Приложение В (справочное). Ослабление передаваемой вибрации и переизлученного шума

Приложение В
(справочное)

Ослабление передаваемой вибрации и переизлученного шума

В.1 Введение

Переизлученный шум и вибрация от рельсовых транспортных средств могут быть ослаблены разными способами;

a) в источнике. Принципиально этого достигают через изменения (в порядке возрастания эффективности):

- геометрии пути (горизонтальной и вертикальной),

- конструкции пути,

- качества рельсов и их обслуживания,

- конструкции подвижного состава и его обслуживания,

- конструкции опоры пути (земляного полотна, эстакады, туннеля).

Примечания

1 Переизлученный шум может возникать от туннельных участков рельсового пути (или некоторых сооружений на поверхности, которые существенно ослабляют первичный воздушный шум, усиливая переизлученный шум).

2 Снижение первичного шума от эстакады в настоящем стандарте не рассматривается;

b) на пути распространения (траншеями или бетонными стенками на пути распространения от источника к объекту воздействия);

c) в объекте воздействия. Для вновь возводимых сооружений этого обычно достигают виброизоляцией фундамента или пространств внутри здания (что наиболее эффективно при защите от переизлученного шума). Вибрация может также быть ослаблена, например, демпфированием или соответствующим изменением конструкции междуэтажных перекрытий. Для уже возведенных зданий применение мер снижения вибрации обычно неэффективно с практической точки зрения.

Снижение вибрации в источнике - самый эффективный способ борьбы с ней. Однако это всегда связано с основными вопросами проектирования или функционирования рельсовых коммуникаций. Применяемые меры по снижению вибрации не должны нарушать безопасность эксплуатации рельсового пути, ухудшать его рабочие характеристики, ограничивать возможность технического обслуживания и надежность в эксплуатации, принципиально ухудшать экономические показатели его использования.

Вышеуказанные ограничения на меры снижения вибрации в источнике рассмотрены в В.2. Природа и форма этих ограничений различны для разных типов рельсовых путей (например, трамвайных и предназначенных для движения скоростных поездов) и эксплуатирующих организаций. Поэтому важно, чтобы меры по ослаблению передаваемой через фунт вибрации и переизлученного шума являлись составной частью проекта рельсовых коммуникаций и чтобы этот проект имел надежное инженерное обоснование с учетом общих принципов эксплуатации рельсовых путей.

В.2 Ослабление вибрации в источнике

В.2.1 Действующие рельсовые коммуникации

Перечень средств ослабления вибрации и переизлученного шума от эксплуатируемого рельсового пути ограничен. Причиной является то, что геометрия такого пути уже определена, а использование другой, более упругой опоры для верхнего строения пути или добавление жесткости и массивности основанию (например, с помощью бетонных блоков или известковых свай, уменьшающих вибрацию на низких частотах) требует прерывания на длительный срок движения составов для проведения соответствующих строительных работ. Это существенно затрагивает интересы как пассажиров, так и организаций, связанных с эксплуатацией рельсовых коммуникаций, и может быть реализовано только в ходе выполнения общей программы по их модернизации.

Поэтому для действующих рельсовых коммуникаций меры по снижению передаваемой вибрации и переизлученного шума обычно ограничены рамками технического обслуживания. При этом особое внимание уделяют обеспечению гладкости поверхностей контакта рельсов и колес. Для этого применяют следующие основные виды обслуживания:

a) шлифование рельсов. Эту операцию выполняют для обеспечения плоскостности поверхности катания рельса на участке, размеры которого соответствуют характерным длинам волн распространения вибрации в грунте для заданных скоростей движения состава. Однако у данного метода есть ограничения, связанные с необходимостью обеспечить достаточные значения сил тяги и торможения. Надежное ослабление шума и вибрации может быть достигнуто только при регулярном выполнении операций шлифования или полирования;

b) устранение стыков в рельсах. Для этого проводят заваривание рельсовых стыков. Ограничения данного метода связаны с необходимостью обеспечить запас по температурному расширению рельсов и с проблемами для безопасности и здоровья рабочих, если сварочные работы необходимо выполнять внутри туннелей;

c) обслуживание стрелочных переводов и глухих пересечений. Периодическая регулировка стрелочных переводов и глухих пересечений позволяет уменьшить перемещение рельсов;

d) обточка и шлифование колес. Результаты этой операции аналогичны достигаемым посредством шлифования рельсов;

е) выравнивание рельсов. В случае движения высокоскоростных поездов улучшение прямолинейности рельсового пути способно уменьшить вибрацию на низких частотах.

