鋼軌支撐架方式對橡膠墊浮置板減振效果的影響

童 飛

(中鐵十一局集團第三工程有限公司 湖北十堰 442012)

鋼軌支撐架方式對橡膠墊浮置板減振效果的影響

童 飛

(中鐵十一局集團第三工程有限公司 湖北十堰 442012)

結合地鐵橡膠墊浮置板施工時鋼軌支撐架的設置方式對軌道隔振效果的影響問題，建立橡膠墊浮置板軌道的三維有限元動力學分析模型，并分析幾種工況下鋼軌、混凝土板、軌道基礎的振動情況。根據分析結果得出，支撐架立桿下墊支鐵墊板的方法對橡膠墊浮置板軌道運營后的隔振效果影響不利，因此對鋼軌支撐架的設置方法進行了改進，采用不影響減振效果的橡膠墊鉆孔方法設置鋼軌支撐架立桿，取得了成功。

軌道交通;橡膠墊;浮置板;鋼軌支撐架方式;振動影響

1 地鐵橡膠墊浮置板概述

按北京地方規(guī)范的標準，目前地鐵減振主要分為初級減振、中級減振、高級減振和特殊減振［1］。橡膠墊浮置板作為高級減振的軌道結構，一般其隔振效果為15～20 dB，且具有軌道部件荷載少、安裝速度快、動態(tài)硬化低、高絕緣等優(yōu)點，可減少對土建結構的干擾、具有較高的性價比，已在世界其他國家的地鐵中廣泛使用，瑞士、法國、西班牙等國家的地鐵線路都有使用案例［2－4］。近年，國內在北京、鄭州、大連和無錫等城市地鐵線路中也已經采用。

由于橡膠墊浮置板軌道使用的增加，其研究也不斷深入。我國相關設計部門對地鐵橡膠減振墊浮置板的應用進行了研究［5］;大部分學者從動力學的角度對其動力性能和參數進行了分析［6－8］，還有從鋪設方式對其隔振效果進行研究的［9］。由于對其施工工藝要求越來越高，目前國內地鐵橡膠墊浮置板減振軌道施工方面對減振效果的研究還存在不足，實際上一些施工方法也會對橡膠墊浮置板的減振效果產生影響，如施工過程對雜物清理有很高的要求，如有異物在橡膠墊與浮置板之間形成“聲橋”，則會影響橡膠墊浮置板的隔振效果等。

2 橡膠墊浮置板研究背景

北京地鐵6號線是一條貫穿于中心城東西方向的軌道交通線，是一條與地鐵1號線基本平行的線路。西起西四環(huán)內的五路居站，東至通州區(qū)的東小營站，經過區(qū)域有海淀區(qū)、西城區(qū)、東城區(qū)、朝陽區(qū)和通州新城5個行政區(qū)。

該工程在海淀五路居站東側鋪設900 m橡膠墊浮置板道床，其中橡膠墊一般道床為691 m，P60－9#單開道岔2組，P60－12#14 m間距交叉渡線1組。矩形隧道地段軌道結構高度為650 mm，非道岔區(qū)每塊浮置板道床標準長度為3 m，扣件及軌枕均采用DTⅥ2型扣件及短軌枕。非道岔區(qū)橡膠墊浮置板道床采用兩側水溝，橡膠墊底層設中心排水溝，水溝寬400 mm，沿線路每隔9～10 m在道床中設置檢查孔，橡膠墊頂部采用聚氨酯填縫膠封堵。橡膠墊浮置道床如圖1所示。

由于項目部是第一次施工橡膠墊浮置板道床，因此如何保證施工質量，尤其是保證橡膠墊浮置板應有的隔振效果，是擺在參建人員面前的一道難關。為了攻克難關，確保施工質量及減振效果，在施工過程中項目部積極邀請橡膠墊生產廠家技術人員進行現場指導，并邀請北京交通大學軌道減振與控制實驗室提供理論支持。

