城市軌道鋼彈簧浮置板隔振器設(shè)置方案研究

范先知

(中鐵十五局集團(tuán)路橋建設(shè)有限公司 江蘇南京 210031)

1 引言

城市地鐵軌道減振降噪形式越來越多，從傳統(tǒng)采用軌道扣件進(jìn)行普通、中等減振，到現(xiàn)在的高等、特殊減振道床“鋼彈簧浮置板”技術(shù)。鋼彈簧浮置板道床是近年來地鐵行業(yè)采用的一種新型高等級軌道隔振主流技術(shù)裝置，是將具有一定參振質(zhì)量的鋼筋混凝土道床板懸浮固定于特定剛度的阻尼彈簧隔振器上[1]，構(gòu)成“質(zhì)量-彈簧”隔振系統(tǒng)，具有三維彈性和穩(wěn)定性，且能抑制和吸收固體聲傳導(dǎo)，從而減小軌道交通對周邊環(huán)境振動和噪聲影響。本文對鋼彈簧浮置板道床隔振器設(shè)置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化分析，以達(dá)到提高減振效果，提升列車運(yùn)行平穩(wěn)性的目的。

2 工程概況

合肥市軌道交通4號線為一條西至東北方向L型“骨干線”，線路全長35.7 km，全部為地下線。西側(cè)起于雞鳴山站，北端止于東方大道站。單線鋪軌長度92.754 km，其中特殊減振長度為2.272 km，高等減振長度為1.828 km。特殊及高等減振道床均采用鋼彈簧浮置板形式。鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)是一種特殊減振軌道結(jié)構(gòu)形式[2]，由道床板、基底、鋼彈簧隔振器、剪力鉸、密封條、水平限位裝置、鋼軌與扣件等組成，如圖1所示。將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板置于鋼彈簧隔振器上，構(gòu)成質(zhì)量-彈簧-隔振系統(tǒng)。鋼彈簧浮置板按阻尼不同分為液體阻尼和固體阻尼兩種，分別適用于特殊減振和高等減振道床[3]。鋼彈簧浮置板道床系統(tǒng)對于輪軌振動隔振效率可達(dá)到95%。

圖1 鋼彈簧浮置板道床橫斷面

3 原設(shè)計(jì)方案

標(biāo)準(zhǔn)道床板原設(shè)計(jì)方案長度為25 m，板厚340 mm，板端隔振器采用加密布置，垂向剛度為5.33 kN/mm；板中隔振器按2～3間距布置，垂向剛度為6.66 kN/mm。板下總剛度為229.12 kN/mm。隔振器按照1-1-3-2-3-2-3-2-3-2-3-2-3-2-3-2-3-1方式，沿左、右軌對稱布置(數(shù)字代表間隔軌枕數(shù)量)，整板用隔振器數(shù)量共計(jì)36個，其中板端用隔振器8個、板中用隔振器28個，如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)板原設(shè)計(jì)隔振器布置(單位:mm)

4 方案優(yōu)化原因

4.1 隔振器形式不統(tǒng)一

原25 m標(biāo)準(zhǔn)板設(shè)計(jì)方案板端和板中用隔振器垂向剛度分別為5.33 kN/mm和6.66 kN/mm，形式不統(tǒng)一，給施工及后期維護(hù)增加了難度，且數(shù)量較多、整板重量較大，對施工影響較大。

4.2 板端平順性較差

原標(biāo)準(zhǔn)板隔振器垂向剛度為6.66 kN/mm及5.33 kN/mm，其中6.66 kN/mm剛度隔振器用于浮置板板中位置，5.33 kN/mm剛度隔振器連續(xù)兩組布置于浮置板板端位置，經(jīng)計(jì)算及線上實(shí)測結(jié)果顯示:浮置板端垂向位移較小，存在剛度突變，不利于浮置板間平順性[4]。根據(jù)測試結(jié)果分析，浮置板板端隔振器并排加密造成剛度突變，板端位移與板中位移差值較大，最大值超過1 mm，不利于行車平穩(wěn)性。為提高浮置板間平順性，需對浮置板隔振器布置方式進(jìn)行優(yōu)化。

