北京，西直門。
凡是途徑這里的人，都無法忽視由三座橢圓形高樓組合而成的著名建筑群——西環(huán)廣場。
隨著北京城市功能、定位與整體布局的調(diào)整，應(yīng)運(yùn)而生的西環(huán)廣場不僅為新北京、新城區(qū)增添了一道奪目的形象標(biāo)志，更成為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)有力的發(fā)動機(jī)。
但鮮為人知的是，如今儼然已經(jīng)成為地標(biāo)建筑的西環(huán)廣場，卻差一點(diǎn)“夭折”。
原來，西環(huán)廣場地處西直門巨大交通樞紐的中心，高架輕軌橋從城鐵指揮中心穿樓而過。由于原設(shè)計道床采用剛性結(jié)構(gòu)連接，地鐵運(yùn)行時將會對寫字樓和城鐵指揮中心造成嚴(yán)重影響，因此廣場項(xiàng)目遲遲得不到環(huán)保部門的批復(fù)。
今天的西環(huán)廣場來之實(shí)在不易，這其中除了凝聚著中國振動控制工程人員的智慧與汗水，更離不開一項(xiàng)項(xiàng)足以改變中國軌道交通減振降噪歷史的卓越創(chuàng)新技術(shù)。
而這些減振降噪技術(shù)，正逐漸應(yīng)用于全國乃至世界的軌道交通建設(shè)中，它們在創(chuàng)造極高經(jīng)濟(jì)和社會效益的同時，也書寫下中國減振降噪水平的新高點(diǎn)。
唯一方案
21世紀(jì)，城市不斷擴(kuò)容，交通愈發(fā)擁擠。在這一背景下，軌道交通作為最現(xiàn)代化和最舒適環(huán)保的出行解決方案，得到了大規(guī)模且快速的發(fā)展。
但是，無論采用哪種形式的軌道交通，即便是磁懸浮列車，都會在行駛過程中產(chǎn)生令人煩躁的振動和噪聲。
伴隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，軌道交通線路也不斷增多。我國先有城市，后有地鐵，這就使得在城市規(guī)劃中難以避免會出現(xiàn)新線緊貼建筑物，甚至是直接下穿建筑物的情況。一旦地鐵經(jīng)過，附近建筑就會受到強(qiáng)烈的振動與噪聲干擾，這對沿線居民的生活與工作、精密儀器及建筑結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生一定的影響。
加之傳統(tǒng)的措施，如改線、拆遷、深挖解決起來相當(dāng)復(fù)雜，每公里大約耗資數(shù)億元，還浪費(fèi)寶貴的土地，因此，為軌道交通減振降噪就成為了唯一的解決方案。
與國外不少國家從上世紀(jì)80年代就開始對城市軌道交通進(jìn)行減振降噪相比，我國在這一領(lǐng)域起步較晚，這就導(dǎo)致早期修建的部分地鐵在工程建設(shè)時忽略了振動和噪聲問題。
而隨著減振降噪問題逐漸被人們所重視，陸續(xù)修建的上海、廣州、深圳地鐵都在設(shè)計之初不同程度地融入了減振降噪技術(shù)，開始向著可持續(xù)的方向發(fā)展。
軌道交通一般都采用鋼輪鋼軌，輪軌的不平順以及地鐵運(yùn)行過程中的加速、減速和剎車都會造成鋼輪和鋼軌直接撞擊和摩擦。也就是說，城市軌道交通的振動和噪音源主要來自于輪軌。
撞擊和摩擦由鋼軌通過扣件和道床傳遞到隧道或高架結(jié)構(gòu)，并由該結(jié)構(gòu)傳向大地，引發(fā)隧道或高架結(jié)構(gòu)附近地面建筑物的振動。
針對軌道交通的振動和噪聲控制問題，我國工程技術(shù)人員陸續(xù)開展過大量的工作，圍繞振源與聲源控制、振動傳播與聲傳播控制，以及材料和結(jié)構(gòu)控制等方面采取了一系列控制措施。
