基于橡膠混凝土的鐵路隧道減振研究

譚詩宇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

近年來，我國鐵路快速發(fā)展，給人們生活帶來了極大的便利。同時(shí)，輪軌振動(dòng)引起的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。現(xiàn)有的軌道減振措施存在以下缺點(diǎn)：減振型軌道多是在原有軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過附加減振墊層、隔振彈簧等裝置達(dá)到減振的目的[1-3]。隔振裝置的設(shè)置不僅增加了鐵路的建設(shè)成本，也給軌道工程的設(shè)計(jì)、施工以及后期的養(yǎng)護(hù)維修造成了諸多不便。另一方面，隔振裝置往往會(huì)大幅降低軌道結(jié)構(gòu)垂向剛度，導(dǎo)致列車通過時(shí)鋼軌動(dòng)位移過大，影響軌道的平順性。

橡膠混凝土是一種在混凝土組成材料中摻加橡膠微粒制成的混凝土材料[4]。列車通過時(shí)，橡膠混凝土受到振動(dòng)沖擊發(fā)生變形，能量部分儲(chǔ)存于橡膠分子鏈中，部分則消耗于橡膠分子的內(nèi)摩擦損耗，可在不附加隔振裝置的前提下達(dá)到減振的目的。

國外專家學(xué)者對橡膠混凝土的功能[5-7]、動(dòng)力特性[8]等方面進(jìn)行了一系列研究，但這些研究多集中在橡膠混凝土材料的基本力學(xué)性能方面；國內(nèi)近年來也陸續(xù)開展了橡膠混凝土在軌道交通中減振特性的研究，金浩等利用Periodic Fourier法研究了橡膠混凝土隔振基礎(chǔ)對軌道振動(dòng)的影響[9]，孫曉靜分析了橡膠混凝土整體道床的減振效果，但均未考慮橡膠混凝土道床對行車的影響[10]。

選取隧道道床回填層為研究對象，分別考慮普通混凝土和橡膠混凝土兩種工況。基于動(dòng)力學(xué)理論和有限元法，分析橡膠混凝土回填層的減振特性，以及對行車狀態(tài)、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響(如圖1)。

圖1 橡膠混凝土回填層

1 動(dòng)力學(xué)分析模型

1.1 模型建立

基于動(dòng)力學(xué)理論和有限元法，建立車輛-有砟軌道-隧道動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)的力學(xué)計(jì)算模型見圖2，利用ABAQUS建立的有限元模型如圖3。模型全長120 m，動(dòng)力響應(yīng)輸出點(diǎn)均取在模型中部位置。

圖2 車輛-有砟軌道-隧道系統(tǒng)力學(xué)模型

圖3 車輛-有砟軌道-隧道系統(tǒng)有限元模型

建模時(shí)，假設(shè)車輛為一個(gè)多剛體系統(tǒng)(見圖4)。車體和轉(zhuǎn)向架考慮點(diǎn)頭、橫向、垂向、側(cè)滾和搖頭5個(gè)自由度，輪對考慮橫向、垂向、側(cè)滾和搖頭4個(gè)自由度。采用彈簧-阻尼單元來模擬車輛的一系、二系懸掛。

圖4 車輛模型

有砟軌道模型從上至下由鋼軌、扣件、混凝土軌枕以及有砟道床組成。建模時(shí)，除扣件采用彈簧-阻尼單元模擬外，其余部件均為實(shí)體單元。為了凸顯計(jì)算結(jié)果的規(guī)律性，消除鋼軌不平順的干擾，采用平直鋼軌進(jìn)行計(jì)算。

輪軌接觸方面，輪軌法向力和橫向力分別由Hertz接觸理論和罰函數(shù)摩擦模型確定[11]。

1.2 主要計(jì)算參數(shù)

采用CRH3型高速動(dòng)車[12]，列車運(yùn)行速度取200 km/h。軌道結(jié)構(gòu)、襯砌及土體參數(shù)取值如表1。

表1 軌道結(jié)構(gòu)主要計(jì)算參數(shù)

回填層參數(shù)設(shè)置如表2[13]。

表2 隧道回填層參數(shù)

2 橡膠混凝土回填層的減振特性

相同運(yùn)營條件下，對比普通混凝土與橡膠混凝土下部基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng)，以分析橡膠混凝土回填層的減振效果。

襯砌拾振點(diǎn)位于距離軌面1.5 m高處，在襯砌拾振點(diǎn)的同一斷面上選擇土體拾振點(diǎn)，見圖5。

圖5 拾振點(diǎn)示意

2.1 時(shí)域分析結(jié)果

列車以相同的速度通過，兩種工況下部基礎(chǔ)的振動(dòng)加速度峰值見表3，圖6、圖7給出了下部基礎(chǔ)振動(dòng)加速度時(shí)程曲線的對比情況。