圖1 橡膠墊浮置板道床

3 橡膠墊浮置板施工工藝

橡膠墊浮置板鋪軌的工藝流程包括基地處理、基標測設、架設鋪軌龍門吊、道床基底施工、橡膠墊鋪設、軌排組裝及架設、軌道精調、道床混凝土澆筑、道床混凝土養(yǎng)生及聚氨酯填縫膠施工。

軌排組裝及架設方法包括軌排架軌法和散鋪架軌法。軌排架軌法是在鋪軌基地將鋼軌、軌枕、鐵墊板等扣配件拼裝成軌排，用軌道車運輸至工作面，再利用鋪軌龍門吊吊裝架設軌排;散鋪架軌法一般用于矩形隧道內或車站等不能滿足龍門吊架設條件及道岔區(qū)施工(道岔鋪設寬度大于龍門吊走形寬度)的位置，通過就地拼裝鋼軌、扣件及軌枕組裝成軌排。

軌排組裝順序為：散布支撐架→安放鋼軌并調整軌距→散布鐵墊板、彈條等扣配件→安裝鐵墊板、彈條→散布軌枕、板下墊板→安裝軌枕→軌排組裝完成。

鋼軌支撐架架設時按不大于3 m布置，并將各部位螺栓擰緊，確保軌排整體的穩(wěn)定性。普通道床鋼軌的支撐架絲桿直接放置在道床基底上，橡膠墊道床在基底鋪設了橡膠墊，由于橡膠墊材質較軟，鋼軌支撐架絲桿直接放置在橡膠墊上，因受力集中容易損壞橡膠墊且影響軌道的幾何狀態(tài)，因此支撐架絲桿的放置方式有兩種。

方法1。在鋼軌支撐架絲桿處的橡膠墊上放一塊鐵墊板，將絲桿支撐于鐵墊板上(見圖2)。此方法可以有效解決的問題是：將絲桿直接置于橡膠墊上，由于接觸面積小，且軌排重量全部作用在絲桿上，因此可能導致軌道幾何狀態(tài)的不穩(wěn)定，也可能會破壞橡膠墊。

圖2 橡膠墊墊支鐵墊板工法

此方法在調整軌道高度時，由于絲桿受力大等原因使得絲桿處的鐵墊板很容易偏轉，為了解決這個問題，在鐵墊板上焊接了20 mm高的鐵環(huán)(見圖3)。此方法澆筑砼后鐵墊板將留在道床內，這樣不可避免地增加了橡膠墊浮置板的局部剛度，可能會影響減振效果。

圖3 橡膠墊墊支鐵墊板工法(加20 mm鐵環(huán))

方法2。在鋼軌支撐架絲桿處的橡膠墊采用鉆孔的方法，取消絲桿鐵墊板支撐，將絲桿直接落于橡膠墊道床的基底上(見圖4)，并用土工布包裹、膠帶密封，防止混凝土滲入。此方法理論上可有效去除“聲橋”，即剛性短路的可能，且能保證軌道的幾何狀態(tài)。

為了對比兩種施工方法對減振和隔振效果的差異影響，進一步確定選用哪種支撐方式，特建立橡膠墊浮置板的三維動力分析模型，對這兩種鋼軌支撐架兩側絲桿安裝方法進行比較分析。

圖4 橡膠墊鉆孔支撐法

4 計算分析模型的建立

分別建立橡膠墊鉆孔設置支架和下支鐵墊板設置支架的兩種橡膠墊浮置板軌道理論分析模型。

4.1 兩種分析模型

圖5為橡膠墊浮置板軌道整體動力分析模型，模型自上而下依次為鋼軌、扣件、浮置板、橡膠墊和軌道基礎。模型由三塊浮置板組成，兩邊各考慮30 m長鋼軌，取中間浮置板進行分析，以消除邊界效應，激勵加在中間浮置板的中部位置鋼軌上。圖6為橡膠墊模型，圖7為模擬圖2、3中支架絲桿下支墊鐵墊板的橡膠墊模型，圖8為模擬圖4中鉆孔設置鋼軌支撐絲桿工法的橡膠墊模型。鐵墊板位置和尺寸、橡膠墊鉆孔位置和尺寸均按實際施工情況設置。

