城市用減振型無(wú)砟軌道的研發(fā)

劉海濤，王繼軍，劉偉斌，王　夢(mèng)(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081)

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城市用減振型無(wú)砟軌道的研發(fā)

劉海濤，王繼軍，劉偉斌，王夢(mèng)
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:研制了一種新型板式無(wú)砟軌道TKT-S( Tie Ke Track-Slab)，軌道板采用工廠預(yù)制普通混凝土結(jié)構(gòu);板下為縱向條狀聚氨酯支撐層，通過(guò)調(diào)整聚氨酯層的相關(guān)力學(xué)指標(biāo)達(dá)到減振目的。在大量分析計(jì)算和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定各部件的構(gòu)造尺寸與聚氨酯的相關(guān)配方等。對(duì)減振型和非減振型軌道分別進(jìn)行了自振頻率、模態(tài)和諧響應(yīng)分析，以掌握軌道動(dòng)力性能。為檢驗(yàn)軌道系統(tǒng)的減振性能，在室內(nèi)分別建立了減振和非減振軌道的實(shí)尺模型，開(kāi)展落錘沖擊試驗(yàn);在中國(guó)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心建立50 m試驗(yàn)段，進(jìn)行行車(chē)試驗(yàn);同時(shí)，對(duì)落錘沖擊和行車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合，表明TKT-S具有良好的減振性能。

關(guān)鍵詞:城軌交通無(wú)砟軌道TKT-S動(dòng)力分析實(shí)尺模型試驗(yàn)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通在我國(guó)得到了快速的發(fā)展。當(dāng)前城市軌道交通主要采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)(站場(chǎng)線除外)，包括短枕式(剛性、彈性)整體道床、彈性長(zhǎng)枕、浮置板(鋼彈簧、橡膠)等類(lèi)型?？偨Y(jié)前期建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)［1-4］，城市用無(wú)砟軌道主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:首先，現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑工作量大，施工周期長(zhǎng)，同時(shí)混凝土運(yùn)輸、振搗等對(duì)城市環(huán)境及居民生活產(chǎn)生一定影響;其次，短枕式軌排施工時(shí)軌底坡調(diào)整困難，對(duì)后期鋼軌磨耗產(chǎn)生不利影響;再次，剛性支承塊式無(wú)砟軌道可維修性較差;最后，減振軌道結(jié)構(gòu)往往造價(jià)過(guò)高。城市軌道的大量需求與目前問(wèn)題的同時(shí)存在形成如下兩個(gè)矛盾:其一，如何合理地縮短線路的建設(shè)周期，盡量降低建造對(duì)城市環(huán)境、居民生活的影響，使其盡快投入運(yùn)營(yíng)，滿(mǎn)足民眾出行的迫切需求;其二，如何采取有效措施，在滿(mǎn)足減振降噪目標(biāo)基礎(chǔ)上降低特殊軌道結(jié)構(gòu)的投資成本，且有利于運(yùn)營(yíng)中的養(yǎng)護(hù)維修。為解決以上矛盾，研制開(kāi)發(fā)了城市用新型板式軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)TKT-S( Tie Ke Track-Slab)。通過(guò)落錘沖擊和列車(chē)—軌道耦合系統(tǒng)仿真計(jì)算，開(kāi)展軌道結(jié)構(gòu)多參數(shù)討論，掌握軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的敏感指標(biāo)，確定相應(yīng)的性能參數(shù)，建立室內(nèi)實(shí)尺模型和相應(yīng)試驗(yàn)段，針對(duì)TKT-S非減振和減振軌道進(jìn)行減振效果評(píng)估。

1無(wú)砟軌道TKT-S 結(jié)構(gòu)及部件

TKT-S無(wú)砟軌道系統(tǒng)主要由預(yù)制軌道板、低剛度減振扣件、便捷式限位結(jié)構(gòu)、可變剛度聚氨酯填充層等組成。與軌道結(jié)構(gòu)配套的扣件系統(tǒng)采用硫化墊板，在減少鋼軌波磨并使其具有一定減振功能的基礎(chǔ)上，確定了扣件的性能指標(biāo)。軌道板、限位塊均為工廠預(yù)制，聚氨酯填充層部分預(yù)制。無(wú)砟軌道現(xiàn)場(chǎng)施工采用拼裝方式，主要工作為澆筑少量的聚氨酯調(diào)整層和安裝限位塊，不再澆筑大體量混凝土。軌道板減振性能通過(guò)調(diào)整軌道板與線下基礎(chǔ)間聚氨酯填充層的性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)。圖1為T(mén)KT-S無(wú)砟軌道系統(tǒng)主要部件及施工效果圖。

