地下線路橡膠減振墊軌道減振性能研究

趙留輝

(中鐵第一勘察院設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,西安 710043)

地下線路橡膠減振墊軌道減振性能研究

趙留輝

(中鐵第一勘察院設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,西安 710043)

為了得到地下線路采用橡膠減振墊軌道的減振效果,建立車(chē)輛-軌道-隧道-土層-建筑物的三維有限元-無(wú)限元耦合模型,分別計(jì)算采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道2種工況下沿線建筑物的三向振動(dòng)加速度振級(jí)。結(jié)果表明:列車(chē)運(yùn)行引起的建筑物振動(dòng),以垂直于線路方向的橫向振動(dòng)為主,其次為垂向振動(dòng),平行于線路方向的縱向振動(dòng)最小;采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點(diǎn)的橫向、縱向加速度振級(jí)明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本一致,約為8.9 dB;采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道時(shí),樓板垂向振動(dòng)規(guī)律基本一致,即隨著樓層的增加,樓板垂向振動(dòng)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì),但是差別甚小。與普通整體道床軌道相比,橡膠減振墊軌道可以降低樓板垂向加速度振級(jí)約9 dB。

整體道床軌道;橡膠減振墊軌道;振動(dòng);減振效果

Key words:track with monolithic track bed;track with rubber vibration-damping pad;vibration; vibration damping effect

1 概述

我國(guó)城市軌道交通的蓬勃發(fā)展,帶來(lái)了交通的便利,加速了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,但與此同時(shí)由之引起的環(huán)境振動(dòng)與噪聲問(wèn)題對(duì)人們的日常生活和工作帶來(lái)了越來(lái)越嚴(yán)重的影響[1]。目前,國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于如何控制環(huán)境振動(dòng)和噪聲做了大量的工作,得到了許多行之有效的措施,橡膠減振墊軌道結(jié)構(gòu)就是其中之一。橡膠減振墊軌道是基于隔振機(jī)理的減振措施,對(duì)于橡膠減振墊軌道的減振特性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。趙才友等[2]通過(guò)理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了高架軌道鋪設(shè)減振墊的減振效果,認(rèn)為鋪設(shè)橡膠減振墊后,減振墊上鋼軌和軌道板的振動(dòng)略有放大,但影響甚微,而減振墊下底座板、橋梁及地面的振動(dòng)顯著降低,橡膠減振墊能夠?qū)?5 Hz以上頻段的振動(dòng)起減振作用。鄒策等[3]以北京地鐵為工程背景,研制了高彈性減振墊,進(jìn)行了大量的室內(nèi)外試驗(yàn),表明該減振墊可以使振動(dòng)衰減達(dá)到70%、振動(dòng)噪聲降低10 dB、使用壽命提高3～4倍、養(yǎng)護(hù)維修減少至少1/2。王媛等[4]對(duì)深圳地鐵1、2號(hào)線試車(chē)線列車(chē)運(yùn)行時(shí)引起的地面振動(dòng)進(jìn)行在線實(shí)測(cè),并對(duì)相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析,證明采用橡膠減振墊后,軌枕處的減振效果為4.05 dB,距軌道中心線6.0 m處地面的減振效果為6.08 dB,距軌道中心線7.5 m處地面的減振效果為8.70 dB。張針粒[5]采用動(dòng)力平衡方程法、經(jīng)驗(yàn)公式法和試驗(yàn)測(cè)試法探討了橡膠減振墊的設(shè)計(jì)方法,并認(rèn)為采用功率流作為隔振效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)更為合理。吳永芳等[6～9]學(xué)者對(duì)隔振墊減振效果的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了系統(tǒng)探討,并以一些工程實(shí)例為背景闡述了系統(tǒng)研究的必要性和合理性。P.Alves Costa等[10]采用2.5維有限元-邊界元耦合法預(yù)測(cè)了有砟軌道鋪設(shè)橡膠減振墊的減振效果,認(rèn)為減振墊的鋪設(shè)位置對(duì)于隔振效果的影響較為明顯。