Примечания

1 Шлифование, выполняемое для снижения степени износа рельсов и повышения комфорта пассажиров, не всегда обеспечивает плоскостность поверхности катания рельса на всех длинах волн, представляющих интерес с точки зрения распространяемой через грунт вибрации. В настоящее время накоплено недостаточно данных для сопоставления характерных размеров неровностей рельсов с распространяющейся вибрацией, поскольку, исторически, при измерениях неровностей внимание обращали, в первую очередь, на участки большей (для оценки степени износа рельсов и комфорта пассажиров) и меньшей (для оценки излучаемого первичного шума) протяженности.

2 Влияние стыков на стрелках и глухих пересечениях может быть уменьшено установкой стрелок специальной конструкции. Использование стрелочных переводов с опиранием колеса на гребень позволяет уменьшить до необходимых пределов вибрацию от городского рельсового транспорта.

В крайних обстоятельствах возможно применение временных мер, связанных со снижением скорости движения на некоторых участках пути, с одновременной разработкой и осуществлением способов долгосрочного снижения вибрации. Однако, в общем, уменьшение скорости движения нельзя рассматривать как эффективное средство снижения передаваемой вибрации. В действительности из-за нелинейного соотношения между скоростью и параметрами вибрации с уменьшением скорости вибрация может даже возрасти. Следует соотносить выгоду от снижения передаваемой вибрации с другими факторами, например претензиями пассажиров относительно увеличения времени их нахождения в пути (см. также В.2.2.4).

В.2.2 Новые рельсовые коммуникации

В.2.2.1 Геометрия пути

Эффективным способом ослабления вибрации является отнесение рельсового пути от объектов, особенно чувствительных к динамическим воздействиям.

Однако применение данного способа ограничено, поскольку, чтобы обеспечить комфорт пассажиров и допустимые темпы износа элементов пути и поезда, кривизна пути (в горизонтальном и вертикальном направлениях), градиент кривизны (в горизонтальном и вертикальном направлениях) и вертикальный градиент не должны превышать некоторых предельных значений.

Указанные ограничения варьируются в зависимости от вида рельсовых коммуникаций. Чем выше скорость движения транспортного средства, тем большие ограничения налагаются на его геометрию.

В.2.2.2 Конструкция рельсового пути

Применение бесстыковых сварных рельсов устраняет импульсную составляющую шума и вибрации, связанную с прохождением стыков, и может быть рассмотрено как средство, улучшающее общий характер шума и вибрации.

Помимо выбора типа рельсов и поддержания в надлежащем состоянии поверхности катания ослабление передаваемой через грунт вибрации достигается увеличением динамической упругости пути в вертикальном направлении или, по крайней мере, повышением массы верхнего строения пути при заданной упругости. Безотносительно к проблемам шума и вибрации, достаточная упругость пути необходима для обеспечения комфорта пассажиров и уменьшения износа элементов подвижного состава и пути. Однако слишком большая упругость также нежелательна по тем же самым причинам.

Следует отметить, что в конструкции рельсового пути нет элементов, способных в значительной мере поглощать или рассеивать энергию (за исключением балластного слоя). Влияние конструкции верхнего строения пути состоит в том, что вибрационная энергия по-разному передается на разные участки основания. Поэтому необходимо убедиться, что меры по ослаблению, например, переизлученного шума, связанные с конструкцией пути, не приведут, напротив, к его усилению или другим нежелательным эффектам, связанным с повышением вибрации или проблемами надежности, эксплуатационной готовности, ремонтопригодности и удобства обслуживания.

Это относится, в частности, к вибрации верхнего строения пути, которая обычно является существенной проблемой (если только рельсовый путь не проложен в глубокой выемке или не имеются в наличии шумовые заслоны). Использование упругих прокладок для рельсов с малой долей вероятности приведет к значительному снижению вибрации прилегающего грунта, если только это не сопровождается дополнительными мерами по увеличению жесткости земляного полотна (например, применением фундаментных плит, известковых свай или специальных методов его обработки).

Типичные конструкции рельсового пути могут быть охарактеризованы по их способности к ослаблению передаваемой через грунт вибрации и переизлученного шума, как показано на рисунке В.1. На этом рисунке приведены также схемы конструкций пути с указанием упругих элементов. При анализе мер ослабления передаваемой в грунт вибрации следует рассмотреть также возможность применения балластного слоя, связанного клеем или цементом, с одновременным применением упругих прокладок под рельсы. Такое решение более экономично, чем применение фундаментных плит или специальных методов обработки земляного полотна.

Необходимо учитывать то, что для каждой конструкции рельсового пути диапазон распространяемой вибрации и переизлученного шума может быть весьма широк. Например, при неправильно установленных или спроектированных плавающих плитах передаваемая вибрация может быть так же высока, как и для обычного пути с жестким креплением рельсов. Обратное, однако, несправедливо: для обычного пути нельзя добиться столь же высоких характеристик ослабления вибрации, как для правильно спроектированной системы с плавающими плитами. Поэтому пути разных типов могут быть упорядочены по возможности снижения передаваемой вибрации, как это показано на рисунке В.1. Но вся выгода от применения пути сложного типа может быть сведена на нет или существенно уменьшена при несоответствующем конструктивном исполнении.

