支撐形式對鋼彈簧浮置板軌道減振性能的影響

金 浩，劉維寧，趙 磊，馬 蒙，彭智勇

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；3.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

支撐形式對鋼彈簧浮置板軌道減振性能的影響

金 浩1，劉維寧2，趙 磊2，馬 蒙3，彭智勇2

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；3.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

為了改善鋼彈簧浮置板軌道的減振性能，以現(xiàn)有液壓彈簧阻尼器的布置形式為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種全新的液壓彈簧阻尼器布置形式。利用ABAQUS數(shù)值模擬軟件建立顯式計算有限元模型，施加現(xiàn)場實測的定點輪軌力。通過MATLAB編程軟件；分析兩種布置形式下，軌道板和基底的振動加速度時程、三分之一倍頻程以及Z振級。結(jié)果表明在列車輪軌力作用下，現(xiàn)有鋼彈簧浮置板軌道的軌道板振動幅值大于新型鋼彈簧浮置板軌道；同時，基底振動加速度三分之一倍頻程和Z振級分析都證實了在低頻區(qū)，新型鋼彈簧浮置板軌道具有更好的減振效果。

振動與波；鋼彈簧浮置板；時程分析；Z振級

近幾年，隨著我國城市軌道交通的大量投入運營，由輪軌耦合振動引起的環(huán)境振動問題日益突出。具有完善減振措施的鋼彈簧浮置板軌道，相比于其它軌道減振型式[1,2]，從進(jìn)入中國軌道交通市場起，在地鐵減振方面一直發(fā)揮著重要作用。

目前，對于鋼彈簧浮置板軌道的研究，大致可歸納為理論解析分析、數(shù)值模擬分析（自編程序或者商業(yè)軟件）以及測試分析（實驗室或者現(xiàn)場）。2006年，郭亞娟等[3]利用ANSYS軟件，建立了浮置板軌道系統(tǒng)的有限元模型。采用Newmark時間積分方法，模擬了列車荷載作用下，浮置板軌道結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)。2008年，丁德云等[4]應(yīng)用MIDAS/GTS軟件，對浮置板軌道進(jìn)行了三維模態(tài)分析。2009年，谷愛軍等[5]建立了三維鋼彈簧浮置板軌道有限元模型，針對不同設(shè)計參數(shù)和激振頻率，研究了該軌道結(jié)構(gòu)的動力傳遞特性和隔振效率。2011年，丁德云等[6]采用MIDAS/GTS軟件對鋼彈簧浮置板軌道進(jìn)行了動力特性研究。劉維寧等[7]利用“北京交通大學(xué)軌道減振與振動控制試驗室”進(jìn)行了鋼彈簧浮置板軌道低頻特征測試，研究了鋼彈簧浮置板軌道彈簧剛度和支承間距等參數(shù)變化對低頻振動的影響，并比較了鋼彈簧浮置板軌道和普通軌道的低頻減振效果。2012年，肖安鑫等[8]通過不同鋼彈簧浮置板軌道地段車內(nèi)噪聲的對比測試，分析了鋼彈簧浮置板軌道對車內(nèi)噪聲的影響。韋紅亮等[9]分別采用有限元和現(xiàn)場試驗方法，從時頻域角度對高架鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振特性進(jìn)行了分析。2013年，蔣崇達(dá)等[10]利用ANSYS軟件建立了鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)的雙層梁動力學(xué)模型，通過瞬態(tài)分析模擬了列車移動荷載通過鋼彈簧浮置板軌道時的動力響應(yīng)。

在以上研究的基礎(chǔ)上，本文探討了一種全新的液壓彈簧阻尼器布置形式。通過時程分析、1/3倍頻程分析以及Z振級分析，比較了新型液壓彈簧阻尼器布置形式對鋼彈簧浮置板軌道振動特性的影響。

1 液壓彈簧阻尼器位置

現(xiàn)有鋼彈簧浮置板（以下簡稱SSFS-1）板長6.0 m，截面為3.5 m×0.45 m，液壓彈簧阻尼器設(shè)置在浮置板兩側(cè)，相鄰間距1.2 m，如圖1所示。

