联系密切。也就是说，可以通过改变结构参数来实现对轨道结构的减振降噪。
国外在改变轨道结构方面已尝试了许多措施，比如采用焊接长钢轨、减振型钢轨、减振型扣件、钢轨涂油打磨技术，以及减振型轨下基础。这些措施均已被证明具有不同程度的减振降噪效果。
其中，减振型轨下基础的发展尤为值得关注。为了适用于不同减振要求，各国都对传统的碎石道床与整体道床作了大量改进研究工作，开发了各种减振型轨下基础。
例如，在日本新干线的特殊减振地段，就采用了防振型板式轨道；在新加坡地铁中，特殊减振地段采用浮置板结构，减振效果非常显著。
而在我国，有一种对于减振型轨下基础的创新发明——钢弹簧浮置板道床。也正是得益于此项技术，才成就了西环广场今日的地标地位。
钢弹簧浮置板：轨道振动“清道夫”
通过与设计院、写字楼业主和地铁公司多方的沟通，在进行了无数次的技术交流之后，西环广场项目最终敲定为采用钢弹簧浮置板技术隔离道床振动，并运用大型钢弹簧隔振支座支承桥梁穿楼的技术方案。
在这一隔振系统中，铁轨被固定到混凝土板上，浮置板通过高弹性的螺旋钢弹簧隔振器与下部结构分离开来。弹簧隔振器形成了与浮置板的连接口，从而有效地隔离了轨道振动。
钢弹簧浮置板系统的使用范围相当广泛，有轨电车、地铁、城际铁路、高速客运专线、高架线等线路和土建结构都很适用。
在人们最为关注的减振效果方面，钢弹簧浮置板道床系统的减振效果可以用插入损失来评价，可做到特殊减振26dB，高等减振18dB。采用该系统后的居民区、学校、实验室、大剧院、音乐厅、古建筑、医院、研究所、精密仪器生产厂等一系列敏感地段，均满足了振动和噪声的控制要求。
常见的钢弹簧浮置板系统有内置式和侧置式。两种形式的浮置板在原理上并无差别，只是考虑到安装空间的不同而采用不同的形式。
内置式钢弹簧浮置板以基底面及隧道侧壁作为结构模板，隔振器在板面进行安装和更换，而不需要两侧的空间及模板。这种浮置板适应性极强，且安装方便、节省空间，是目前我国应用得最为普遍的浮置板结构形式。
当两侧空间较为充足时，侧置式钢弹簧浮置板结构就派上了用场。侧置式隔振器承载力高、布置间距较大，能有效降低成本，进一步提高减振效果。
但西环广场城铁高架桥穿越城铁指挥中心的项目却采用了另外一种更具创造性的结构形式——可预紧式钢弹簧隔振支座。
这种结构通常应用于浮置板重量较重且抗弯刚度较大的情况，预紧的隔振器在上部结构施工过程中可以作为刚性支座，隔振器在结构施工完成后再进行释放。它可以与桥梁支座组合使用，并允许结构在温度变化时自由变形。
不得不提的是，该项目也是国内外首次将高架轻轨桥梁支承在具有三维弹性的大型钢弹簧隔振器上，从而利用桥梁自身质量为参振质量构建了一个低频隔振系统，实现了很好的减振效果，保证了指挥中心免受地铁振动干扰。
从2002年10月投入使用至今，西直门13号线已经安全运行了14年，这不仅充分印证了钢弹簧浮置板技术的安全有效，更为这项技术在我国大范围推广起到了示范作用。
仅北京地铁就有4、5、6、7、8、9、10、13、14、15、16号线，大兴、房山、亦庄、昌平等项目40多公里的隔振地段采用了钢弹簧浮置板，从而避免了大量的拆迁和振动扰民，保护了北京大学物理实验楼、协和医院等沿线敏感建筑，实现了经济与社会效益的双赢。
一项工程技术，想要保持永久的生命与活力，离不开工程技术人员对其不断地完善与创新。
钢弹簧浮置板技术正是如此。初期，铺设钢弹簧浮置板的施工速度不高，平均每天只有5米左右。由于地铁工期较紧，这样的速度不仅没办法满足需求，甚至可能会拖延整体工期。
怎么办？工程人员们集思广益，从高铁施工中获得灵感，发明了“预制龙骨整体吊装”工艺，即我们常说的“钢筋笼”。
钢筋笼在隧道外绑扎，然后整体吊装、运输至隧道内，再浇注混凝土。由于将钢筋工程的作业面改至地面，这就意味着可以同时进行隧道内的基地结构施工。如此一来，铺设速度由最初的5米／天，提高到35米／天，极大地提高了整体施工进度。
即便将施工进度提高了7倍之多，精益求精的工程人员还是不满意。
钢筋笼虽然提高了铺设速度，但是在施工中却容易受到工人熟练程度的影响，进而影响到工程质量。于是，青岛隔而固的工程技术团队联合上海地铁、同济大学、中铁等多方机构，再次从高铁建设中汲取经验，成功攻关，发明了“预制短板节段拼装”即“预制板”工艺。
