市域快軌鋼彈簧浮置板減振道床設(shè)計(jì)研究

謝 龍 王羽杰

(1.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266021； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

我國軌道交通工程減振設(shè)計(jì)是軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。一般情況下，減振等級(jí)按照環(huán)評(píng)預(yù)測(cè)超標(biāo)量分為中等減振，高等減振和特殊減振三個(gè)等級(jí)。鋼彈簧浮置板減振道床廣泛地應(yīng)用于高等減振和特殊減振。傳統(tǒng)地鐵工程的鋼彈簧浮置板減振道床設(shè)計(jì)技術(shù)方案成熟可靠、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修也積累了相當(dāng)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，國家住建部和部分城市的地鐵公司業(yè)已頒布了鋼彈簧浮置板相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。但是我國在市域快速軌道交通工程方面，減振方案很少采用鋼彈簧浮置板道床減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較多地則采用了減振墊等其他減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 國內(nèi)外快軌交通鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)簡介

日本筑波快線，連接?xùn)|京市秋葉原站與筑波市筑波站之間的通勤快軌交通，線路全長58.3 km,設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，列出軸重15 t。個(gè)別段落采用了鋼彈簧浮置板減振軌道，位于明挖結(jié)構(gòu)范圍，軌道結(jié)構(gòu)高度設(shè)計(jì)值為850 mm。浮置板寬度2.625 m，厚度536 mm，單位長度質(zhì)量3.38 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，左右對(duì)稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2×0.625)=10.6 kN/mm。

韓國首爾—釜山高速鐵路，采用法國TGV列車，線路總長420 km，設(shè)計(jì)速度為350 km/h。天安站站臺(tái)層坐落于高檔物業(yè)建筑的頂層，為避免列車運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)對(duì)建筑物及室內(nèi)人員的影響，設(shè)計(jì)采用鋼彈簧隔振器將整個(gè)軌行區(qū)與建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隔振處理，該鋼彈簧減振結(jié)構(gòu)為現(xiàn)階段鋼彈簧隔振器應(yīng)用的最高運(yùn)營速度案例。

國內(nèi)地鐵設(shè)計(jì)速度120 km/h且正式投入運(yùn)營、采用鋼彈簧浮置板減振設(shè)計(jì)的有上海地鐵16號(hào)線、廣州地鐵機(jī)場(chǎng)線、東莞地鐵2號(hào)線、青島地鐵13號(hào)線等；市域快軌交通工程設(shè)計(jì)速度為140 km/h、采用鋼彈簧浮置板減振設(shè)計(jì)的有成都地鐵18號(hào)線，暫未開通運(yùn)營。國內(nèi)市域快軌或市域鐵路工程未見設(shè)計(jì)速度大于140 km/h且采用鋼彈簧浮置板減振設(shè)計(jì)的線路。

3 市域快軌鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)方案研究

鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)可提供最佳的隔振性能和橫向穩(wěn)定性。系統(tǒng)固有頻率7 Hz～10 Hz，分頻振級(jí)插入損失達(dá)20 dB～30 dB，Z振級(jí)減振效果15 dB～25 dB。

3.1 鋼彈簧浮置板軌道參數(shù)影響分析

利用解析法和有限元方法對(duì)浮置板系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了分析，并研究了主要參數(shù)對(duì)其振動(dòng)模態(tài)影響規(guī)律，可以得到以下結(jié)論：

1)浮置板垂向振動(dòng)主要表現(xiàn)為剛體浮沉、軌道板垂向彎曲和軌道板翹曲，隨著軌道板長度增加，軌道板的一階彎曲會(huì)與剛體浮沉發(fā)生耦合。因此對(duì)于短浮置板和中型浮置板應(yīng)關(guān)注其剛體模態(tài)，連續(xù)型浮置板應(yīng)主要關(guān)注其低階彎曲模態(tài)。

2)浮置板系統(tǒng)的模態(tài)頻率隨著垂向支承剛度的線性減小呈二次下降趨勢(shì)，隔振器間距的變化會(huì)直接影響軌道板的平均支承剛度，因而間距增大會(huì)使浮置板軌道系統(tǒng)低階模態(tài)頻率呈二次下降趨勢(shì)。但間距增大會(huì)增加浮置板結(jié)構(gòu)受列車荷載作用時(shí)的撓曲變形，對(duì)結(jié)構(gòu)安全、耐久性可能會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3)浮置板系統(tǒng)的模態(tài)頻率隨浮置板質(zhì)量增加而減小，隨浮置板彈性模量減小而減小，較大幅度提升其配筋率來滿足增加浮置板質(zhì)量的做法比簡單增加混凝土等級(jí)更易降低浮置板系統(tǒng)的固有頻率。

4)扣件剛度，隔振器橫向剛度對(duì)浮置板軌道系統(tǒng)的垂向振動(dòng)模態(tài)影響不顯著。

3.2 鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)思路

《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定浮置板軌道固有頻率宜為6 Hz～16 Hz，固有頻率與質(zhì)量及單位長度支承剛度有關(guān)，具體表達(dá)如下：

