基于有限元建模的地鐵浮置板軌道病害危害評估與動力學(xué)仿真分析

摘 要：文章針對地鐵浮置板軌道在長期使用中出現(xiàn)的隔振器及剪力鉸失效等典型病害，通過有限元建模與動力學(xué)仿真分析其影響。利用Absqus建立浮置板軌道模型，結(jié)合Universal Mechanism軟件構(gòu)建車輛-軌道耦合動力學(xué)系統(tǒng)，模擬隔振器和剪力鉸在不同失效工況下的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：同側(cè)或異側(cè)雙隔振器失效僅使位移短暫超限（4mm），連接處全部失效會顯著影響列車穩(wěn)定性；剪力鉸失效對位移幾乎無影響；且輪軌力學(xué)參數(shù)在各類失效工況下均未顯著惡化，表明系統(tǒng)安全性較高。研究對地鐵浮置板軌道傷損情況下穩(wěn)定性和安全性指標(biāo)進(jìn)行動力響應(yīng)特征仿真分析，為浮置板軌道服役狀態(tài)評估及維修決策提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵浮置板軌道 損傷形式 有限元仿真 車輛-軌道耦合動力學(xué)

1 緒論

振動與噪聲問題是軌道交通設(shè)計(jì)和建造人員當(dāng)今需要面對的一個非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。我們可以看到有眾多的學(xué)者針對其中的關(guān)鍵——浮置板，提出了許多先進(jìn)的概念，學(xué)者們有添加聲子晶體隔振器，或是設(shè)計(jì)三層動力系統(tǒng)，又或是針對減震墊進(jìn)行更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，考慮現(xiàn)實(shí)中的施工偏差，地表震動等等。基本上都集中在了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、材料性能以及運(yùn)行環(huán)境這些方向。在這其中，我們選擇關(guān)注的點(diǎn)是浮置板軌道病害及整治措施手段，在長期使用過程中，浮置板軌道會出現(xiàn)裂縫、沉降、水泥砂漿剝離等病害，這些病害會對軌道的穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。我國運(yùn)營服役多年的減振軌道線路眾多，通過有效地評估典型減振軌道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，以此為地鐵線路的維修提供技術(shù)支持和理論支撐。

2 地鐵浮置板介紹

2.1 組成

地鐵浮置板通常由道床板、彈性支撐系統(tǒng)、限位裝置、軌道部件、輔助部件等組成。其中，彈性支撐系統(tǒng)可選用鋼彈簧浮置板的鋼彈簧隔振器或是橡膠浮置板的橡膠隔振器；限位裝置一般包括側(cè)向限位和垂向限位；軌道部件由鋼軌、扣件、軌枕組成；輔助部件包含防水層，觀測裝置等部件。

2.2 應(yīng)用范圍

地鐵浮置板可以應(yīng)用在某些對減振降噪要求高的區(qū)域，例如醫(yī)院和學(xué)校附近、居民區(qū)密集地段或是文物保護(hù)區(qū)周邊；像軟土地基路段與某些地震多發(fā)區(qū)域等擁有特殊地質(zhì)條件的區(qū)域同樣需要浮置板隔振緩沖；另外，像地鐵車輛段、停車場、地鐵隧道等特殊功能區(qū)域也同樣需要優(yōu)化振動環(huán)境[1]。

3 簡易軌道浮置板有限元模型的建立與Universal Mechanism軟件的使用

3.1 模型創(chuàng)建

通過Abaqus建立長4.8m、寬2.9m的浮置板模型，設(shè)置彈性模量為3.45×104MPa，密度2700kg/m3，泊松比0.2，定義16個MPC梁約束，并設(shè)置位移/轉(zhuǎn)角和保留結(jié)點(diǎn)自由度邊界條件，完成模型創(chuàng)建[2]。使用Universal Mechanism軟件導(dǎo)入軸箱、構(gòu)架、彈簧等部件，定義質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，建立一系和二系懸掛系統(tǒng)，生成車輛模型。運(yùn)行仿真程序，調(diào)整參數(shù)并輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行動力學(xué)分析，模擬浮置板病害。