在振源與聲源控制方面，改變車輪結(jié)構(gòu)以更改噪聲的發(fā)射性能，降低輪軌噪聲是一種比較常用的方法。工程人員往往采用彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪等技術(shù)達(dá)到減振降噪的目的。
例如，德國通過把制動盤放在輪輻上來減少噪聲的發(fā)射，其試驗(yàn)結(jié)果證明對1000Hz以上的噪聲有明顯的抑制作用，大約可降低噪聲5dB左右。
但在我國，從材料和結(jié)構(gòu)控制方面下功夫的情況則更為常見。
軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)組成。根據(jù)振動理論，輪軌之間的振動噪聲與鋼軌各部件的質(zhì)量、剛度以及結(jié)構(gòu)阻尼聯(lián)系密切。也就是說，可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪。
國外在改變軌道結(jié)構(gòu)方面已嘗試了許多措施，比如采用焊接長鋼軌、減振型鋼軌、減振型扣件、鋼軌涂油打磨技術(shù)，以及減振型軌下基礎(chǔ)。這些措施均已被證明具有不同程度的減振降噪效果。
其中，減振型軌下基礎(chǔ)的發(fā)展尤為值得關(guān)注。為了適用于不同減振要求，各國都對傳統(tǒng)的碎石道床與整體道床作了大量改進(jìn)研究工作，開發(fā)了各種減振型軌下基礎(chǔ)。
例如，在日本新干線的特殊減振地段，就采用了防振型板式軌道；在新加坡地鐵中，特殊減振地段采用浮置板結(jié)構(gòu)，減振效果非常顯著。
而在我國，有一種對于減振型軌下基礎(chǔ)的創(chuàng)新發(fā)明——鋼彈簧浮置板道床。也正是得益于此項(xiàng)技術(shù)，才成就了西環(huán)廣場今日的地標(biāo)地位。
鋼彈簧浮置板：軌道振動“清道夫”
通過與設(shè)計院、寫字樓業(yè)主和地鐵公司多方的溝通，在進(jìn)行了無數(shù)次的技術(shù)交流之后，西環(huán)廣場項(xiàng)目最終敲定為采用鋼彈簧浮置板技術(shù)隔離道床振動，并運(yùn)用大型鋼彈簧隔振支座支承橋梁穿樓的技術(shù)方案。
在這一隔振系統(tǒng)中，鐵軌被固定到混凝土板上，浮置板通過高彈性的螺旋鋼彈簧隔振器與下部結(jié)構(gòu)分離開來。彈簧隔振器形成了與浮置板的連接口，從而有效地隔離了軌道振動。
鋼彈簧浮置板系統(tǒng)的使用范圍相當(dāng)廣泛，有軌電車、地鐵、城際鐵路、高速客運(yùn)專線、高架線等線路和土建結(jié)構(gòu)都很適用。
在人們最為關(guān)注的減振效果方面，鋼彈簧浮置板道床系統(tǒng)的減振效果可以用插入損失來評價，可做到特殊減振26dB，高等減振18dB。采用該系統(tǒng)后的居民區(qū)、學(xué)校、實(shí)驗(yàn)室、大劇院、音樂廳、古建筑、醫(yī)院、研究所、精密儀器生產(chǎn)廠等一系列敏感地段，均滿足了振動和噪聲的控制要求。
常見的鋼彈簧浮置板系統(tǒng)有內(nèi)置式和側(cè)置式。兩種形式的浮置板在原理上并無差別，只是考慮到安裝空間的不同而采用不同的形式。
內(nèi)置式鋼彈簧浮置板以基底面及隧道側(cè)壁作為結(jié)構(gòu)模板，隔振器在板面進(jìn)行安裝和更換，而不需要兩側(cè)的空間及模板。這種浮置板適應(yīng)性極強(qiáng)，且安裝方便、節(jié)省空間，是目前我國應(yīng)用得最為普遍的浮置板結(jié)構(gòu)形式。
當(dāng)兩側(cè)空間較為充足時，側(cè)置式鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)就派上了用場。側(cè)置式隔振器承載力高、布置間距較大，能有效降低成本，進(jìn)一步提高減振效果。
