地鐵彈性長(zhǎng)枕的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及研究現(xiàn)狀

摘 要：中等減振措施中，彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)正得到越來越多的應(yīng)用。分析了傳統(tǒng)中等減振措施所存在的問題，并指出了彈性長(zhǎng)枕存在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最后列舉了彈性長(zhǎng)枕的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，以期為中等減振軌道結(jié)構(gòu)的選型提供參考。

關(guān)鍵詞：彈性長(zhǎng)枕；軌道減振器；彈性短軌枕

截至2013年底，我國開通軌道交通的城市達(dá)到19個(gè)，累計(jì)運(yùn)營(yíng)里程2746公里，2020年線路規(guī)劃里程甚至超過一萬公里。軌道交通的蓬勃發(fā)展，給人們的出行提供了極大的方便，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展。但是由列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲，嚴(yán)重影響著沿線居民的工作和生活。對(duì)城市軌道交通進(jìn)行振動(dòng)與噪聲的研究，對(duì)于軌道交通的健康發(fā)展具有重要意義。文章對(duì)傳統(tǒng)中等減振措施與彈性長(zhǎng)枕進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)近年來取得的一些理論成果進(jìn)行了闡述。

1 彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)形式及減振機(jī)理

1.1 彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)形式

彈性長(zhǎng)枕無砟軌道是在彈性支承塊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，彈性長(zhǎng)枕的結(jié)構(gòu)形式為：采用的特殊預(yù)應(yīng)力混凝土枕增強(qiáng)了軌距保持能力；包裹支承塊的套靴被被包裹預(yù)應(yīng)力軌枕的兩端開啟式的橡膠靴替代，可以排除進(jìn)入箱內(nèi)的雨水，并有利于結(jié)構(gòu)的施工和后期維護(hù)。

1.2 彈性長(zhǎng)枕軌道減振機(jī)理

在彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)中，較低剛度的彈性墊層布設(shè)在軌枕底部，并置于橡膠套靴之上，實(shí)現(xiàn)了把長(zhǎng)軌枕與道床隔離開的目的。當(dāng)列車通過彈性長(zhǎng)軌枕時(shí)，垂直方向被壓縮一定的距離，但由于起緩沖作用的彈性墊層的存在，從而達(dá)到了減振的目的。

2 傳統(tǒng)地鐵常用中等軌道減振措施所面臨的問題

國內(nèi)傳統(tǒng)地鐵常用中等軌道減振措施主要有軌道減振器扣件及彈性短軌枕[1]。

2.1 軌道減振器

軌道減振器又稱科隆蛋，最早由德國設(shè)計(jì)并實(shí)際應(yīng)用，隨后被許多國家所采用。我國也在上海和廣州地鐵中采用了該扣件。軌道減振器扣件良好的減振性能在開通運(yùn)營(yíng)后得到完美體現(xiàn)，滿足了對(duì)減振降噪預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。但是，軌道減振器在我國的應(yīng)用并不理想，主要是存在著以下幾個(gè)缺點(diǎn)：其減振性能在運(yùn)營(yíng)一年以后衰減較快，減振性能約衰減20%；一旦橡膠失效，需成套更換；長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)后，誘發(fā)嚴(yán)重的鋼軌波磨。

2.2 彈性短軌枕

彈性短軌枕軌道結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用并具有良好的減振降噪性能，但有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：施工質(zhì)量對(duì)彈性軌枕減振效果影響較大；套靴中夾入雜物或短軌枕與套靴綁扎不密貼，會(huì)導(dǎo)致病害的出現(xiàn)，且減振性能也會(huì)大打折扣；彈性層失效后不易被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)后，更換也很麻煩；軌距和軌底坡調(diào)整困難；在曲線地段鋼軌產(chǎn)生嚴(yán)重的波浪磨耗。

3 中等減振措施中彈性長(zhǎng)枕存在的優(yōu)勢(shì)

彈性長(zhǎng)枕軌道的雛形，最早由日本于20世紀(jì)70年代提出。彈性長(zhǎng)枕軌道作為一種新型減振降噪軌道結(jié)構(gòu)，廣泛的應(yīng)用于很多國家[2]。彈性長(zhǎng)枕軌道主要存在以下幾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3]：彈性長(zhǎng)枕軌道的軌枕設(shè)計(jì)成長(zhǎng)枕，增強(qiáng)了軌排結(jié)構(gòu)的整體性，提高了軌枕穩(wěn)定性；在道床上設(shè)計(jì)了中央排水溝，便于橡膠套靴中的積水盡快排出；檢查和更換彈性墊層方便。

4 我國彈性長(zhǎng)枕式無砟軌道的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

4.1 我國彈性長(zhǎng)枕無砟軌道的應(yīng)用

相對(duì)其他國家對(duì)彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，我國的應(yīng)用較少。僅在北京地鐵機(jī)場(chǎng)線、蘭新二線的烏鞘嶺隧道、上海地鐵7號(hào)線、北京地鐵9號(hào)線有少量鋪設(shè)。

4.2 我國彈性長(zhǎng)枕無砟軌道的研究現(xiàn)狀

近幾年，我國學(xué)者才開始關(guān)注彈性長(zhǎng)枕這一新型軌道結(jié)構(gòu)型式，并對(duì)其進(jìn)行了一些理論和實(shí)驗(yàn)研究。以下介紹我國彈性長(zhǎng)枕無砟軌道研究現(xiàn)狀。