表3 基礎(chǔ)振動(dòng)加速度峰值對比

圖6 襯砌垂向振動(dòng)加速度

圖7 周圍土體垂向振動(dòng)加速度

由圖6、圖7可知，列車通過時(shí)，輪軌沖擊作用經(jīng)軌道結(jié)構(gòu)傳遞到下部基礎(chǔ)，襯砌及周圍土體均產(chǎn)生了明顯的振動(dòng)響應(yīng)。采用橡膠混凝土回填層后，下部基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng)幅值明顯減小。

振動(dòng)加速度峰值方面，采用普通混凝土回填層時(shí)，襯砌和周圍土體的振動(dòng)加速度峰值分別為0.176 m/s2、0.136 m/s2，采用橡膠混凝土后降為0.093 m/s2、0.088 m/s2(降幅分別為47.16%、35.29%)。由此可見，橡膠混凝土回填層的減振效果明顯。

2.2 頻域分析結(jié)果

通過傅里葉快速變換(FFT)，可獲得襯砌和周圍土體振動(dòng)響應(yīng)1/3倍頻程曲線[15]，用于分析橡膠混凝土回填層對下部基礎(chǔ)振動(dòng)頻域特性的影響，結(jié)果見圖8和圖9。

由圖6、圖7可知，隨著頻率的增加，襯砌或周圍土體的振動(dòng)加速度級(jí)整體上表現(xiàn)出先增加后較小的變化趨勢。當(dāng)振動(dòng)頻率為16 Hz時(shí)，襯砌和周圍土體的振動(dòng)加速度級(jí)達(dá)到最大。

對比兩種工況可以發(fā)現(xiàn)，采用橡膠混凝土后，襯砌、周圍土體的振動(dòng)加速度級(jí)在全頻域范圍內(nèi)均有所降低，插入損失均大于零。由此可見，橡膠混凝土回填層在全頻域內(nèi)均有減振效果，當(dāng)振動(dòng)頻率為80 Hz時(shí)，減振效果最為明顯，其中襯砌振動(dòng)加速度級(jí)減小10.3 dB，周圍土體振動(dòng)加速度級(jí)減小10.5 dB。

圖8 襯砌垂向振動(dòng)加速度級(jí)

圖9 周圍土體垂向振動(dòng)加速度級(jí)

3 車輛-軌道動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

合理的減振措施不僅能有效降低振動(dòng)對環(huán)境的影響，還能夠保證良好的行車狀態(tài)和軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)[16]。為了分析橡膠混凝土回填層對行車狀態(tài)及軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，對兩種工況下車輛和軌道結(jié)構(gòu)的各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對比分析。表4列出了兩種工況下車輛及軌道結(jié)構(gòu)各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)峰值，各動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線如圖10所示。

由圖10可以看出：

(1)車輛動(dòng)力響應(yīng)方面，采用橡膠混凝土回填層后，車輛各動(dòng)力學(xué)響應(yīng)變化較小，其中車體垂向加速度減小4.00%，輪軌垂向力減小0.09%，脫軌系數(shù)增加1.41%，輪重減載率減小0.72%，車輛各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均小于我國規(guī)范規(guī)定的限值。由此可見，橡膠混凝土回填層在發(fā)揮減振效果的同時(shí)，能夠保證列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行，且不會(huì)加劇輪軌相互作用。

表4 車輛-軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)峰值對比

圖10 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

(2)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)方面，由于在回填層中摻加了橡膠微粒，使得軌道結(jié)構(gòu)支承剛度降低，列車通過時(shí)，鋼軌、軌枕、道床的垂向位移均有所增加，增幅分別為2.06%、9.48%和18.58%。軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)方面，鋼軌、軌枕、道床的垂向振動(dòng)加速度分別增加2.50%，減小1.00%和8.54%，變化較小。

4 結(jié)論

(1)橡膠混凝土回填層減振、降噪效果明顯。相較于普通混凝土，采用橡膠混凝土回填層后，襯砌的振動(dòng)加速度級(jí)減小10.3 dB，其對應(yīng)的中心頻率為80 Hz。

(2)采用橡膠混凝土回填層對車輛各動(dòng)力響應(yīng)影響較小，該減振、降噪措施可以保證列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性。

(3)橡膠混凝土回填層導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)支承剛度降低，列車通過時(shí)，軌道各結(jié)構(gòu)的垂向位移有所增大，但對軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)影響不大。