4.3 減振效果有提升空間

鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)是具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板置于鋼彈簧隔振器上，構(gòu)成的質(zhì)量-彈簧-隔振系統(tǒng)[5]。由隔振器進(jìn)行調(diào)諧、吸收能量，達(dá)到減隔振的目的。

該質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)固有頻率可采用豎向單自由度模型簡化計(jì)算:

式中:K為浮置板系統(tǒng)隔振器豎向剛度；M為浮置板系統(tǒng)質(zhì)量。

浮置板系統(tǒng)頻率一般為6～16 Hz，在此范圍內(nèi)，固頻越低減振效果越好。浮置板隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為:應(yīng)使浮置板結(jié)構(gòu)垂向頻率低于地鐵車輛運(yùn)行時的激振頻率倍以下，方可起到隔振作用。

上述理論基于單自由度理想模型，工程中實(shí)際浮置板下隔振器數(shù)量較多，為多自由度體系。對于多自由度浮置板系統(tǒng)，其板下隔振器分配應(yīng)盡可能均勻，使浮置板在豎直方向變形均勻，近似于一個整體，才更接近于豎直方向上的單自由度體系[6]。而現(xiàn)有浮置板板端隔振器加密布置，剛度較大，容易形成類似于兩端簡支的梁模型，浮置板自重下垂向變形更接近于彎曲而不是豎直方向的上下平動，不利于浮置板配重整體減振。

5 優(yōu)化方向

5.1 隔振器布置方案優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)有隔振器布置方案存在的問題，經(jīng)多方案仿真計(jì)算和比選，提出優(yōu)化方案如下:

優(yōu)化隔振器布置，以25 m標(biāo)準(zhǔn)板為例，隔振器按1-2-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-2方式，沿左、右軌對稱布置(數(shù)字代表間隔軌枕數(shù)量)，整板用隔振器數(shù)量共計(jì)30個。優(yōu)化后隔振器布置如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)板隔振器優(yōu)化布置(單位:mm)

5.2 隔振器選型優(yōu)化

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，隔振器垂向剛度統(tǒng)一采用7.5 kN/mm。隔振器通過型式檢驗(yàn)和鐵科院各項(xiàng)測試，各項(xiàng)指標(biāo)(剛度、阻尼及疲勞性能等)均滿足設(shè)計(jì)要求[7]，已在成都、洛陽等城市軌道交通線路應(yīng)用，運(yùn)行情況良好。

6 仿真計(jì)算與分析

6.1 三維建模

采用有限元軟件建立車輛-軌道-浮置板-隧道-土體耦合三維動力有限元模型，對浮置板工作性能進(jìn)行仿真計(jì)算。采用大土體結(jié)構(gòu)建模，基底和土體均采用實(shí)體單元模擬，其中土體采用Mohr-Coulomb模型，基底采用線彈性模型。假設(shè)土體與基底之間接觸良好，不考慮結(jié)構(gòu)間相對位移[8-9]。

6.2 標(biāo)準(zhǔn)浮置板動力響應(yīng)

采用液體阻尼鋼彈簧，彈條為DTⅥ2型扣件，扣件靜剛度約30～35 kN/mm。

(1)垂向位移

經(jīng)計(jì)算列車經(jīng)過鋼彈簧浮置板道床時，浮置板動態(tài)最大垂向位移為2.81 mm，鋼軌動態(tài)最大垂向位移為3.67 mm，滿足《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 191—2012)中“浮置板豎向位移不應(yīng)大于3 mm及鋼軌垂向位移不應(yīng)大于4 mm的要求。

(2)減振效果

①固有頻率

浮置板固有頻率可采用豎向單自由度模型簡化計(jì)算。

根據(jù)式(1)，得出矩形隧道內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)板固有頻率為8.46 Hz。