吳曾等人[4]建立無砟軌道彈性長(zhǎng)枕梁-梁-板模型，分析了行車速度與垂向位移、加速度的關(guān)系；行車速度與扣件瞬時(shí)上拔力的關(guān)系；垂向位移、加速度分別與軌道結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的關(guān)系；進(jìn)一步分析了不同軌道結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量下彈性長(zhǎng)枕的動(dòng)力響應(yīng)；找出了軌道結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量與垂向速度、加速度等的關(guān)系；最后計(jì)算了不同列車速度下的動(dòng)力響應(yīng)。

王偉華等人[5]對(duì)彈性長(zhǎng)枕無砟軌道進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。通過建立彈性長(zhǎng)枕模態(tài)分析及抗翻轉(zhuǎn)剛度模型，得出結(jié)論：軌枕的埋深對(duì)抗翻轉(zhuǎn)剛度的影響更大；得出了彈性長(zhǎng)枕支承剛度及埋深的合理取值。

趙信洋[6]運(yùn)用ANSYS軟件建立彈性長(zhǎng)枕垂向受力模型，分析了彈性長(zhǎng)枕軌下及枕中彎矩在不同枕長(zhǎng)和不同支撐長(zhǎng)度下的數(shù)值，得出以0.4作為彈性長(zhǎng)枕枕長(zhǎng)與支撐長(zhǎng)度的合理比例關(guān)系。

范志材[7]利用ANSYS/LS-DYNA軟件和落軸試驗(yàn)原理，對(duì)橋上彈性長(zhǎng)枕無砟軌道的枕下、軌下剛度進(jìn)行分析，并給出了合理的取值范圍；利用SIMPACK軟件建立車輛-軌道-線路模型，分別分析了列車各輪軌力在同一速度和不同速度條件下的變化規(guī)律；利用ANSYA建立橋上彈性長(zhǎng)枕無砟軌道模型進(jìn)行模態(tài)分析，并分析不同速度的軌下剛度、枕下剛度和輪軌力對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。

焦雷[3]建立車輛-軌道-下部基礎(chǔ)空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，分別從直線與曲線地段分析了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；從頻域分析的角度，采用模態(tài)分析、荷載沖擊數(shù)值模擬和行車過程仿真分析三種方法對(duì)地鐵彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)減振效果進(jìn)行分析；針對(duì)軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，分別對(duì)地鐵直線段和曲線段軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。

趙磊等人[8]建立了預(yù)應(yīng)力配筋彈性長(zhǎng)枕并考慮實(shí)際截面尺寸的新型計(jì)算模型。分兩種情況分析了枕下套靴硬化對(duì)軌枕強(qiáng)度的影響，分析出了枕中裂紋產(chǎn)生原因，并對(duì)套靴硬化給出限制建議。

姜浩等人[2]建立彈性長(zhǎng)枕三維有限元模型，對(duì)不同參數(shù)的軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理匹配。并對(duì)三種減振型軌枕進(jìn)行穩(wěn)定性對(duì)比分析，得出結(jié)論；彈性長(zhǎng)枕的結(jié)構(gòu)最優(yōu)。

綜上所述，相比軌道減振器和彈性短軌枕，彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)擁有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、減振效果較好。結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和匹配對(duì)充分發(fā)揮減振效果至關(guān)重要。

5 結(jié)束語

作為一種新型且具有中等減振功能的軌道結(jié)構(gòu)，相對(duì)傳統(tǒng)中等減振措施，彈性長(zhǎng)枕有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)。隨著傳統(tǒng)中等減振措施所暴露出的缺陷，以及彈性長(zhǎng)枕軌道結(jié)構(gòu)在我國的逐步應(yīng)用，彈性長(zhǎng)枕軌道必將會(huì)被越來越多的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)單位所認(rèn)可。雖然我國學(xué)者對(duì)彈性長(zhǎng)枕進(jìn)行了一些研究，但是彈性長(zhǎng)枕的一些結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)尚未很明確，這就要求科研工作者對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的理論和試驗(yàn)研究，進(jìn)而創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，造福全人類。

參考文獻(xiàn)

[1]曾向榮，鄭瑞武，孫大新.彈性長(zhǎng)軌枕在首都機(jī)場(chǎng)線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].都市快軌交通，2009，22（3）：43-45.

[2]姜浩，趙坪銳，劉觀.減振型無砟軌道軌枕結(jié)構(gòu)對(duì)比分析[J].2014，58（10）：51-55.

[3]焦雷.地鐵彈性長(zhǎng)枕減振軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[4]伍曾，全順喜，劉學(xué)毅.彈性長(zhǎng)枕無砟軌道垂向動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析[J].中國鐵路，2008（9）：35-39.

[5]王偉華，劉學(xué)毅，張珍珍.無砟軌道彈性長(zhǎng)枕穩(wěn)定性分析[J].路基工程，2009（6）：180-181.

[6]趙信洋.彈性長(zhǎng)枕無砟軌道枕長(zhǎng)與支撐長(zhǎng)度比例分析[J].路基工程，2010（4）：202-203.

[7]范志材.簡(jiǎn)支梁橋上彈性長(zhǎng)枕無砟軌道垂向動(dòng)力特性分析[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.

[8]趙磊，高亮.枕下套靴硬化對(duì)預(yù)應(yīng)力配筋彈性長(zhǎng)枕強(qiáng)度影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，38（1）：77-82.

作者簡(jiǎn)介：李貴闊（1986，8-），男，山東鄆城人，在讀碩士研究生，研究方向：軌道減振，專業(yè)：交通運(yùn)輸工程專業(yè)，學(xué)校：石家莊鐵道大學(xué)。