但西環(huán)廣場城鐵高架橋穿越城鐵指揮中心的項(xiàng)目卻采用了另外一種更具創(chuàng)造性的結(jié)構(gòu)形式——可預(yù)緊式鋼彈簧隔振支座。
這種結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用于浮置板重量較重且抗彎剛度較大的情況，預(yù)緊的隔振器在上部結(jié)構(gòu)施工過程中可以作為剛性支座，隔振器在結(jié)構(gòu)施工完成后再進(jìn)行釋放。它可以與橋梁支座組合使用，并允許結(jié)構(gòu)在溫度變化時自由變形。
不得不提的是，該項(xiàng)目也是國內(nèi)外首次將高架輕軌橋梁支承在具有三維彈性的大型鋼彈簧隔振器上，從而利用橋梁自身質(zhì)量為參振質(zhì)量構(gòu)建了一個低頻隔振系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了很好的減振效果，保證了指揮中心免受地鐵振動干擾。
從2002年10月投入使用至今，西直門13號線已經(jīng)安全運(yùn)行了14年，這不僅充分印證了鋼彈簧浮置板技術(shù)的安全有效，更為這項(xiàng)技術(shù)在我國大范圍推廣起到了示范作用。
僅北京地鐵就有4、5、6、7、8、9、10、13、14、15、16號線，大興、房山、亦莊、昌平等項(xiàng)目40多公里的隔振地段采用了鋼彈簧浮置板，從而避免了大量的拆遷和振動擾民，保護(hù)了北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)樓、協(xié)和醫(yī)院等沿線敏感建筑，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)與社會效益的雙贏。
一項(xiàng)工程技術(shù)，想要保持永久的生命與活力，離不開工程技術(shù)人員對其不斷地完善與創(chuàng)新。
鋼彈簧浮置板技術(shù)正是如此。初期，鋪設(shè)鋼彈簧浮置板的施工速度不高，平均每天只有5米左右。由于地鐵工期較緊，這樣的速度不僅沒辦法滿足需求，甚至可能會拖延整體工期。
怎么辦？工程人員們集思廣益，從高鐵施工中獲得靈感，發(fā)明了“預(yù)制龍骨整體吊裝”工藝，即我們常說的“鋼筋籠”。
鋼筋籠在隧道外綁扎，然后整體吊裝、運(yùn)輸至隧道內(nèi)，再澆注混凝土。由于將鋼筋工程的作業(yè)面改至地面，這就意味著可以同時進(jìn)行隧道內(nèi)的基地結(jié)構(gòu)施工。如此一來，鋪設(shè)速度由最初的5米／天，提高到35米／天，極大地提高了整體施工進(jìn)度。
即便將施工進(jìn)度提高了7倍之多，精益求精的工程人員還是不滿意。
鋼筋籠雖然提高了鋪設(shè)速度，但是在施工中卻容易受到工人熟練程度的影響，進(jìn)而影響到工程質(zhì)量。于是，青島隔而固的工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海地鐵、同濟(jì)大學(xué)、中鐵等多方機(jī)構(gòu)，再次從高鐵建設(shè)中汲取經(jīng)驗(yàn)，成功攻關(guān)，發(fā)明了“預(yù)制短板節(jié)段拼裝”即“預(yù)制板”工藝。
所謂預(yù)制板工藝，就是在工廠內(nèi)預(yù)制浮置板結(jié)構(gòu)，再將其吊裝至隧道內(nèi)進(jìn)行拼裝和隔振器安裝。這樣不僅省掉了在施工現(xiàn)場綁扎鋼筋及澆注混凝土的步驟，最大程度的提高了施工進(jìn)度，達(dá)到每天鋪設(shè)70米以上，而且得益于結(jié)構(gòu)預(yù)制的形式，可以更好的進(jìn)行質(zhì)量控制，同時實(shí)現(xiàn)了即裝即用，在施工期間即可以起到振動控制作用，并且為既有線改造提供了可能。