本文以深圳地鐵6號(hào)線為工程背景。本線路在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí),為了避免線路引起的環(huán)境振動(dòng)和噪聲對(duì)沿線居民生活、工作的影響,對(duì)比分析了目前通用的減振降噪措施的減振效果,橡膠減振墊軌道就是其中備選方案之一,橡膠減振墊軌道橫斷面如圖1所示。普通整體道床板軌道如圖2所示。依據(jù)工程勘察報(bào)告,為盡量準(zhǔn)確反映該隧道區(qū)間的土體分布情況,將土體分成8層,各土層土體的參數(shù)見(jiàn)表1。建筑物分析模型以橫向距離線路中心線25 m處的一居民樓為原型,該居民樓為3層框架結(jié)構(gòu),每層樓高3.5 m。隧道埋深12 m。

圖1 橡膠減振墊軌道橫斷面圖

圖2 普通整體道床軌道橫斷面

表1 土體參數(shù)

2 模型建立與結(jié)果分析

通過(guò)建立車(chē)輛-軌道-隧道子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和隧道-土-建筑物子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,從而建立起車(chē)-隧道-地基土-建筑物大系統(tǒng)的動(dòng)力分析模型,其中將車(chē)輛-軌道-隧道子系統(tǒng)求得的支反力作為隧道-土-建筑物子系統(tǒng)的激勵(lì)。為了克服有限元和無(wú)限元方法建模時(shí)的不足,同時(shí)發(fā)揮兩者建模時(shí)的長(zhǎng)處,本文聯(lián)立無(wú)限元與有限元法,將地基土和建筑物組成的體系分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)兩部分,近場(chǎng)通過(guò)有限元進(jìn)行模擬,對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)采用無(wú)限元模擬。有限元與無(wú)限元的耦合模型實(shí)用性較強(qiáng),可以防止反射波的干擾,獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。具體求解時(shí),對(duì)于車(chē)輛-軌道-隧道子系統(tǒng)分析通過(guò)ANSYS有限元軟件LS-DYNA模塊實(shí)現(xiàn),隧道-土-建筑物子系統(tǒng)分析通過(guò)ABAQUS有限元軟件實(shí)現(xiàn)。

2.1 模型與參數(shù)

深圳地鐵6號(hào)線設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)地鐵A型車(chē),最高設(shè)計(jì)速度為100 km/h,A型車(chē)參數(shù)如表2所示。

應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件建立的車(chē)輛—軌道—隧道子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示,其中表3列出了橡膠減振墊軌道和普通整體道床軌道的主要參數(shù)。

表2 地鐵A型車(chē)參數(shù)

圖3 車(chē)軌道隧道承力結(jié)構(gòu)模型

表3 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

承軌臺(tái)與基底之間沒(méi)有設(shè)置緩沖墊層,為剛性接觸,為模擬基底動(dòng)態(tài)激勵(lì),采用剛度足夠大(5×1011N/m)的彈簧模擬承軌臺(tái)與基底之間的連接。輸入軌道高低不平順激勵(lì),選用美國(guó)6級(jí)軌道譜,時(shí)域樣本如圖4所示。

圖4 軌道不平順時(shí)程曲線

應(yīng)用ABAQUS 有限元軟件建立隧道-土-建筑物子系統(tǒng)模型如圖5所示,其中圖5中的建筑物模型如圖6所示。采用有限元與無(wú)限元結(jié)合建模,模型的大小垂直于線路方向取為150 m,考慮對(duì)稱(chēng)性,建立半邊模型,橫向取100 m,深度取35 m,網(wǎng)格大小取近處2.5 m,遠(yuǎn)處取為4.5 m。以車(chē)輛-軌道-隧道子系統(tǒng)分析所提取的支座反力作為荷載激勵(lì)輸入模型進(jìn)行計(jì)算分析。需要說(shuō)明的是,計(jì)算結(jié)果主要考慮了系統(tǒng)的低頻振動(dòng)響應(yīng)。