圖1 SSFS-1結(jié)構(gòu)尺寸及液壓彈簧阻尼器位置

在現(xiàn)有液壓彈簧阻尼器布置形式的基礎(chǔ)上，設(shè)計了另外一種液壓彈簧阻尼器布置形式。將圖1（a）中的液壓彈簧阻尼器#2、#4、#7、#9去掉，在對應(yīng)橫斷面中部設(shè)置液壓彈簧阻尼器#N2和#N4。新型液壓彈簧阻尼器布置形式的鋼彈簧浮置板軌道（以下簡稱SSFS-2）如圖2所示。

圖2 SSFS-2結(jié)構(gòu)尺寸及液壓彈簧阻尼器位置

2 數(shù)值模型

為了提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量以及減少計算單元數(shù)，將鋼軌截面簡化為工字型截面。鋼軌長6.0 m，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.14×1011N/m2，泊松比為0.3。

扣件和液壓彈簧阻尼器的位置如圖1和圖2所示，用線性彈簧進(jìn)行模擬?？奂Q向剛度60 MN/m，液壓彈簧阻尼器豎向剛度選用5.3 MN/m[4,6]。

浮置板的尺寸如圖1和圖2所示，密度為2 500 kg/m3，彈性模量為3.1×1010N/m2，泊松比為0.2。基底尺寸6.0 m×5.0 m×0.3 m，密度為2 600 kg/m3，彈性模量為3.6×1010N/m2，泊松比為0.167。典型的有限元模型（SSFS-1）如圖3所示。

通過現(xiàn)場測試，得到定點輪軌力（如圖4所示）。為了模擬輪對同時施加荷載于左右鋼軌上，將測試得到的荷載同時施加在左右鋼軌中部，如圖3所示。在浮置板中部和基底邊緣處（如圖3所示），設(shè)置振動加速度拾振點?？紤]到主要關(guān)心頻率是1 Hz～200 Hz，將拾振點采樣頻率設(shè)置為500 Hz（即采樣點間隔時間0.002 s）。

3 結(jié)果分析

3.1 時程分析

浮置板和基底拾振點采樣時長設(shè)置為15 s，得到SSFS-1和SSFS-2的浮置板振動加速度時程和基底振動加速度時程，如圖5和圖6所示。

圖3 SSFS-1有限元模型

圖4 輪軌力時程

圖5 浮置板振動加速度時程

圖6 基底振動加速度時程

比較SSFS-1和SSFS-2的浮置板振動加速度時程，得到：

（1）SSFS-1的浮置板振動加速度最大值為178 m/s2，SSFS-2的浮置板振動加速度最大值為101 m/s2；

（2）以時間歷程7.5 s為參考線，發(fā)現(xiàn)SSFS-1的浮置板振動加速度衰減比SSFS-2快。

比較SSFS-1和SSFS-2的基底振動加速度時程，得到：SSFS-1的基底振動加速度最大值為0.022 m/ s2，SSFS-2的基底振動加速度最大值為0.025 m/s2。

3.2 1/3倍頻程分析

將測試得到的時程數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件，進(jìn)行FFT變換，得到SSFS-1和SSFS-2的浮置板和基底振動加速度頻譜。然后通過頻域數(shù)據(jù)處理方法，得到1/3倍頻程，如圖7和圖8所示。

比較SSFS-1和SSFS-2的浮置板振動加速度1/3倍頻程，得到：SSFS-1的浮置板振動加速度最大值發(fā)生在中心頻率40 Hz頻段，對應(yīng)幅值為138.9 dB；SSFS-2的浮置板振動加速度最大值也發(fā)生在中心頻率40 Hz頻段，對應(yīng)幅值為137 dB。

比較SSFS-1和SSFS-2的基底振動加速度1/3倍頻程，得到：

（1）對于浮置板的自振頻率，從圖8（a）和圖8（b）可以看出，SSFS-2的1階自振頻率低于SSFS-1的一階自振頻率；

（2）圖8（c）為SSFS-1和SSFS-2的基底振動加速度1/3倍頻程比較，從圖上可以看出，SSFS-1和SSFS-2的基底振動加速度在25 Hz以上相差不大，主要差別在1 Hz～25 Hz低頻區(qū)。1 Hz～25 Hz低頻區(qū)，SSFS-2的基底振動加速度級普遍小于SSFS-1。