Рисунок В.1 - Типовые конструкции рельсового пути

Комбинация технических решений, используемых для ослабления передаваемой вибрации (переизлученного шума) в разных типовых конструкциях пути, не позволяет, как правило, увеличить это ослабление. Например, если упругое основание позволяет понизить уровень передаваемой вибрации (переизлученного шума) на 10 дБ, а плавающая плита - на 20 дБ, то применение упругого основания поверх плавающей плиты не даст выигрыша в 30 дБ. В действительности, сочетание этих двух решений может дать значение ослабления даже меньшее, чем при применении одной только плавающей плиты.

Есть, однако, ситуации, когда типовые конструкции комбинируют для достижения других целей. Например, при том что рассмотренное выше совместное применение упругого основания и плавающей плиты может негативно сказаться на передаваемой вибрации (переизлученном шуме), это решение позволяет снизить вибрацию самой плавающей плиты и шума, излучаемого ею в воздух. Данное обстоятельство может быть важным в случаях, когда снижение излучаемого в воздух шума так же принципиально, как и уменьшение вибрации, передаваемой через грунт.

Хотя совершенствование конструкции рельсового пути является эффективным способом снижения передаваемой вибрации (переизлученного шума), это не является его основной целью. В первую очередь путь проектируют таким образом, чтобы решить вопросы безопасности, удобства пользования и экономической эффективности эксплуатации. Поэтому конструкцию пути рассматривают с позиции надежности, эксплуатационной готовности, ремонтопригодности и удобства обслуживания, а также экономической эффективности и пригодности для рельсового транспорта разных видов. В ряде случаев приоритетность вышеперечисленных задач негативным образом сказывается на возможности конструктивных решений по ослаблению передаваемой вибрации (переизлученного шума).

Факторами, требующими первоочередного рассмотрения при выборе конструкции пути, являются:

a) безопасность, учитывающая, в том числе:

- механические напряжения в рельсе,

- действующие силы в болтовых соединениях и противоугонах,

- статические и динамические прогибы рельса,

- пространственную скорость изменения статических и динамических прогибов по длине рельса,

- усталостные напряжения в элементах пути;

b) капитальные издержки, учитывающие, в том числе:

- сложность конструкции пути,

- дополнительные элементы специального назначения,

- время строительства и привлекаемые людские ресурсы;

c) издержки за время эксплуатации (включая техническое обслуживание), учитывающие, в том числе:

- срок службы элементов пути,

- легкость доступа к элементам с малым сроком службы для их замены;

d) удобство пассажиров, учитывающее, в том числе:

- статические и динамические прогибы рельсов,

- влияние динамики рельсового пути на ходовые качества транспортного средства и его вибрацию;

e) надежность;

f) время коммерческой эксплуатации (общее время эксплуатации за вычетом периодов технического обслуживания);

g) характеристики качества рельсов (их неровность, скорость роста выбоин).

Характеристики надежности, эксплуатационной готовности, ремонтопригодности и удобства обслуживания, определяемые проектирующей и эксплуатирующей организациями с учетом вышеперечисленных факторов, будут разными для разных путей. Характеристики безопасности и ходовых качеств должны быть предварительно проверены в процессе испытаний, прежде чем рельсовые коммуникации будут введены в эксплуатацию.

Требования, необходимые для обеспечения заданных характеристик надежности, эксплуатационной готовности, ремонтопригодности и удобства обслуживания, могут вступать в противоречие с решениями, обеспечивающими ослабление передаваемой через грунт вибрации и переизлученного шума. Поэтому необходимо, чтобы эти решения являлись составной частью комплексного проектирования новых рельсовых коммуникаций.

В.2.2.3 Конструкция транспортного средства

В отличие от воздушного шума всего несколько характеристик конструкции рельсового пути влияют на передаваемую вибрацию и переизлученный шум. Такими характеристиками являются:

a) жесткости первой и второй ступеней рессорного подвешивания (чем она меньше, тем лучше даже в отсутствие демпфирования);

b) неподрессоренная масса (оптимальное значение этой характеристики зависит от конструкции рельсового пути);

c) общая масса транспортного средства (чем меньше, тем лучше);

d) неровность поверхности катания колеса (по возможности должна быть уменьшена);

е) упругие элементы колес [применение колес с упругими элементами обычно улучшает виброизолирующие свойства системы упругой опоры рельсов (например, полноповерхностной опоры), но может ухудшить виброизолирующие свойства системы с плавающими плитами].