圖5 車(chē)-軌道-隧道承力結(jié)構(gòu)模型

圖6 建筑物模型

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

由于該建筑物為框架結(jié)構(gòu),故分析地下線路對(duì)其影響時(shí),選取樓柱節(jié)點(diǎn)和樓板作為研究對(duì)象即可。在具體分析時(shí),選取1號(hào)柱的樓柱節(jié)點(diǎn)和每層樓板的中點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖7為樓柱節(jié)點(diǎn)橫向即平行于軌向方向的振動(dòng)加速度振級(jí)。

圖7 樓柱節(jié)點(diǎn)橫向振動(dòng)加速度振級(jí)

由圖7可以看出,采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道一樣,隨著距地面的距離增加,樓柱節(jié)點(diǎn)橫向振動(dòng)加速度逐漸增大,即節(jié)點(diǎn)距地面越高橫向振動(dòng)響應(yīng)越大。此外,采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點(diǎn)的橫向加速度振級(jí)明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本相等,這表明在輪軌動(dòng)力作用下樓層橫向振動(dòng)為橫向的基頻振動(dòng)。其中采用普通整體道床軌道時(shí),樓柱頂端節(jié)點(diǎn)最大橫向振動(dòng)加速度振級(jí)為78.18 dB。采用橡膠減振墊軌道時(shí),最大橫向振動(dòng)加速度振級(jí)為69.28 dB。因此,可以認(rèn)為應(yīng)用橡膠減振墊軌道相對(duì)普通軌道可以減小樓柱橫向振動(dòng)8.9 dB。

圖8為樓柱節(jié)點(diǎn)縱向即垂直于軌向方向的振動(dòng)加速度振級(jí)。由圖8可以得出,隨著距地面凈高的增加,樓柱節(jié)點(diǎn)縱向振動(dòng)加速度逐漸增大,即節(jié)點(diǎn)距地面越高縱向振動(dòng)響應(yīng)越大。此外,與橫向振動(dòng)類(lèi)似,采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點(diǎn)的縱向加速度振級(jí)明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本一致,這也表明在輪軌動(dòng)力作用下,樓層縱向振動(dòng)為基頻振動(dòng)。采用普通整體道床軌道時(shí),樓柱頂端節(jié)點(diǎn)最大縱向振動(dòng)加速度振級(jí)為56.92 dB,采用橡膠減振墊軌道后樓柱頂端節(jié)點(diǎn)最大縱向振動(dòng)加速度振級(jí)為47.95 dB。即應(yīng)用橡膠減振墊軌道相對(duì)普通軌道可以減小樓柱縱向振動(dòng)8.97 dB。此外結(jié)合圖7和圖8可以看出,樓柱的縱向振動(dòng)加速度要明顯小于橫向。橡膠減振墊軌道對(duì)于降低樓柱橫向振動(dòng)和縱向振動(dòng)的效果基本一致。

圖8 樓柱節(jié)點(diǎn)縱向振動(dòng)加速度振級(jí)

樓板垂向振動(dòng)加速度振級(jí)如圖9所示。

圖9 樓板垂向振動(dòng)加速度振級(jí)

由圖9可知,采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道一樣,隨著樓層的增加,樓板垂向振動(dòng)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì),但是總體差異不大,各樓層樓板垂向振動(dòng)近似表現(xiàn)為恒定值。此外可以發(fā)現(xiàn)與普通整體道床軌道相比,采用橡膠減振墊軌道后樓板垂向加速度振級(jí)明顯減小,且各樓層降幅基本一致,為9 dB左右。

3 結(jié)論

為了分析地下線路采用橡膠減振墊軌道后的減振效果,建立了車(chē)輛-軌道-隧道-地基土-建筑物系統(tǒng)大耦合模型,采用無(wú)限元法與有限元法對(duì)比分析了采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道2種工況下,垂直于線路方向25 m處的建筑物的橫向、垂向和縱向三向振動(dòng)情況,得到以下結(jié)論和建議。

(1)列車(chē)通過(guò)時(shí),沿線建筑物會(huì)發(fā)生二次振動(dòng),隨著距地面凈高的增加,樓板垂向振動(dòng)加速度變化不大,樓柱節(jié)點(diǎn)的橫向、縱向振動(dòng)加速度呈遞增趨勢(shì)。此外,樓柱橫向振動(dòng)加速度振級(jí)大于其縱向加速度振級(jí),樓板垂向振動(dòng)加速度則介于兩者之間,這表明列車(chē)運(yùn)行引起的建筑物水平方向上振動(dòng)主要為垂直于線路方向的橫向振動(dòng),垂向振動(dòng)也不可忽視。