從最初簡單的方法，到實(shí)現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品模塊化、施工機(jī)械化的施工工藝，這其中凝聚著中國減振企業(yè)和研究人員永不滿足的執(zhí)著追求和精益求精的工匠精神。
而經(jīng)過不斷的研發(fā)改進(jìn)，鋼彈簧浮置板技術(shù)也形成了各種系列的新產(chǎn)品及附件，產(chǎn)品實(shí)用性、可靠性及性價比不斷提高，并形成了由多項(xiàng)核心發(fā)明專利和幾十項(xiàng)外圍專利組成的專利體系，產(chǎn)品成功應(yīng)用于各種不同形式的線路結(jié)構(gòu)上，解決了低高度共建、剛度過渡、跨越人防門、跨越旁通道等一系列技術(shù)難題，使我國鋼彈簧浮置板技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用水平處于世界前列。
2005年，上海地鐵4號線開工。由于新線途經(jīng)大量居民區(qū)和研究所，且部分路段在高架之上，為了避免對沿線居民生活與工作造成影響，減振降噪刻不容緩。
這一次，鋼彈簧浮置板技術(shù)同樣不負(fù)眾望。
工程人員在4號線建設(shè)過程中大膽創(chuàng)新，開創(chuàng)了國內(nèi)首次在盾構(gòu)和高架橋上應(yīng)用鋼彈簧浮置板技術(shù)的先河，成功解決了沿線多處重要敏感點(diǎn)的振動和噪聲超標(biāo)問題。該線投入使用至今已經(jīng)成功運(yùn)行11年，凡是采用鋼彈簧浮置板的地段，所有敏感點(diǎn)無一發(fā)生振動噪聲投訴。
其中，在四川北路高架橋路段，鋼彈簧浮置板通過與聲屏障的配合，使列車運(yùn)行噪聲貢獻(xiàn)值低于背景噪聲，比普通鋼橋降低噪聲13dBA。這一成功應(yīng)用為國內(nèi)軌道交通采用高架鋪設(shè)方式提供了很好的工程技術(shù)解決方案，大大降低了工程建設(shè)與運(yùn)營成本。
上海地鐵4號線之后，在上海地鐵1號線北延伸、2號線西延伸、4、6、7、8、9、10、11、13、16號線中，鋼彈簧浮置板技術(shù)得到了更加廣泛的應(yīng)用，鋪設(shè)里程達(dá)73公里，保護(hù)目標(biāo)涵蓋音樂廳、交響樂劇場、學(xué)校、醫(yī)院等，為上海世博會前各線路的及時開通運(yùn)營和社會和諧穩(wěn)定作出了貢獻(xiàn)。
“鋼彈簧浮置板在上海地鐵的成功應(yīng)用，使地鐵因振動影響而改線的難題徹底解決，地鐵運(yùn)行安靜而快捷，實(shí)現(xiàn)了真正的綠色交通、和諧交通，提升了上海市的國際形象，為和諧社會建設(shè)作出了貢獻(xiàn)，其社會效益不可低估。”上海市申通地鐵集團(tuán)有限公司充分肯定了鋼彈簧浮置板技術(shù)的貢獻(xiàn)。
與此同時，鋼彈簧浮置板技術(shù)和迷宮式約束阻尼技術(shù)也榮獲2011年度國家科技進(jìn)步二等獎。
迷宮阻尼：“嘯叫”與“波磨”的克星
如果說鋼彈簧浮置板技術(shù)兼顧減振和降噪的雙重功效，那么工程界還有一個專門“終結(jié)”軌道交通噪聲的“神器”——“迷宮式約束阻尼”。
根據(jù)國外對振動噪聲的研究，當(dāng)列車時速低于60公里時，主要為發(fā)動機(jī)噪音；當(dāng)列車時速在60～200公里時，輪軌噪音占較大比例；而當(dāng)時速超過200公里時，空氣動力噪音便成了主要因素。