Все вышеуказанные характеристики (наряду с рассмотренными характеристиками конструкции пути) играют важную роль при оценке надежности, эксплуатационной готовности, ремонтопригодности и удобства обслуживания рельсовых коммуникаций, а также издержек их эксплуатации. Поэтому меры ослабления вибрации, которые следует рассматривать как составную часть в общем проектировании транспортного средства, часто будут результатом компромиссного решения с учетом эксплуатационных требований к рельсовым коммуникациям. Наибольший эффект (с точки зрения передаваемой вибрации и переизлученного шума) может дать совместное проектирование рельсового пути и транспортного средства.

В.2.2.4 Скорость движения транспортного средства

Скорость движения транспортного средства - одна из важнейших характеристик с точки зрения выгоды эксплуатации рельсовых коммуникаций. Кроме того, изменение скорости движения обычно не является эффективным способом снижения вибрации. Поэтому регулирование скорости движения транспортного средства нельзя рассматривать в качестве типичного средства ослабления передаваемой вибрации и переизлученного шума.

В.3 Ослабление вибрации на пути ее распространения

Траншеи, вырытые на пути распространения вибрации от источника до объекта воздействия, обычно не решают проблему. Причиной этому служит большая длина волны распространения вибрации. Как следствие, эта волна дифрагирует на дне и стенках траншеи без существенной потери энергии в анализируемом диапазоне частот. Чтобы реально ослабить передаваемую вибрацию, траншея должна быть достаточно глубокой и соответствующих размеров по периметру, что не всегда возможно реализовать на практике.

Бетонные стенки и другие барьеры на пути распространения вибрации могут достигать большей глубины, чем траншеи, и перекрывать прямую видимость объекта воздействия из источника (также при условии соблюдения соответствующих требований к периметру барьера). Это позволяет в некоторой степени достигнуть ослабления вибрации, но только в области непосредственно за барьером, поскольку - как и в случае траншеи - длинноволновая вибрация дифрагирует на краях барьера.

В.4 Ослабление вибрации в объекте воздействия

Для ослабления вибрации в объекте воздействия можно принять следующие меры:

a) выполнить перепланировку (например, расположить строения подальше от источника вибрации, изменить положение автомобильных парковок и скверов в прилегающей зоне);

b) изменить землеотведение (например, перевести земли в коммерческое использование, где эффект воздействия вибрации будет менее заметен);

c) принять меры по отстройке резонансов перекрытий от доминирующих пиков в спектре вибрации;

d) использовать твердые несущие плиты на грунтовом основании вместо подвесных плит перекрытий (например, бунгало вместо двухэтажного жилого дома);

e) если полностью отстроиться от резонансов невозможно, перенести их в область частот, где они в меньшей степени воспринимаются человеком (обычно это область более высоких частот);

f) использовать перекрытия с низкими значениями собственных частот (однако для таких перекрытий более высок риск возбуждения вибрации из-за передвижения людей - см. ИСО 10137 [9]);

g) установить изоляторы между полом и бетонным основанием пола (плавающие перекрытия);

h) изолировать чувствительные области внутри помещений;

i) изолировать отдельные экземпляры оборудования, чувствительного к воздействию вибрации;

j) изменить динамическое поведение строительной конструкции (ввести динамическое поглощение вибрации там, где от нее невозможно отстроиться);

k) использовать формы конструкции с наилучшим демпфированием (например, бетонные конструкции вместо стальных);

I) увеличить демпфирование благодаря использованию связанных слоев;

m) закладывать фундамент здания в слоях грунта с меньшим уровнем вибрации, обеспечив его развязку от приповерхностного слоя (применяют в случае рельсовых путей, уложенных на уровне земли);

n) устанавливать чувствительное оборудование на фундаменте, уложенном глубоко в грунте и развязанном относительно конструкции здания и приповерхностного слоя (применяют в случае рельсовых путей, уложенных на уровне земли);

о) устанавливать чувствительное оборудование с опорой на грунт, а не подвесные перекрытия, чтобы избежать усиления вибрации на резонансных частотах перекрытий (хотя данные перекрытия, имея низкие частоты собственных колебаний, на высоких частотах выступают как пассивные изоляторы);

р) изолировать основание здания (особенно эффективно для ослабления переизлученного шума);

q) применять традиционные строительные материалы в конструкции таким образом, чтобы отклик конструкции был аналогичен отклику с использованием изоляции основания;

r) удлинять путь распространения вибрации с целью повысить демпфирование (например, подвешивая перекрытия к верхней точке колонн рамной конструкции вместо опирания на уровне расположения перекрытия);

s) использовать конструкции нерегулярной формы с разрывами;

t) утяжелить конструкцию сооружения;

u) повысить уровень фонового шума для маскировки переизлученного шума (при должном внимании к спектральному составу шумов и без ухудшения возможностей речевого общения);

v) использовать системы активного гашения вибрации с электромеханическими или гидравлическими исполнительными устройствами (на практике такое решение весьма дорого и может быть использовано только в особых случаях).