市域快線(xiàn)新型鋼彈簧浮置板軌道設(shè)計(jì)與施工

摘 要：鋼彈簧浮置板軌道是城市軌道交通中常用的振動(dòng)控制措施之一，具有良好的減振性能。針對(duì)時(shí)速120km/h、大軸重的市域快線(xiàn)工況，本文提出了一種在單塊預(yù)制浮置板中設(shè)置內(nèi)置式隔振器與端部共享隔振器的組合布置方案，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)該方案下車(chē)輛運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性以及軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和減振效果等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，本文所提出方案能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。此外，本文簡(jiǎn)述了新型隔振器組合布置方案的施工步驟及設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)，對(duì)類(lèi)似軌道工程項(xiàng)目具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：地鐵軌道；鋼彈簧預(yù)制浮置板；有限元模型

中圖分類(lèi)號(hào)：U 23" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市交通壓力增加，特別是對(duì)人口密集且交通需求旺盛的大城市來(lái)說(shuō)，發(fā)展快速、高效、環(huán)保的公共交通系統(tǒng)顯得尤為重要。市域快線(xiàn)作為連接城市中心與郊區(qū)、衛(wèi)星城的重要交通方式，其快速性和舒適性直接影響城市交通的效率和居民出行體驗(yàn)。市域軌道交通系統(tǒng)為居民生活提供了極大便利，但同時(shí)也衍生出很多問(wèn)題，例如列車(chē)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲愈加嚴(yán)重，非常需要一種高效減振措施來(lái)解決[1]。目前國(guó)內(nèi)浮置板軌道系統(tǒng)在時(shí)速100km及以下的運(yùn)用已較為成熟，但傳統(tǒng)的鋼彈簧浮置板在市域快線(xiàn)中應(yīng)用較少，且大多以現(xiàn)澆工法為主。

本文提出了一種適用于時(shí)速120km/h市域快線(xiàn)的新型裝配式鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)方案。通過(guò)建立ABAQUS列車(chē)-軌道-隧道-土體整體分析模型，研究該新型鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)方案下車(chē)輛的安全性、平穩(wěn)性、浮置板軌道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、減振效果等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，對(duì)該新型浮置板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及應(yīng)用效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。此外，本文還提出了新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道的施工步驟及設(shè)計(jì)施工過(guò)程中的要點(diǎn)問(wèn)題，以期為城市快速軌道交通線(xiàn)路鋼彈簧浮置板軌道的設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

1 鋼彈簧浮置板方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

軌道交通中的車(chē)輛與軌道是密不可分、相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，而輪軌間的接觸是連接車(chē)輛與軌道系統(tǒng)的界面，輪軌系統(tǒng)通過(guò)輪軌相互作用形成了一個(gè)整體，其相互作用關(guān)系如圖1所示。

當(dāng)設(shè)計(jì)地鐵軌道鋼彈簧浮置板隔振器方案時(shí)，需要利用數(shù)值模擬等方法評(píng)估該設(shè)計(jì)方案下車(chē)輛與軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)效果，保證設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到所預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)軸重：A型車(chē)，軸重17t。最高運(yùn)營(yíng)速度：120km/h。軌道結(jié)構(gòu)高度：盾構(gòu)隧道940mm。

采用1435mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，全線(xiàn)設(shè)雙線(xiàn)。采用60kg/m鋼軌，鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路。

扣件：WJ-14型，扣件高度最小為35mm，軌底坡1∶40在預(yù)制板承軌臺(tái)實(shí)現(xiàn)，扣件間距600mm。

2 新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)本條線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)條件，在以往地鐵應(yīng)用設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加了鋼彈簧預(yù)制板隔振器的剛度，優(yōu)化了隔振器布置方式。浮置板板寬為2600mm，板厚為340mm，板長(zhǎng)為4.765m。中間采用4組內(nèi)置式隔振器，豎向剛度值為7.5kN/mm。板端采用4組共享隔振器，豎向剛度值為27.26kN/mm。預(yù)制板之間采用2組上置式剪力鉸連接。布置方案如圖2、圖3所示。

3 鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道系統(tǒng)仿真分析

3.1 車(chē)輛-軌道-隧道耦合動(dòng)力學(xué)分析模型與參數(shù)

3.1.1 車(chē)輛模型

車(chē)輛模型可視為多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，其由車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)及彈簧-阻尼器懸掛系統(tǒng)裝置組成。根據(jù)A型車(chē)情況，設(shè)計(jì)軸重為17t，在ABAQUS部件模塊中按規(guī)定尺寸分別建立車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)，通過(guò)標(biāo)志點(diǎn)、笛卡爾梁、MPC梁對(duì)各部件進(jìn)行裝配，并設(shè)置各部件的質(zhì)量、慣量等參數(shù)，即可建立車(chē)輛模型。建立的車(chē)輛模型如圖4所示。