就我國城市地鐵速度而言，目前運(yùn)營線路時速都在80公里左右，新線大多也控制在100公里內(nèi)，故相應(yīng)噪音源主要是輪軌噪音。一般情況下，輪軌噪聲主要分布在1.5~2kHz到5kHz頻段，而鋼軌輻射的噪聲主要分布在500Hz~2kHz的頻段。
當(dāng)車輛通過小半徑曲線段時，車輪受鋼軌的制約，在鋼軌頂面產(chǎn)生橫向滑動或輪緣側(cè)磨，輪軌間出現(xiàn)粘著和滑行，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的窄帶高頻噪聲，這時就出現(xiàn)了城市軌道交通噪音最為刺耳的噪聲源——“曲線嘯叫”。
“曲線嘯叫”的原理同琴弦共振發(fā)聲類似，對于這種一次噪聲，傳統(tǒng)的方式是采用聲屏障來吸收和隔離噪聲。
然而，聲屏障卻只是治標(biāo)不治本，其并不能降低聲源的發(fā)聲強(qiáng)度，只能被動地吸收和隔離車輛和軌道發(fā)出的一次噪聲。由于噪聲的衍射作用，直立式聲屏障雖對遮蔽區(qū)內(nèi)的建筑有效，但對遮蔽區(qū)外的建筑，如線路附近的高層樓房則效果甚微，甚至還有可能會放大噪聲，可謂得不償失。
另一方面，由于輪軌噪聲對車內(nèi)乘客的影響更為嚴(yán)重，聲屏障在一定程度上隔離了輪軌噪聲向周圍環(huán)境的輻射傳播，使噪聲無法傳播出去，這反而導(dǎo)致地鐵車輛內(nèi)乘客受到的噪聲增大。另外，聲屏障對城市景觀、消防、通風(fēng)也都會產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。
由于鋼軌的阻尼很小，原理上，增加鋼軌的阻尼是可以有效抑制鋼軌振動的。那么如何增加鋼軌的阻尼呢？就需要用到尹學(xué)軍冥思苦想發(fā)明的迷宮式約束阻尼這個“法寶”了。
其實(shí)，約束阻尼結(jié)構(gòu)并不是一個新鮮事物，其早已普遍應(yīng)用于家電、轎車和航空領(lǐng)域的薄板結(jié)構(gòu)。但是，對于振動強(qiáng)烈而且腹板較厚的鋼軌來說，這種單層約束阻尼受到鋼軌軌腰尺寸的限制，工作面積有限，提供的阻尼也有限，在軌道交通減振降噪方面的效果并不理想。
迷宮式約束阻尼則如同單層約束阻尼的“2.0”版本，它由聯(lián)結(jié)板和約束板及兩者之間的阻尼層組成，聯(lián)結(jié)板與約束板上設(shè)有相互配合的實(shí)心或空心的凹凸結(jié)構(gòu)或翅片，構(gòu)成蜿蜒曲折的阻尼腔室。阻尼腔室內(nèi)充滿高性能的阻尼材料，連接體的表面形狀同待粘貼的鋼軌表面的形狀一致，通過高強(qiáng)度、高剛性粘結(jié)膠粘貼在鋼軌的非工作表面。
鋼軌振動時，由于約束板的剛度較高，造成約束板與聯(lián)結(jié)板的變形不一致，強(qiáng)迫阻尼層發(fā)生剪切變形，從而吸收消耗振動能量，有效地降低軌道所產(chǎn)生的振動。振動為噪聲之源，振動減輕，噪聲自然也大幅降低。迷宮式約束阻尼對于各種頻率都有較好的減振效果，對包括“曲線嘯叫”在內(nèi)的高頻噪聲控制效果則更為明顯。
原理雖好，但如何做成產(chǎn)品卻是又一道關(guān)口。精進(jìn)不休的研究人員很快就發(fā)現(xiàn)，由于阻尼材料流動性差，使得現(xiàn)場涂刷施工速度太慢；況且阻尼材料對溫度、濕度比較敏感，雨雪天氣均不能施工，工程質(zhì)量也變得不易控制。
經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，科而泰團(tuán)隊(duì)終于成功開發(fā)出了與迷宮式約束阻尼結(jié)構(gòu)相匹配的預(yù)制復(fù)合工藝：“迷宮式降噪阻尼板”，簡稱“阻尼板”。阻尼板不僅施工效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，且不受氣候限制，而且壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼軌的使用壽命。