3.2 導(dǎo)入浮置板

接下來是浮置板模型的導(dǎo)入，由于浮置板有限元模型的建立是在Abaqus軟件當(dāng)中完成所以需要用到Abaqus-um接口程序進(jìn)行導(dǎo)入才能在UM軟件中使用。此程序可將Abaqus生成的input.fum文件轉(zhuǎn)化為可被UM input軟件識別的input.fss文件，完成后在UM input軟件中打開并復(fù)制兩個浮置板模型，將浮置板模型坐標(biāo)依次改為（20，0，﹣0.2），（24.8，0，﹣0.2），（29.6，0，﹣0.2）。相鄰的浮置板以及浮置板和地基之間通過利用bushing力元模擬剪力鉸連接，再利用bushing在浮置板上建立力元模擬鋼彈簧和隔振器。

在UM input軟件中導(dǎo)入三塊浮置板模型作為三個子系統(tǒng)，添加柔性軌道作為一個子系統(tǒng)。定義子系統(tǒng)的參數(shù)：輪對質(zhì)量1360kg，轉(zhuǎn)動慣量分別為920kg·m2、100kg·m2、920kg·m2；構(gòu)架質(zhì)量7360kg，轉(zhuǎn)動慣量5100kg·m2、1500kg·m2、4700kg·m2；車體質(zhì)量41860kg，轉(zhuǎn)動慣量160000kg·m2、2000000kg·m2、1900000kg·m2。同時，設(shè)置一系和二系彈簧的豎向、橫向剛度及阻尼系數(shù)。完成這些參數(shù)設(shè)置后，UM Input軟件的建模工作即告完成，接下來將使用UM Simulation進(jìn)行模擬仿真。

3.3 車輛動力學(xué)仿真分析

使用Universal Mechanism軟件導(dǎo)入軸箱、構(gòu)架、彈簧等部件，定義質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，建立一系和二系懸掛系統(tǒng)，生成車輛模型。運(yùn)行仿真程序，以浮置板板中位置為輸出位移，第一個輪對位置輸出脫軌系數(shù)和輪軌力，調(diào)整參數(shù)并輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行動力學(xué)分析，模擬浮置板病害[3]。

3.4 浮置板垂向位移

當(dāng)測點(diǎn)在浮置板板中時，四種不同位置隔振器失效與四種不同位置剪力鉸失效結(jié)果如下。

3.4.1 四種不同位置隔振器失效

圖1中的數(shù)據(jù)分析深入探討了隔振器損壞對浮置板垂向位移的影響。首先，單個隔振器完全損壞的情況下，其與無損狀態(tài)的位移曲線幾乎完全重合，差值不超過1mm，遠(yuǎn)低于4mm的限制，顯示出系統(tǒng)的強(qiáng)冗余和魯棒性。隨后，對比了浮置板上隔振器在異側(cè)失效與無損狀態(tài)的位移變化，發(fā)現(xiàn)在0.42秒至0.91秒間，破壞比例逐漸增大，垂向位移在前輪接近失效點(diǎn)時增加，并在某些點(diǎn)超過限制，但總體影響不顯著。同側(cè)隔振器完全破壞時，位移差異較小，僅在車輪經(jīng)過損壞位置時，位移在0.89秒到0.94秒間超過限值，表明影響有限。最后，分析了浮置板連接處隔振器全部失效的情況，發(fā)現(xiàn)在0.87秒和1.68秒處，垂向位移明顯變化，超出限值，顯示連接處彈簧失效對列車運(yùn)行穩(wěn)定性有顯著影響。這些結(jié)果表明，隔振器損壞對浮置板性能的影響取決于損壞位置和程度，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時需考慮這些因素以確保穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，這些分析揭示了隔振器損壞對浮置板垂向位移的不同影響程度。單個隔振器的損壞幾乎無影響，而對側(cè)隔振器的損壞影響有限，同側(cè)隔振器的損壞影響較小，而連接處隔振器的全部失效則會對列車穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。這些發(fā)現(xiàn)對于理解和優(yōu)化浮置板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