所谓预制板工艺，就是在工厂内预制浮置板结构，再将其吊装至隧道内进行拼装和隔振器安装。这样不仅省掉了在施工现场绑扎钢筋及浇注混凝土的步骤，最大程度的提高了施工进度，达到每天铺设70米以上，而且得益于结构预制的形式，可以更好的进行质量控制，同时实现了即装即用，在施工期间即可以起到振动控制作用，并且为既有线改造提供了可能。
从最初简单的方法，到实现设计标准化、产品模块化、施工机械化的施工工艺，这其中凝聚着中国减振企业和研究人员永不满足的执着追求和精益求精的工匠精神。
而经过不断的研发改进，钢弹簧浮置板技术也形成了各种系列的新产品及附件，产品实用性、可靠性及性价比不断提高，并形成了由多项核心发明专利和几十项外围专利组成的专利体系，产品成功应用于各种不同形式的线路结构上，解决了低高度共建、刚度过渡、跨越人防门、跨越旁通道等一系列技术难题，使我国钢弹簧浮置板技术的研发和应用水平处于世界前列。
2005年，上海地铁4号线开工。由于新线途经大量居民区和研究所，且部分路段在高架之上，为了避免对沿线居民生活与工作造成影响，减振降噪刻不容缓。
这一次，钢弹簧浮置板技术同样不负众望。
工程人员在4号线建设过程中大胆创新，开创了国内首次在盾构和高架桥上应用钢弹簧浮置板技术的先河，成功解决了沿线多处重要敏感点的振动和噪声超标问题。该线投入使用至今已经成功运行11年，凡是采用钢弹簧浮置板的地段，所有敏感点无一发生振动噪声投诉。
其中，在四川北路高架桥路段，钢弹簧浮置板通过与声屏障的配合，使列车运行噪声贡献值低于背景噪声，比普通钢桥降低噪声13dBA。这一成功应用为国内轨道交通采用高架铺设方式提供了很好的工程技术解决方案，大大降低了工程建设与运营成本。
上海地铁4号线之后，在上海地铁1号线北延伸、2号线西延伸、4、6、7、8、9、10、11、13、16号线中，钢弹簧浮置板技术得到了更加广泛的应用，铺设里程达73公里，保护目标涵盖音乐厅、交响乐剧场、学校、医院等，为上海世博会前各线路的及时开通运营和社会和谐稳定作出了贡献。
“钢弹簧浮置板在上海地铁的成功应用，使地铁因振动影响而改线的难题彻底解决，地铁运行安静而快捷，实现了真正的绿色交通、和谐交通，提升了上海市的国际形象，为和谐社会建设作出了贡献，其社会效益不可低估。”上海市申通地铁集团有限公司充分肯定了钢弹簧浮置板技术的贡献。
与此同时，钢弹簧浮置板技术和迷宫式约束阻尼技术也荣获2011年度国家科技进步二等奖。
迷宫阻尼：“啸叫”与“波磨”的克星
如果说钢弹簧浮置板技术兼顾减振和降噪的双重功效，那么工程界还有一个专门“终结”轨道交通噪声的“神器”——“迷宫式约束阻尼”。
根据国外对振动噪声的研究，当列车时速低于60公里时，主要为发动机噪音；当列车时速在60～200公里时，轮轨噪音占较大比例；而当时速超过200公里时，空气动力噪音便成了主要因素。
就我国城市地铁速度而言，目前运营线路时速都在80公里左右，新线大多也控制在100公里内，故相应噪音源主要是轮轨噪音。一般情况下，轮轨噪声主要分布在1.5~2kHz到5kHz频段，而钢轨辐射的噪声主要分布在500Hz~2kHz的频段。
当车辆通过小半径曲线段时，车轮受钢轨的制约，在钢轨顶面产生横向滑动或轮缘侧磨，轮轨间出现粘着和滑行，会产生强烈的窄带高频噪声，这时就出现了城市轨道交通噪音最为刺耳的噪声源——“曲线啸叫”。
“曲线啸叫”的原理同琴弦共振发声类似，对于这种一次噪声，传统的方式是采用声屏障来吸收和隔离噪声。
然而，声屏障却只是治标不治本，其并不能降低声源的发声强度，只能被动地吸收和隔离车辆和轨道发出的一次噪声。由于噪声的衍射作用，直立式声屏障虽对遮蔽区内的建筑有效，但对遮蔽区外的建筑，如线路附近的高层楼房则效果甚微，甚至还有可能会放大噪声，可谓得不偿失。
另一方面，由于轮轨噪声对车内乘客的影响更为严重，声屏障在一定程度上隔离了轮轨噪声向周围环境的辐射传播，使噪声无法传播出去，这反而导致地铁车辆内乘客受到的噪声增大。另外，声屏障对城市景观、消防、通风也都会产生一定的负面影响。