很快，這一技術(shù)便迎來了在全球展現(xiàn)自己和實(shí)現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用的機(jī)會。
為了土地集約化利用，上海地鐵10號線吳中路車輛段規(guī)劃了上蓋物業(yè)開發(fā)。為保證日后上蓋物業(yè)中的居民不受車輛段運(yùn)行干擾，尤其是不受夜間“曲線嘯叫”的影響，工程方在試車線和所有曲線段設(shè)計并采用了迷宮式約束阻尼鋼軌。
隨后，科而泰和同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)所對這一車輛段曲線軌道約束阻尼鋼軌進(jìn)行了細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究。測試結(jié)果表明，阻尼鋼軌有明顯的減振效果，并且頻率越高，減振效果越好，與噪聲測試有很好的相關(guān)性。而更加讓人興奮的是，這一技術(shù)取得了世界領(lǐng)先的降噪效果——惱人的“曲線嘯叫”在聽覺上完全消失了！
其實(shí)，在“曲線嘯叫”之外，還有一個輪軌噪聲的制造者，這就是被稱為軌道交通行業(yè)百年難題的“鋼軌波磨”。
鋼軌波磨的全稱是鋼軌異常波浪形磨耗，是為了高效減振而采用高彈性扣件帶來的“副作用”。發(fā)展嚴(yán)重時，波磨還會導(dǎo)致軌道扣件失效，進(jìn)而危及行車安全。據(jù)調(diào)查，我國每個有地鐵的城市，其地鐵鋼軌都有不同程度的波磨發(fā)生，這種為了減振而難以兩全的異常磨耗正時刻威脅著乘客的舒適與安全。
為了對抗波磨，工程人員可謂煞費(fèi)苦心，從涂油到打磨鋼軌，幾乎試遍了所有原理上可行的方法，但都由于影響行車安全、增加維護(hù)成本等各種弊端而經(jīng)常被迫舍棄。
直到迷宮式約束阻尼2.0版的誕生才為解決這一難題點(diǎn)亮了明燈。作為科而泰團(tuán)隊(duì)與鐵三院聯(lián)合完成的國家“863”計劃科技成果，迷宮式約束阻尼板通過與鋼軌動力吸振器強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，能夠拓寬有效減振頻帶，吸收有害振動能量從而抑制共振，降低輪軌間動態(tài)作用力，進(jìn)而達(dá)到延緩波磨發(fā)展的最終目的。
是否有效仍要通過實(shí)踐來檢驗(yàn)，而機(jī)會總是給有準(zhǔn)備的人。
在重慶地鐵1號線“小什字—較場口”區(qū)間的曲線段，波磨引發(fā)的輪軌振動噪聲十分嚴(yán)重，并伴隨著車內(nèi)振動噪聲加劇。為此，重慶地鐵緊急立項(xiàng)并委托科而泰負(fù)責(zé)改造項(xiàng)目。
2015年1月，科而泰為這一區(qū)間下行線曲線半徑中心段鋪裝了長度約270米的寬頻型迷宮式約束阻尼降噪裝置。
2015年7月，工程人員們懷著緊張的心情對項(xiàng)目進(jìn)行測試。波磨測試結(jié)果顯示，打磨后運(yùn)行6個月之后，上行線未治理段鋼軌已經(jīng)形成波磨，而下行治理段鋼軌未出現(xiàn)明顯波磨！
目前，已有多家企業(yè)開始使用或計劃試用該技術(shù)，其中包括巴西大鐵、德國大鐵和德國柏林地鐵。中國的工程技術(shù)人員，通過不懈的努力與自主創(chuàng)新，用迷宮式約束阻尼有效控制了“曲線嘯叫”和波磨的再形成，最終成功破解了困擾行業(yè)的百年難題，實(shí)現(xiàn)了守護(hù)城市軌道交通的長久安寧�！