3.1.2 鋼彈簧浮置板軌道模型

鋼彈簧浮置板軌道是在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，利用鋼彈簧對(duì)鋼筋混凝土道床進(jìn)行支撐，并通過(guò)扣件將鋼軌部件與道床板進(jìn)行固定。

當(dāng)建模時(shí)，考慮鋼筋作用對(duì)浮置板材料密度及強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，浮置板材料為C50混凝土。鋼軌60kg/m采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體縮減積分單元（C3D8R）模擬。在模型中，鋼軌支承采用離散方式，考慮軌枕的作用，在與軌枕相連的扣件處，采用4個(gè)連接點(diǎn)與鋼軌相連，鋼軌的縱向網(wǎng)格尺寸取0.05m。鋼軌通過(guò)扣件與道床板連接，為簡(jiǎn)化模型，不考慮扣件的非線(xiàn)性，只考慮扣件的線(xiàn)彈性，將鋼軌與道床板間的連接視為彈簧-阻尼連接，通過(guò)設(shè)置彈簧阻尼單元并在豎向、橫向、縱向方向上分別設(shè)置其剛度值和阻尼值，對(duì)鋼軌與道床板間連接關(guān)系進(jìn)行模擬。此外，道床板模擬采用實(shí)體單元，并約束其端部旋轉(zhuǎn)。采用豎向、橫向、縱向剛度值及阻尼值的彈簧-阻尼單元進(jìn)行模擬，可有效模擬隔振器的連接及限位作用。

3.1.3 隧道模型

在隧道與土體模型中，為消除邊界條件影響，建模時(shí)選取了150m×100m×60m的大土體結(jié)構(gòu)，隧道斷面為圓形，如圖5所示?；?、管片和土體均采用實(shí)體單元模擬，土體采用巖土工程中應(yīng)用十分廣泛的Mohr-Coulomb模型，管片和基底采用線(xiàn)彈性模型。本文假設(shè)土體與管片之間、管片與基底之間接觸良好，不考慮結(jié)構(gòu)間相對(duì)位移。

3.2 列車(chē)運(yùn)行安全性分析

列車(chē)與軌道間的輪軌垂向、橫向作用力、輪重減載率、脫軌系數(shù)是評(píng)價(jià)車(chē)輛運(yùn)行安全性的重要指標(biāo)。

本次分析基于120km/h運(yùn)營(yíng)速度線(xiàn)路進(jìn)行運(yùn)行安全性分析?？梢酝ㄟ^(guò)輪軌垂向及橫向力這兩個(gè)指標(biāo)評(píng)估列車(chē)運(yùn)行安全性，基于仿真模型計(jì)算，其結(jié)果如圖6、圖7所示。根據(jù)圖6及圖7可知，新型浮置板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案下計(jì)算的最大輪軌垂向力為99.40kN，最大橫向力為16.12kN。本文中的列車(chē)型號(hào)為A型車(chē)，軸重為17t，因此輪軌橫向力限值取68kN（一般采用軸重的0.4倍），說(shuō)明輪軌橫向力小于限值，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

輪重減載率和脫軌系數(shù)亦可用于評(píng)估列車(chē)運(yùn)行安全性。輪重減載率是評(píng)價(jià)運(yùn)行列車(chē)因單側(cè)車(chē)輪減載而產(chǎn)生的脫軌風(fēng)險(xiǎn)的安全性指標(biāo)。脫軌系數(shù)為輪軌橫向力和垂向力之比，數(shù)值越大表明列車(chē)脫軌風(fēng)險(xiǎn)越大。脫軌系數(shù)時(shí)程曲線(xiàn)如圖8所示，輪重減載率時(shí)程曲線(xiàn)如圖9所示，計(jì)算最大脫軌系數(shù)和輪軌減載率分別為0.212和0.418，均滿(mǎn)足《機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB/T 5599—2019）[2]中的限值要求，車(chē)輛運(yùn)行安全性可以得到保障。

3.3 列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性分析

車(chē)輛的運(yùn)行平穩(wěn)性是評(píng)估其動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，其中，Sperling指標(biāo)可以有效評(píng)估列車(chē)本身的運(yùn)行舒適度，是國(guó)內(nèi)常用的平穩(wěn)性評(píng)估方法[3]?；诮⒌臄?shù)值仿真模型，計(jì)算列車(chē)行車(chē)速度120km/h條件下的車(chē)體垂向加速度及車(chē)體橫向加速度時(shí)程曲線(xiàn)，如圖10、圖11所示，其中，車(chē)體垂向加速度和橫向加速度峰值分別為0.282m/s2和0.140m/s2。計(jì)算的垂向和橫向Sperling指標(biāo)W分別為1.717和1.461，小于相關(guān)規(guī)范[2]中的限值（平穩(wěn)性Ⅰ級(jí)，W≤2.5），說(shuō)明列車(chē)行車(chē)平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)價(jià)為優(yōu)，可滿(mǎn)足乘客的舒適性需求。