圖5 橡膠墊浮置板軌道整體動力分析模型

圖6 正常的橡膠墊模型

圖7 支架絲桿下的支墊鐵墊板模型

圖8 鉆孔設置鋼軌支撐絲桿工法的橡膠墊模型

4.2 計算參數

4.2.1 橡膠墊層浮置板模型

軌道板尺寸：3 m×2.7 m×0.4 m(長 ×寬 ×高)

橡膠墊層寬2.7 m、厚3 cm;墊層下混凝土層寬為2.7 m、厚為0.6 m。

4.2.2 材料屬性

鋼軌：彈性模量為2.1 ×1011N/m2，泊松比為0.3，密度為7.83×103kg/m3。鐵墊板也采用鋼軌的材料屬性。

混凝土板：彈性模量為3.5×1010N/m2，泊松比為0.176，密度為2.5 ×103kg/m3。

彈性墊層：彈性模量為2.3×105N/m2，泊松比為0.2，密度為 2.0 ×102kg/m3。

軌道基礎混凝土：彈性模量為3.5×1010N/m2，泊松比為0.176，密度為2.5 ×103kg/m3。

4.3 計算原理

本文以振動傳遞函數來比較兩種施工方法對橡膠墊浮置板振動效果的影響。這里振動傳遞函數是單位激勵下浮置板結構的加速度動力響應，引用垂向加速度傳遞函數分析橡膠墊浮置板軌道系統(tǒng)在不同頻段的垂向振動傳遞特性。

振動位移傳遞函數D(ω)為結構在簡諧激勵作用下的位移與作用力F(ω)的幅值比，即

式中，F(ω)為不同頻率的軌道結構激振力，X(ω)、A(ω)為在F(ω)作用下的位移和加速度響應幅值［10］。

5 計算結果分析

以振動加速度傳遞函數來比較各種工況的減振效果變化情況。分析幾種工況下鋼軌、混凝土板、軌道基礎的振動情況。

5.1 支架絲桿下設鐵墊板的影響

支架絲桿下設鐵墊板，由于鐵墊板在施工后留在了澆筑的混凝土板當中，使用時有可能在鐵墊板部位形成剛性支撐，在模型中按施工實際情況加入了鐵墊板，計算結果如圖9～11所示。

圖9 鋼軌垂向加速度傳遞函數

圖10 浮置板垂向加速度傳遞函數

圖11 隧道基礎垂向加速度傳遞函數

從圖9看，該工法對鋼軌各個頻率的振動影響不大，而圖10則顯示該工法會對浮置板300 Hz各個頻率的振動有一定影響，表現為一些頻段振動增大，一些頻段振動減小。在隨機荷載作用下，對整個頻段應該影響不大。從圖11看，該工法對傳到軌道基礎30 Hz以上的振動增大，對隔振效果有不利的影響，影響了該軌道的隔振作用，因此該工法不宜采用。

為此，經過分析決定采用橡膠墊鉆孔方法。下面分析橡膠墊鉆孔方法對減振效果的影響。

5.2 彈性墊層鉆孔的影響

這里考慮橡膠墊鋼軌支架絲桿鉆孔直徑分別為3、5和10 cm的情況，計算結果如圖12～14所示。

由圖13～14可以看到，橡膠墊是否鉆孔或開口大小，對鋼軌和混凝土板的垂向振動影響不大。彈性墊層開孔會在60 Hz以下減小基礎的振動，但幅度不大。因此可以認為，彈性墊層開3～10 cm直徑的孔不會影響整個軌道的振動特性和隔振效果。

圖12 鋼軌垂向加速度傳遞函數

圖13 混凝土板垂向加速度傳遞函數

圖14 隧道基礎垂向加速度傳遞函數

6 結論及運用

根據上述理論分析，在軌排架設時，方法1將導致鋼軌支撐架立桿下部的橡膠墊形成局部剛度增大的現象，從而影響隔振效果;方法2在立桿位置的橡膠墊鉆孔，將立桿直接落于基底上，施工后不會影響軌道的隔振效果。但此方法還需注意以下事項：

