160 km/h市域快線鋼彈簧浮置板軌道研究

李 子 杰

(武漢市第二中學(xué),湖北 武漢 430010)

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160 km/h市域快線鋼彈簧浮置板軌道研究

李 子 杰

(武漢市第二中學(xué),湖北 武漢 430010)

針對市域快線實(shí)際運(yùn)營條件，優(yōu)化了鋼彈簧浮置板軌道方案，并建立了鋼彈簧浮置板軌道有限元模型，分析了振動性能和減振效果，計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后鋼彈簧浮置板方案減振效果達(dá)18 dB以上，鋼軌動態(tài)下沉量滿足相關(guān)規(guī)范的要求，市域快線特殊減振地段采用鋼彈簧浮置板是可行的。

市域快線，減振效果，鋼彈簧浮置板，有限元模型

0 引言

鋼彈簧浮置板是一種道床類軌道減振結(jié)構(gòu)，主要由混凝土道床板和鋼彈簧隔振器等組成，可用于特殊和高等級減振地段。由鋼彈簧和阻尼組成的隔振系統(tǒng)具有減振效率高、壽命長、養(yǎng)護(hù)維修方便等特點(diǎn)。通過鋼彈簧隔振器彈性支撐混凝土道床板與鋼軌扣件系統(tǒng)，組成質(zhì)量—彈簧隔振系統(tǒng)，減少列車經(jīng)過時(shí)傳遞到隧道結(jié)構(gòu)的振動，對地鐵沿線城市環(huán)境區(qū)域起到很好的保護(hù)作用。截至目前，鋼彈簧浮置板已成功應(yīng)用于我國20多個(gè)城市，在地鐵和輕軌中取得了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，能夠適用于設(shè)計(jì)速度100 km/h、軸重14 t的線路。

我國正在規(guī)劃和建設(shè)的部分市域快線(如溫州和臺州)最高設(shè)計(jì)速度160 km/h，最大軸重17 t，并開行市域動車組。市域快線穿越人口密集的地段時(shí)，經(jīng)環(huán)境影響評價(jià)后需要采用特殊減振措施。目前國內(nèi)外在市域快線采用鋼彈簧浮置板的經(jīng)驗(yàn)非常有限，與市域快線運(yùn)行條件接近的幾條運(yùn)營線情況：北京地鐵14號線浮置板地段時(shí)速80 km，軸重17.5 t，開通運(yùn)營時(shí)間為2015年；上海地鐵16號線浮置板地段時(shí)速120 km，軸重16 t，開通運(yùn)營時(shí)間為2014年；日本筑波快線浮置板地段時(shí)速160 km，軸重15 t，開通運(yùn)營時(shí)間為2005年。市域快線采用鋼彈簧浮置板的關(guān)鍵技術(shù)問題是其減振效果和鋼軌動態(tài)下沉量能否同時(shí)滿足要求。鋼彈簧浮置板能否適應(yīng)市域快線這種速度快、軸重大的運(yùn)營條件，迫切需要在基礎(chǔ)理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行深入研究。

1 市域快線鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)方案

某市域快線設(shè)計(jì)速度160 km/h，軸重17 t，為了適應(yīng)以上運(yùn)營條件，在以往地鐵應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上擬定了鋼彈簧浮置板軌道方案，較以往普通地鐵工況增加了浮置板厚度和寬度，提高單位長度重量，優(yōu)化了隔振器剛度和布置方式。浮置板寬度3 400 mm，厚度510 mm，單位長度重量4.335 t/m；隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，單位長度剛度為11.0 kN/mm。浮置板布置方案如圖1～圖3所示。

2 方案減振效果分析

2.1 有限元模型及參數(shù)

建立市域快線彈簧浮置板軌道有限元模型如圖4所示，模型為三塊浮置板通過剪力鉸相連。

有限元模型的組成：

浮置板：單塊浮置板長度24.97 m，材料為C40混凝土，采用Shell單元。

鋼軌：鋼軌斷面使用我國標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌斷面，斷面積、斷面尺寸與慣性矩等與標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌一致，采用Frame單元。

扣件：扣件連接鋼軌與浮置板，垂向剛度35 kN/mm，采用Link單元。

隔振器：浮置板通過隔振器與隧道壁相連，隔振器布置見相關(guān)圖紙，隔振器采用Damper單元，輸入隔振器的等效剛度與阻尼，隔振器下部約束X，Y和Z方向位移。