浮置板固有頻率與支承剛度及浮置板軌道質(zhì)量的關(guān)系如圖1所示。

從圖1可知，要達(dá)到浮置板軌道系統(tǒng)某一要求的固定頻率，可以通過降低支承剛度或增大單位長度質(zhì)量解決。針對(duì)市域快軌工程，降低支承剛度不利于行車，首先應(yīng)將浮置板單位長度質(zhì)量盡最大可能做到最大，同時(shí)，為保證浮置板系統(tǒng)的安全性，必須考慮支承剛度對(duì)道床板安全性的影響。

3.3 鋼彈簧浮置板減振性能分析

利用車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)方法建立連續(xù)型浮置板軌道—列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。其中軌道板考慮為彈性體，利用有限元方法建立浮置板模型，并通過模態(tài)分析創(chuàng)建軌道板的子結(jié)構(gòu)文件。為了準(zhǔn)確反映浮置板間的相互作用，消除邊界效應(yīng)，采用3塊浮置板相連模型，利用彈簧力元來模擬相鄰浮置板間剪力鉸的作用，將中間板及隔振器作為研究對(duì)象。列車考慮為多剛體系統(tǒng)，每節(jié)車包括1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4條輪對(duì)和8個(gè)軸箱，共計(jì)15個(gè)剛體。為了能準(zhǔn)確反映車輛載荷特征，且保證有足夠的計(jì)算速度，故考慮為兩節(jié)編組。

建立有限元模型分析以下三種方案鋼彈簧浮置板的鋼軌動(dòng)力學(xué)位移。動(dòng)力學(xué)位移為列車通過時(shí)的軌面絕對(duì)位移扣減靜軸重所產(chǎn)生的軌面下沉量后的剩余值。

方案一：普通地鐵鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)。

鋼軌為60 kg/m、扣件為彈性分開式扣件，剛度35 kN/mm，軌枕間距0.625 m、鋼彈簧浮置板厚度340 mm，單位長度重量2.5 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-3-2布置，即5個(gè)軌枕間距布置兩對(duì)隔振器，左右對(duì)稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2.5×0.625)=8.5 kN/mm。

方案二：板厚370 mm鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)方案。

本方案鋼軌為60 kg/m、扣件為彈性分開式扣件，剛度35 kN/mm，軌枕間距0.6 m，鋼彈簧浮置板厚度370 mm，單位長度重量3.39 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，左右對(duì)稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2×0.6)=11 kN/mm。本方案與日本筑波線基本相當(dāng)。

方案三：板厚420 mm鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)方案。

本方案為方案二的改進(jìn)方案，鋼軌為60 kg/m、扣件同樣為彈性分開式扣件，剛度35 kN/mm，軌枕間距0.6 m，鋼彈簧浮置板厚度420 mm，單位長度重量3.8 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，左右對(duì)稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2×0.6)=11 kN/mm。

列車通過時(shí)鋼軌動(dòng)力學(xué)位移如表1所示。根據(jù)表1分析得知，若采用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼軌動(dòng)力學(xué)位移為1.51 mm，優(yōu)于普通地鐵鋼彈簧浮置板，若采用方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)，浮置板單位長度質(zhì)量增加12%，鋼軌豎向動(dòng)力學(xué)位移由1.51 mm減小至1.44 mm，減少4.6%，行車條件將進(jìn)一步改善。

表1 三種不同板厚對(duì)應(yīng)的鋼軌動(dòng)力學(xué)位移表

對(duì)比以上三種方案，推薦在市域快軌交通工程中鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)采用方案三，保證鋼軌動(dòng)態(tài)下沉量的同時(shí)，達(dá)到規(guī)范要求的固頻，從而保證浮置板減振效果可滿足要求。具體建議為鋼軌采用60 kg/m、扣件采用彈性分開式扣件(剛度30 kN/mm～35 kN/mm)、軌枕間距0.6 m、鋼彈簧浮置板厚度420 mm，浮置板寬度根據(jù)盾構(gòu)管片直徑調(diào)整為4.2 m，單位長度重量4.17 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，左右對(duì)稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2×0.6)=11 kN/mm。較普通地鐵鋼彈簧浮置板軌道剛度增加29.4%，浮置板質(zhì)量增加67%，見圖2。

4 結(jié)語

市域快軌交通工程列車運(yùn)行速度較高，列車軸重與地鐵A型車相當(dāng)，如何在保證鋼軌動(dòng)態(tài)位移與結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，又能兼顧鋼彈簧浮置板的減振性能是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。降低隔振器的支承剛度雖然可以起到較好的減振效果，但同時(shí)會(huì)增加鋼軌的動(dòng)態(tài)下沉量，影響行車安全；增加浮置板質(zhì)量亦可達(dá)到較好的減振效果，但又會(huì)增加土建投資和影響接觸網(wǎng)的安裝空間。本文綜合考慮了隔振器支承剛度、浮置板單位質(zhì)量等因素，提出了推薦方案，其他市域快軌工程可根據(jù)其自身特點(diǎn)，綜合比選后進(jìn)行設(shè)計(jì)參考。