圖1 TKT-S軌道結(jié)構(gòu)

1. 1軌道板構(gòu)造

軌道板為非預(yù)應(yīng)力普通混凝土結(jié)構(gòu)，采用工廠預(yù)制。根據(jù)扣件系統(tǒng)需求及滿(mǎn)足邊界效應(yīng)的要求確定軌道板寬度為2. 35 m。根據(jù)減振需求，確定軌道板的厚度為0. 2～0. 5 m。TKT-S軌道板采用短板方式，即扣件間距為0. 7 m，板長(zhǎng)為2. 73 m(根據(jù)具體需求可適當(dāng)調(diào)整板長(zhǎng))。采用短板方案的理由:短板方便隧道內(nèi)運(yùn)輸和施工，能夠適應(yīng)更小的曲線半徑;短板的荷載效應(yīng)特別是溫度荷載效應(yīng)較小，可以在較少配筋的基礎(chǔ)上采用非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，降低軌道板的成本;仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用短板對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的減振性能影響較小。

1. 2聚氨酯填充層支撐方式

聚氨酯填充層支撐方式分為面支撐、條支撐和點(diǎn)支撐。根據(jù)可靠、經(jīng)濟(jì)和適量的原則，采用局部支撐的方法。經(jīng)分析計(jì)算，在力學(xué)性能和方便現(xiàn)場(chǎng)灌注聚氨酯的情況下，條支撐比點(diǎn)支撐好，縱向支撐優(yōu)于橫向支撐。TKT-S無(wú)砟軌道每塊軌道板下采用對(duì)應(yīng)兩根鋼軌的兩縱向條狀支撐，支撐寬度為0. 3 m。

1. 3限位結(jié)構(gòu)形式

軌道板采用中心限位結(jié)構(gòu)，工廠預(yù)制預(yù)留限位塊錨固孔，軌道板施工完畢后，將預(yù)制限位塊放置于軌道板中心，植筋錨固并封填限位塊與軌道板間的間隙。此處填充材料位于板的中間，不需要具有特定的力學(xué)性能指標(biāo)。

2無(wú)砟軌道TKT-S 動(dòng)力特性

2. 1軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率及模態(tài)

對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，非減振和減振型軌道一階自振頻率分別為89 Hz和21 Hz，模態(tài)為豎向振動(dòng)。表1為前5階頻率，包括橫向自振頻率。圖2為前4階模態(tài)。

表1不同模型振動(dòng)頻率　Hz

圖2軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)

2. 2軌道結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析

對(duì)減振型和非減振型軌道進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并確定豎向荷載下軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率。豎向激勵(lì)下，非減振和減振型軌道自振頻率分別為90 Hz和22 Hz。圖3為軌道結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)位移導(dǎo)納圖，表2為軌道結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)頻率。

圖3軌道垂向位移導(dǎo)納

表2諧響應(yīng)分析下軌道結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)頻率　Hz

3無(wú)砟軌道TKT-S 動(dòng)力響應(yīng)及減振性能評(píng)估

針對(duì)TKT-S減振型和非減振型軌道，分別建立室內(nèi)實(shí)尺模型，進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，評(píng)估軌道結(jié)構(gòu)的減振效果，并在中國(guó)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心建立50 m試驗(yàn)段，做行車(chē)試驗(yàn)，評(píng)估軌道的減振性能。同時(shí)建立仿真計(jì)算模型，對(duì)落錘沖擊及列車(chē)—軌道耦合模型進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)［5］對(duì)比減振和非減振型軌道，計(jì)算分頻振級(jí)均方根差值。

3. 1落錘沖擊下無(wú)砟軌道TKT-S動(dòng)力響應(yīng)

室內(nèi)實(shí)尺模型落錘試驗(yàn)外觀如圖4所示。表3為落高為150 mm時(shí)落錘沖擊下鋼軌、軌道板和底座振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致。

圖4落錘試驗(yàn)外觀

表3落錘沖擊下軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度　m/s2

圖5和圖6分別為測(cè)試和計(jì)算的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。圖7和圖8為底座加速度實(shí)測(cè)和計(jì)算分頻振級(jí)，軌道結(jié)構(gòu)底座在1～200 Hz范圍實(shí)測(cè)減振級(jí)為10 dB，計(jì)算減振級(jí)為12 dB。