3.4 軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

軌道的動(dòng)力響應(yīng)選用鋼軌垂向位移和浮置板垂向位移作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。基于圖12及圖13的鋼軌位移和浮置板位移時(shí)程曲線(xiàn)可知，本文工況下計(jì)算的對(duì)應(yīng)鋼軌最大豎向位移為3.49mm，浮置板最大豎向位移為2.67mm，各指標(biāo)均滿(mǎn)足《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T191—2012）[5]中的限制要求，說(shuō)明在120km/h的市域快線(xiàn)列車(chē)作用下，本文所述的新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性。

3.5 減振效果分析

選取隧道壁處作為計(jì)算點(diǎn)，以該處振動(dòng)加速度來(lái)計(jì)算浮置板軌道系統(tǒng)的垂向振動(dòng)指標(biāo)。基于本文工況及所建立的仿真計(jì)算模型，可以得到圖14所示的普通道床和鋼彈簧浮置板的隧道壁1/3倍頻程振級(jí)曲線(xiàn)。

根據(jù)圖14可知，在12Hz附近（與系統(tǒng)固有頻率接近），浮置板軌道與普通道床的總振級(jí)十分接近，說(shuō)明當(dāng)外界激勵(lì)頻率與鋼彈簧浮置板系統(tǒng)固有頻率趨于一致時(shí)，鋼彈簧浮置板并不能起到較好的減振效果。當(dāng)頻率較高時(shí)，浮置板軌道與普通道床的總振級(jí)相差較大，減振效果較好。

分別對(duì)鋼彈簧浮置板道床與普通道床的各頻率段振級(jí)進(jìn)行計(jì)權(quán)計(jì)算，可得出普通道床與鋼彈簧浮置板道床的總振級(jí)分別為80.55dB和65.32dB，從而可計(jì)算出鋼彈簧浮置板的減振效果為兩者差值15.23dB。

綜上可知，在新型鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)的固有頻率處，系統(tǒng)的減振效果較為一般，且軌道系統(tǒng)在高、低頻段的減振效果有明顯差異，表現(xiàn)為高頻段減振能達(dá)到更好的效果。通過(guò)計(jì)權(quán)計(jì)算得到的浮置板系統(tǒng)整體減振效果可以達(dá)到15dB以上，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)要求（≥15dB）。

4 新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道施工

本工程軌道的作業(yè)施工具有施工周期緊、精確度和作業(yè)質(zhì)量要求高、不同工種同時(shí)施工、高環(huán)保性等特點(diǎn)。為了能夠高效完成新型方案的工程，并達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，施工步驟如圖15所示。

5 設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)重視的問(wèn)題

軌道工程涉及多工種、多專(zhuān)業(yè)且存在接口和施工干擾大等問(wèn)題?；诟鲗?zhuān)業(yè)方向的設(shè)計(jì)進(jìn)度不完全一致，且設(shè)計(jì)存在變更、疏漏等客觀情況，因此需要在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，對(duì)全過(guò)程進(jìn)行管控。

當(dāng)施工時(shí)，各類(lèi)專(zhuān)業(yè)管線(xiàn)如信號(hào)、電力通信、給排水等須預(yù)埋于道床中，其預(yù)埋點(diǎn)位、尺寸、數(shù)量等需要各相關(guān)專(zhuān)業(yè)在施工開(kāi)始前確定。

在設(shè)計(jì)開(kāi)始前，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)須考慮軌道結(jié)構(gòu)高度差異，在軌道結(jié)構(gòu)竣工后，應(yīng)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)調(diào)線(xiàn)調(diào)坡進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其符合軌道結(jié)構(gòu)高度。

在浮置板地段，施工時(shí)要嚴(yán)格控制基底的高程，將施工誤差控制為0～-5mm。一般位置平整度要求±2mm/㎡。尤其注意曲線(xiàn)段基底為斜線(xiàn)，中心水溝模板處由于混凝土自流性，因此外側(cè)容易高，內(nèi)側(cè)容易低。在澆筑完成后按規(guī)范要求進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

在頂升過(guò)程中，所有工具、配件必須妥善放置，嚴(yán)禁雜物掉入浮置板周邊縫隙，若發(fā)現(xiàn)則須及時(shí)清出。如果與浮置板道床相接的整體道床在浮置道床頂升后進(jìn)行施工，就不能讓澆筑的混凝土進(jìn)入浮置板道床頂升后形成的間隙內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的時(shí)速120km/h市域快線(xiàn)新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道設(shè)計(jì)方案合理可行，計(jì)算分析結(jié)果滿(mǎn)足車(chē)輛運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，理論計(jì)算的總振級(jí)插入損失即減振效果達(dá)到15dB以上，符合設(shè)計(jì)要求。

本文簡(jiǎn)述新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道的施工過(guò)程，并針對(duì)軌道工程設(shè)計(jì)、施工涉及專(zhuān)業(yè)面廣、設(shè)計(jì)施工對(duì)接不同步等特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中的重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)歸納，為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供了借鑒。

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