剪力鉸：浮置板之間由四組剪力鉸連接，剪力鉸鉸棒為直徑45 mm鋼棒，采用Frame單元。

2.2 模態(tài)分析

通過對浮置板有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，了解隔振系統(tǒng)的振動性能。市域快線鋼彈簧浮置板各階模態(tài)固有頻率如表1所示。

表1 鋼彈簧浮置板模型固有頻率

通過鋼彈簧浮置板模態(tài)分析，可知鋼彈簧浮置板模型豎向固有頻率為7.81 Hz，如圖5所示。

2.3 浮置板插入損失計(jì)算

對鋼彈簧浮置板有限元模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，將浮置板系統(tǒng)1 Hz～200 Hz的1/3 倍頻程的浮置板系統(tǒng)分頻插入損失如圖6所示。

市域快線鋼彈簧浮置板從11 Hz左右開始有減振效果。在激振頻率30 Hz以上是浮置板系統(tǒng)計(jì)算隔振效果可達(dá)20 dB以上。

2.4 隔振效果計(jì)算

根據(jù)多次地鐵測試的結(jié)果，計(jì)算出1/3倍頻程的普通整體道床隧道壁的分頻加速度級。利用1 Hz～200 Hz的1/3倍頻程的浮置板系統(tǒng)分頻插入損失，對普通整體道床隧道壁的加速度的減振效果進(jìn)行隔振效果分析。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13441.1—2007機(jī)械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價(jià)第1部分——一般要求，計(jì)算普通整體道床系統(tǒng)、鋼彈簧浮置板系統(tǒng)隧道壁計(jì)權(quán)加速度分頻振級如圖7所示，總計(jì)權(quán)加速度的振級如表2所示。分析結(jié)果表明，鋼彈簧浮置板系統(tǒng)總振級插入損失即減振效果可達(dá)18 dB以上。

表2 隧道壁計(jì)權(quán)加速度總振級

道床形式總計(jì)權(quán)加速度/m·s-2總振動級/dB總振級插入損失/dB整體道床0.008178.1—鋼彈簧浮置板0.0007357.220.9

2.5 鋼軌動態(tài)下沉量計(jì)算

分別計(jì)算了北京14號線、上海16號線、日本筑波線、市域快線在列車通過時(shí)鋼軌動態(tài)下沉量如表3所示。

表3 鋼軌動態(tài)下沉量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，市域快線計(jì)算的鋼軌動態(tài)下沉量為1.7 mm，優(yōu)于已運(yùn)營線路北京14號線與上海16號線的鋼彈簧浮置板，與日本駐波快線的動態(tài)下沉量相當(dāng)。鋼軌水平位移為0.5 mm，優(yōu)于已運(yùn)營線路北京14號線、上海16號線的鋼彈簧浮置板與日本駐波快線。四種條件下浮置板動態(tài)下沉量滿足不宜大于3 mm的要求[1]。

3 結(jié)語

1)市域快線鋼彈簧浮置板系統(tǒng)方案理論計(jì)算的總振級插入損失即減振效果18 dB以上。鋼軌動態(tài)下沉量滿足相關(guān)規(guī)范不宜大于3 mm的要求。

2)結(jié)合已運(yùn)營線路北京14號線、上海16號線的鋼彈簧浮置板與日本駐波快線時(shí)速160 km/h彈簧浮置板軌道既有工程案例，通過市域快線與以上既有線對比分析，市域快線特殊減振地段采用鋼彈簧浮置板是可行的。

[1] CJJ/T 191—2012,浮置板軌道技術(shù)規(guī)范[S].

Study on steel-spring floating slab track of 160 km/h urban expressway

Li Zijie

(Wuhan2ndMiddleSchool,Wuhan430010,China)

In light of actual operation conditions of urban expressway, the paper optimizes steel-spring floating slab track scheme, establishes finite element model of steel-spring floating slab track, and analyzes vibration performance and damping effect. Results show that: the damping effect of the optimized steel-spring floating slab scheme is over 18dB; dynamic steel track settlement meet demands; applying steel-spring floating slab in special urban expressway damping section.

urban expressway, damping effect, steel-spring floating slab, finite element model

1009-6825(2017)10-0141-03

2017-01-18

李子杰(2000- )，男，學(xué)生

U213.2

A