由于钢轨的阻尼很小，原理上，增加钢轨的阻尼是可以有效抑制钢轨振动的。那么如何增加钢轨的阻尼呢？就需要用到尹学军冥思苦想发明的迷宫式约束阻尼这个“法宝”了。
其实，约束阻尼结构并不是一个新鲜事物，其早已普遍应用于家电、轿车和航空领域的薄板结构。但是，对于振动强烈而且腹板较厚的钢轨来说，这种单层约束阻尼受到钢轨轨腰尺寸的限制，工作面积有限，提供的阻尼也有限，在轨道交通减振降噪方面的效果并不理想。
迷宫式约束阻尼则如同单层约束阻尼的“2.0”版本，它由联结板和约束板及两者之间的阻尼层组成，联结板与约束板上设有相互配合的实心或空心的凹凸结构或翅片，构成蜿蜒曲折的阻尼腔室。阻尼腔室内充满高性能的阻尼材料，连接体的表面形状同待粘贴的钢轨表面的形状一致，通过高强度、高刚性粘结胶粘贴在钢轨的非工作表面。
钢轨振动时，由于约束板的刚度较高，造成约束板与联结板的变形不一致，强迫阻尼层发生剪切变形，从而吸收消耗振动能量，有效地降低轨道所产生的振动。振动为噪声之源，振动减轻，噪声自然也大幅降低。迷宫式约束阻尼对于各种频率都有较好的减振效果，对包括“曲线啸叫”在内的高频噪声控制效果则更为明显。
原理虽好，但如何做成产品却是又一道关口。精进不休的研究人员很快就发现，由于阻尼材料流动性差，使得现场涂刷施工速度太慢；况且阻尼材料对温度、湿度比较敏感，雨雪天气均不能施工，工程质量也变得不易控制。
经过反复试验，科而泰团队终于成功开发出了与迷宫式约束阻尼结构相匹配的预制复合工艺：“迷宫式降噪阻尼板”，简称“阻尼板”。阻尼板不仅施工效率高，质量稳定，且不受气候限制，而且寿命远远大于钢轨的使用寿命。
很快，这一技术便迎来了在全球展现自己和实现规模化应用的机会。
为了土地集约化利用，上海地铁10号线吴中路车辆段规划了上盖物业开发。为保证日后上盖物业中的居民不受车辆段运行干扰，尤其是不受夜间“曲线啸叫”的影响，工程方在试车线和所有曲线段设计并采用了迷宫式约束阻尼钢轨。
随后，科而泰和同济大学声学所对这一车辆段曲线轨道约束阻尼钢轨进行了细致的实验研究。测试结果表明，阻尼钢轨有明显的减振效果，并且频率越高，减振效果越好，与噪声测试有很好的相关性。而更加让人兴奋的是，这一技术取得了世界领先的降噪效果——恼人的“曲线啸叫”在听觉上完全消失了！
其实，在“曲线啸叫”之外，还有一个轮轨噪声的制造者，这就是被称为轨道交通行业百年难题的“钢轨波磨”。
钢轨波磨的全称是钢轨异常波浪形磨耗，是为了高效减振而采用高弹性扣件带来的“副作用”。发展严重时，波磨还会导致轨道扣件失效，进而危及行车安全。据调查，我国每个有地铁的城市，其地铁钢轨都有不同程度的波磨发生，这种为了减振而难以两全的异常磨耗正时刻威胁着乘客的舒适与安全。
为了对抗波磨，工程人员可谓煞费苦心，从涂油到打磨钢轨，几乎试遍了所有原理上可行的方法，但都由于影响行车安全、增加维护成本等各种弊端而经常被迫舍弃。
直到迷宫式约束阻尼2.0版的诞生才为解决这一难题点亮了明灯。作为科而泰团队与铁三院联合完成的国家“863”计划科技成果，迷宫式约束阻尼板通过与钢轨动力吸振器强强联手，能够拓宽有效减振频带，吸收有害振动能量从而抑制共振，降低轮轨间动态作用力，进而达到延缓波磨发展的最终目的。
是否有效仍要通过实践来检验，而机会总是给有准备的人。
在重庆地铁1号线“小什字—较场口”区间的曲线段，波磨引发的轮轨振动噪声十分严重，并伴随着车内振动噪声加剧。为此，重庆地铁紧急立项并委托科而泰负责改造项目。
2015年1月，科而泰为这一区间下行线曲线半径中心段铺装了长度约270米的宽频型迷宫式约束阻尼降噪装置。
2015年7月，工程人员们怀着紧张的心情对项目进行测试。波磨测试结果显示，打磨后运行6个月之后，上行线未治理段钢轨已经形成波磨，而下行治理段钢轨未出现明显波磨！
目前，已有多家企业开始使用或计划试用该技术，其中包括巴西大铁、德国大铁和德国柏林地铁。中国的工程技术人员，通过不懈的努力与自主创新，用迷宫式约束阻尼有效控制了“曲线啸叫”和波磨的再形成，最终成功破解了困扰行业的百年难题，实现了守护城市轨道交通的长久安宁。■
《科学新闻》 (科学新闻2016年7月刊 领域优势)
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