②分頻最大Z振級

對普通整體道床及浮置板整體道床隧道壁垂向加速度進(jìn)行傅里葉變化，可得到普通道床斷面、浮置板斷面隧道壁垂向振動加速度級對比，如圖4所示。

圖4 浮置板隧道壁垂向加速度級對比

由圖4可知，浮置板道床相對于普通道床，在整個頻段范圍內(nèi)隧道壁垂向振動衰減效果明顯。

③最大Z振級VLZmax

按照GB/T 13441.1—2007計(jì)權(quán)得到普通整體道床VLZmax、浮置板道床VLZmax、浮置板道床相對于普通整體道床的隧道壁振動差值ΔVLZmax，見表1。

表1 浮置板道床隧道壁垂向VLZ max和ΔVLZ max

按相關(guān)規(guī)范計(jì)權(quán)得到的普通整體道床隧道壁VLZmax為 85.82 dB，浮置板道床隧道壁VLZmax為66.76 dB，兩者振動差值ΔVLZmax為19.06 dB＞16 dB，滿足不低于16 dB的要求。

6.3 行車安全性

通過軟件計(jì)算分析脫軌系數(shù)、輪重減載率，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 脫軌系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖6 輪重減載率計(jì)算結(jié)果

線段脫軌系數(shù)最大值為0.203＜1.0，曲線段輪重減載率最大值為0.14＜0.6。均滿足滿足規(guī)范《鐵道機(jī)車動力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的容許范圍第一限值要求[10]。綜上所述，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案安全性符合設(shè)計(jì)要求。

6.4 舒適度分析

(1)車體加速度

由圖7、圖8可知，列車經(jīng)過浮置板時，車體橫向加速度最大為0.146 m/s2，即0.015 g；車體垂向加速度最大值為0.093 m/s2，即0.009 g。車體振動加速度均在原鐵道部《鐵路線路修理規(guī)則》(鐵運(yùn)[2006]146號)及《城市軌道交通初期運(yùn)營前安全評估技術(shù)規(guī)范 第1部分:地鐵和輕軌》(交辦運(yùn)[2019]17號)中容許限值0.1 g和0.06 g范圍內(nèi)。

圖7 車體橫向加速度曲線

圖8 車體垂向加速度曲線

(2)Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)

根據(jù)《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，垂向和橫向平穩(wěn)性采用相同的評定等級[11]。由前文車體加速度計(jì)算得出浮置板sperling平穩(wěn)性指標(biāo)W＝1.98＜2.5，屬于一級平穩(wěn)，平穩(wěn)性優(yōu)。

6.5 平順性分析

優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)板垂向剛度更為均勻，浮置板板端與板中垂向位移值較為接近。優(yōu)化后板中垂向位移最大值為2.81 mm＜3.0 mm；板端垂向位移值為2.6 mm＜3.0 mm，二者差值為0.21 mm，浮置板平順性及整體性更好。

6.6 減振效果分析

優(yōu)化前后減振效果對比結(jié)果見表2。

表2 方案減振效果對比

由計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化后浮置板減振效果略有提升。

6.7 優(yōu)化前后指標(biāo)對比情況匯總

計(jì)算結(jié)果及其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，對比結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化方案效果對比

7 結(jié)束語

通過對比可以看出，鋼彈簧浮置板隔振器設(shè)置方案優(yōu)化后具有以下特點(diǎn):

(1)通過浮置板板下豎向剛度均勻化及適當(dāng)提高隔振器剛度等優(yōu)化設(shè)計(jì)，鋼彈簧浮置板整體性更好。

(2)通過優(yōu)化改善浮置板系統(tǒng)剛度配置，浮置板豎向位移及不同位置位移差得到優(yōu)化，浮置板系統(tǒng)平順性得到改善，行車安全性和舒適性良好，符合設(shè)計(jì)要求。

(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)后系統(tǒng)固有頻率和豎向總剛度略有降低，減振效果更好。有條件地段如適當(dāng)增加板厚，減振效果可增加1～1.5 dB左右[12]。

(4)減少了鋼彈簧隔振器型號種類，施工工程量減小，同時減少了運(yùn)營維護(hù)工作量，提高了運(yùn)營維護(hù)工作效率。

(5)通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于提高施工速度，減少施工工期。

(6)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)符合當(dāng)前行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢，目前優(yōu)化后的隔振器及布置形式已應(yīng)用于合肥地鐵4號線、5號線等項(xiàng)目。