(2)采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點(diǎn)的橫向加速度振級(jí)明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本一致,表明在輪軌動(dòng)力作用下,樓層橫向振動(dòng)為其基頻振動(dòng)。橡膠減振墊軌道相對(duì)普通軌道可以減小樓柱橫向振動(dòng)8.9 dB。

(3)與樓柱節(jié)點(diǎn)的橫向振動(dòng)類(lèi)似,采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點(diǎn)的縱向加速度振級(jí)明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本一致。橡膠減振墊軌道相對(duì)普通整體道床軌道,可以減小樓柱縱向振動(dòng)約8.97 dB。

(4)采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道時(shí),樓板垂向振動(dòng)規(guī)律基本一致,隨著樓層的增加,樓板垂向振動(dòng)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì),但是差別不大。與普通整體道床軌道相比,橡膠減振墊軌道可以降低樓板垂向加速度振級(jí)約9 dB。

[1] 夏禾.交通環(huán)境振動(dòng)工程[M].北京:科學(xué)出版社,2010:124 -149.

[2] 趙才友,王平.橋上無(wú)砟軌道橡膠減振墊減振性能試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2013,34(4):8-13.

[3] 鄒策,袁昊,時(shí)光明.新型高彈性減振墊在北京地鐵的研發(fā)與應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(2):13-17.

[4] 王媛,曹廣忠,匡如華.深圳地鐵軌道減振性能測(cè)試與分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(7):29-32.

[5] 張針粒.粘彈性隔振器動(dòng)力學(xué)性能理論及實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2012:33-50.

[6] 吳永芳.軌道減振效果系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué), 2013,34(3):1-6.

[7] 王羽杰.廣州地鐵4號(hào)線北延段工程軌道減振方案比選[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2012(11):15-18.

[8] 楊其振,程保青,劉道通.北京市軌道交通大興線減振軌道結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(1):58-60.

[9] 曹宇澤,田苗盛,楊其振.隔離式橡膠浮置板減振性能分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2013,173(2):34-39.

[10]P.Alves Costa,R.Calcada,A.Silva Cardoso.Ballast mats for the reduction of railway traffic vibrations.Numerical study[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2012(42):137-150.

Study on Vibration Damping Performance of Underground Railway Track with Rubber Vibration-Damping Pad

ZHAO Liu-hui
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

In order to ascertain the vibration damping effect of underground railway track with rubber vibration-damping pad,a three-dimensional finite element and infinite element coupling model of vehicle-track-tunnel-soil-building system was established,and the vibration levels of the three-direction vibration accelerations of the building along the underground railway were calculated respectively under the two working conditions:the track which came with ordinary monolithic track bed and the track which came with rubber vibration-damping pad.The results show that:(a)Among the building vibrations caused by train running,the transverse vibration perpendicular to the track direction is the dominant one, followed by the vertical vibration,while the longitudinal vibration parallel to the track direction is the smallest.(b)When using the track with rubber vibration-damping pad,the vibration levels of the transverse and longitudinal accelerations of the column nodes of the building will considerably decrease; and the decreasing will be almost the same with the increasing of the height to the ground surface and will be about 8.9dB.(c)The building floor slabs'vertical vibration patterns which are obtained respectively by using the track with ordinary monolithic track bed and by using the track with rubber vibrationdamping pad,are basically the same;namely,the building floor slab's vertical vibrations will present a trend of decreasing at first and then increasing as the building storey increases,but the difference will be very small.(d)Compared with the track which comes with ordinary monolithic track bed,the tack which comes with rubber-damping pad can decrease the vibration level of vertical acceleration of the floor ______slab by about 9 dB.

U213.2+41

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.010

1004-2954(2014)08-0044-04

2013-12-23;

2014-01-06

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2011G009)

趙留輝(1978—),男,高級(jí)工程師,E-mail:zhaoliuh@ 163.com。