圖7 浮置板振動加速度1/3倍頻程

圖8 基底振動加速度1/3倍頻程

3.3 Z振級分析

分析基底振動加速度Z振級，分析頻段取1 Hz～80 Hz，采用ISO 2631-1：1997計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，如表1所示。得到：1 Hz～80 Hz頻段，SSFS-1的Z振級為57.1 dB，SSFS-2的Z振級為56.4 dB。

表1 ISO 2631-1：1997計權(quán)因子

4 結(jié)語

本文在現(xiàn)有液壓彈簧阻尼器布置形式基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種全新的液壓彈簧阻尼器布置形式。通過時程分析、1/3倍頻程分析以及Z振級分析，得出如下結(jié)論：

（1）列車輪軌力作用下，現(xiàn)有鋼彈簧浮置板軌道的軌道板振動幅值大于新型鋼彈簧浮置板軌道；

（2）基底振動加速度1/3倍頻程和Z振級都表明，在低頻區(qū)，新型鋼彈簧浮置板軌道具有更好的減振效果。

[1]金浩，劉維寧，王文斌.梯式軌枕軌道模態(tài)試驗分析[J].工程力學(xué)，2013，30(3)：459-463.

[2]金 浩，劉維寧.蟻群算法耦合LS-DYNA梯式軌枕軌道動力特性優(yōu)化[J].振動與沖擊，2013，32(2)：24-28.

[3]郭亞娟，楊紹普，郭文武.鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的動力特性分析[J].振動、測試與診斷，2006，26(2)：146-150.

[4]丁德云，劉維寧，張寶才，等.浮置板軌道的模態(tài)分析[J].鐵道學(xué)報，2008，30(3)：61-64.

[5]谷愛軍，張宏亮.鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)在不同頻段的隔振效率[J].噪聲與振動控制，2009，29(1)：39-42.

[6]丁德云，劉維寧，李克飛，等.鋼彈簧浮置板軌道參數(shù)研究[J].中國鐵道科學(xué)，2011，32(1)：30-35.

[7]劉維寧，丁德云，李克飛，等.鋼彈簧浮置板軌道低頻特征試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2011，44(8)：118-125.

[8]肖安鑫，田野.鋼彈簧浮置板軌道對車內(nèi)噪聲影響的實測與分析[J].噪聲與振動控制，2012，32(1)：51-54.

[9]韋紅亮，練松良，周宇.高架鋼彈簧浮置板軌道減振特性分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，40(9)：1342-1348.

[10]蔣崇達(dá)，雷曉燕.城市軌道交通鋼彈簧浮置板軌道動力特性分析[J].城市軌道交通研究，2013，16(3)：34-41.

Study on Vibration Reduction Characteristics of the Steel-spring Floating Slab TracksAffected by Different Supporting Forms

JIN Hao1,LIU Wei-ning2,ZHAO Lei2,MA Meng3,PENG Zhi-yong2
(1.College of Civil Engineering,Shaoxing University,Shaoxing 312000,Zhejiang China; 2.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China; 3.Railway Engineering Research Institute,ChinaAcademy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

:In order to improve vibration reduction ability of steel-spring floating slab tracks,a new supporting form with hydraulic spring dampers was proposed and studied.A finite element model with explicit algorithm was built using Abaqus software for the floating slab track.The in-situ tested rail-wheel contact force was applied to the model.The time history of vibration acceleration,1/3 octave and Z vibration level of the floating slab and the foundation were analyzed by Matlab for original supporting form and the new supporting form respectively.Results show that:(1)the vibration amplitude of the floating slab of the steel-spring floating slab track with original supporting form is higher than that of the slab track with the new supporting form;(2)in low frequency range,the floating slab track with new supporting form has better vibration reduction ability than that of the slab track with the original supporting form according to the analysis of the 1/3 octave and Z vibration level of the foundation.

:vibration and wave;steel-spring floating slab tracks;time-history analysis;Z vibration level

TB53；U231

：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.008

1006-1355(2015)01-0038-04

2014－06－25

國家自然科學(xué)基金項目(51278043)

金浩(1986－)，男，浙江諸暨人，講師，博士，從事軌道振動控制研究。(E-mail:zhujijinhao@gmail.com)