1)道床基底施工前，應對結構進行檢查、驗收，對于滲水地段應先進行處理，再進行墊層施工;

2)基底混凝土施工時，嚴格控制其高程及平整度(5mm/m);

3)橡膠墊開孔時，孔徑不宜大于10 cm，并與立桿匹配，立桿與孔之間的縫隙要密封以防止混凝土滲入，開孔時應避免損壞橡膠墊;

4)道床板混凝土在澆筑過程中，應控制混凝土的傾落高度，盡量降低高度，以免對軌道幾何尺寸造成影響，并加強混凝土的搗實，以提高板的密實度，同時可避免道床板裂縫的產生;

5)在鋼筋焊接時，應在焊點下方鋪墊濕石棉布等防火材料，避免焊渣掉落燒壞減振橡膠墊;

6)橡膠墊鋪設時應嚴防金屬件及雜物穿透橡膠墊，檢查孔應放置在橡膠墊上方，不得穿透橡膠墊，以免影響橡膠墊減振功能的實現;

7)橡膠墊鋪設前，應提前做好與其前后其他形式的道床排水溝的過渡銜接，以確保減振道床前后地段排水的順暢，避免積水或堵塞;

8)橡膠墊浮置板在起始、終止點的排水溝兩端及所有檢查孔，在施工完畢后應有效封閉，防止灰塵及雜物(被水帶入)進入橡膠墊下部，引起淤積，影響減振效果。

北京地鐵6號線橡膠墊浮置板施工，在用第一種方法施工了120 m后，其余均改用第二種方法施工，并取得了成功，這是理論聯(lián)系實際、理論指導實際的結果。目前，城市地鐵發(fā)展迅速，對其減振要求越來越高，精細化施工程度要求也越來越高，有些理論研究必將越來越多地融入到施工當中，為地鐵施工保駕護航。

［1］北京市勞動保護科學研究所，北京市地鐵運營有限公司設計研究所.地鐵噪聲與振動控制措施應用規(guī)范［S］.北京，2012.

［2］http：//www.cdm.eu/projects.html

［3］http：//www.getzner.com/en/fields/railway//

［4］http：//www.calenberg－ingenieure.com/

［5］劉峰，曾向榮，張宏亮，等.新型橡膠減振墊浮置板的應用研究［J］.都市快軌交通.2013，26(3)：50 －53.

［6］徐志強，姚京川.橡膠支承浮置板式軌道結構動力計算分析［J］.鐵道標準設計，2003(8)：11－13.

［7］劉克飛，劉學毅.橡膠浮置板軌道垂向動力特性分析［J］.鐵道建筑.2012(8)：113 －116.

［8］劉洪瑞，鄒錦華，王榮輝.軌道交通橡膠浮置板式軌道結構動力設計參數研究［J］.鐵道科學與工程學報，2009(2)：5－11.

［9］艾山丁，谷愛軍.無砟軌道橡膠隔振支承方式對隔振效果的影響［J］.都市快軌交通，2011，24(2)：89 －92.

［10］左鶴聲.機械阻抗方法與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1987.

(編輯：郝京紅)

Analysis of Vibration Reduction Effect of Rail Supporting Frame on Rubber Pads Floating Track

Tong Fei
(China Railway 11th Bureau 3rd Engineering Group Co.，Ltd.，Shiyan，Hubei 442012)

A three-dimensional finite element dynamic analysis model of rubber floating slab track was established for the problem of the effect of rail supporting frame modes in rubber floating slab construction on the vibration isolation.The vibration of rail track，concrete slab and foundation were analyzed.According to the results of theoretical analysis，the supporting frame with iron plate under the column will reduce vibration isolation effect of the track when the track opens，thus the method of drilling holes on rubber pads for the supporting frame is adopted，which will not affect vibration isolation.

urban rail transit;rubber pad;floating slab track;types of rail supporting frame;vibration effect

U213.24

A

1672－6073(2014)02－0081－05

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.020

2014－01－07

2014－01－20

童飛，男，大學本科，工學學士，高級工程師，主要從事軌道工程研究，tf903@hotmail.com