圖5實(shí)測(cè)底座振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

3. 2列車(chē)作用下無(wú)砟軌道TKT-S動(dòng)力響應(yīng)

TKT-S行車(chē)試驗(yàn)段如圖9所示，表4為列車(chē)速度100 km/h時(shí)鋼軌、軌道板和底座振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果差異，主要由于仿真計(jì)算參數(shù)取值略有偏差。圖10和圖11為底座加速度實(shí)測(cè)和計(jì)算分頻振級(jí)，軌道結(jié)構(gòu)底座在1～200 Hz范圍實(shí)測(cè)減振級(jí)為14 dB，計(jì)算減振級(jí)為15 dB。

圖7實(shí)測(cè)底座振動(dòng)加速度級(jí)

圖8計(jì)算底座振動(dòng)加速度級(jí)

圖9 TKT-S試驗(yàn)段

表4行車(chē)試驗(yàn)下軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度　m/s2

圖10實(shí)測(cè)底座振動(dòng)加速度級(jí)

圖11計(jì)算底座振動(dòng)加速度級(jí)

4　結(jié)論

研制開(kāi)發(fā)的TKT-S無(wú)砟軌道系統(tǒng)主要由預(yù)制軌道板、低剛度減振扣件、便捷式限位結(jié)構(gòu)、可變剛度聚氨酯充填層等組成，可大幅度提高軌道結(jié)構(gòu)的施工效率，降低減振降噪措施的成本，緩解建設(shè)與運(yùn)營(yíng)、減振需求與投資成本高等矛盾;同時(shí)統(tǒng)一普通地段與減振地段的軌道結(jié)構(gòu)形式，便于養(yǎng)護(hù)維修。通過(guò)室內(nèi)開(kāi)展的減振和非減振軌道的落錘沖擊試驗(yàn)，以及在中國(guó)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心50 m試驗(yàn)段的運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)合分別對(duì)落錘沖擊及行車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行的仿真分析，得出TKT-S減振型軌道減振性能超過(guò)10 dB。

參考文獻(xiàn)

［1］雷曉燕．城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)［J］．城市軌道交通研究，2008，11( 4) : 12-17．

［2］孫曉靜，劉維寧，張寶才．浮置板軌道結(jié)構(gòu)在城市軌道交通減振降噪上的應(yīng)用［J］．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15( 8) : 65-70．

［3］程斌．軌道交通與城市交通可持續(xù)發(fā)展［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2001，22( 1) : 108-112．

［4］劉海濤．強(qiáng)風(fēng)作用下列車(chē)—汽車(chē)—橋梁時(shí)變系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)及行車(chē)安全性、舒適性研究［D］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2011．

［5］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．CJJ/T 191—2012浮置板軌道技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013．

(責(zé)任審編孟慶伶)

Research and development of vibration-damping ballastless track for urban railway

LIU Haitao，WANG Jijun，LIU Weibin，WANG Meng
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:T his paper proposed a new type of slab-type ballastless track named T KT -S( T ie Ke T rack-Slab)．T he track slab uses factory prefabricated ordinary concrete structure．T here are longitudinal strip polyurethane support layers under the slab，and the purpose of vibration reduction was achieved by adjusting the relevant mechanical indexes of the polyurethane layer．T he structure dimensions of each component and the formula of polyurethane were given based on a large number of analytical calculations and experiments．T he self vibration frequency and modal harmonic response analysis was made for damping and non-damping track in order to master track dynamic performance．Real scale models of tracks were built respectively indoors and dropping-harmer impact tests were conducted for checking vibration reduction performance of the track system，50 m test section was constructed in national urban rail test center for driving test，and simulation calculation was made for dropping-harmer impact and driving tests．T he results showed that T KT -S has good performance of vibration reduction．

Key words:Urban rail transit; Ballastless track; T KT -S; Dynamic analysis; Real scale model test

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 01-0063-04

中圖分類(lèi)號(hào):U213．2+42

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．13

作者簡(jiǎn)介:劉海濤( 1981—)，男，助理研究員，博士。

基金項(xiàng)目:北京市科委計(jì)劃項(xiàng)目( Z141100003114008)

收稿日期:2015-11-30;修回日期: 2015-12-10