3.4.2 四種不同位置剪力鉸失效

如圖2所示，不論是單個、異側(cè)、同側(cè)還是靠近邊緣隔振器的四個剪力鉸失效時，浮置板垂向位移幾乎沒有發(fā)生任何變化，且最大差值在限值4mm之內(nèi)，由此可以得出結(jié)論：剪力較失效時不會對浮置板板中位移產(chǎn)生影響。

3.5 數(shù)據(jù)分析

表1的數(shù)據(jù)深入分析了隔振器和剪力鉸在不同失效工況下，輪軌系統(tǒng)力學(xué)參數(shù)在0.42-1.06秒內(nèi)的變化。結(jié)果顯示，無論是單個隔振器或剪力鉸失效，還是同側(cè)或異側(cè)的組合失效，輪軌系統(tǒng)的力學(xué)性能均表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性和冗余性。在單個隔振器失效的情況下，輪軌垂向力、脫軌系數(shù)和橫向力的變化極小，幾乎與無損傷狀態(tài)重合，表明其對系統(tǒng)的影響微乎其微。同樣，單個剪力鉸失效時，各項(xiàng)參數(shù)的變化也可忽略不計(jì)。在同側(cè)隔振器或剪力鉸完全破壞的情況下，力學(xué)參數(shù)與無損傷狀態(tài)相比沒有顯著差異，顯示出系統(tǒng)的強(qiáng)魯棒性。異側(cè)隔振器完全破壞時，參數(shù)的量值分布未發(fā)生本質(zhì)性改變，而對側(cè)剪力鉸完全破壞時，波動幅度一致，脫軌系數(shù)在特定時刻雖有所增大但未超限。在兩側(cè)剪力鉸同時失效的極端情況下，輪軸橫向力、垂向力和脫軌系數(shù)均未超出安全限值，系統(tǒng)仍能安全運(yùn)行。這些數(shù)據(jù)一致表明，輪軌系統(tǒng)在面臨不同失效工況時，其力學(xué)性能保持穩(wěn)定，展現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性和對意外故障的高容忍度。

綜合以上分析，無論是單一失效還是組合失效工況下，輪軌垂向力、脫軌系數(shù)及橫向力的波動范圍與初始狀態(tài)高度重合，未出現(xiàn)顯著惡化。這表明輪軌系統(tǒng)的力學(xué)性能在各種失效工況下均保持穩(wěn)定，系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)和安全性能得到了有效驗(yàn)證。

4 結(jié)語

研究通過數(shù)值建模探討了地鐵浮置板軌道隔振系統(tǒng)失效對行車的影響。結(jié)果顯示，單隔振器失效對軌道垂向位移影響有限，而四隔振器失效時位移增幅達(dá)0.15mm，導(dǎo)致位移顯著增加，需注意維護(hù)。剪力鉸失效對軌道位移影響不大，但隔振器失效超過兩個會影響行車平穩(wěn)性。輪軌系統(tǒng)在不同失效工況下的力學(xué)性能分析表明，即便在失效情況下，系統(tǒng)性能保持穩(wěn)定，顯示出結(jié)構(gòu)的冗余安全性。然而，研究尚存局限性，未考慮地質(zhì)差異、長期荷載及速度變化等因素，未來研究需結(jié)合更多實(shí)際數(shù)據(jù)和復(fù)雜工況，以進(jìn)一步完善軌道狀態(tài)評估體系。

基金項(xiàng)目：上海工程技術(shù)大學(xué)課題“地鐵浮置板軌道病害危害及整治措施研究”（項(xiàng)目編號：cx2410005）。

參考文獻(xiàn)：

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[3]耿傳智，宮寅.浮置板軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)分析[J].城市軌道交通研究，2012，15（03）：14-19.

[4]王子堯.地鐵鋼彈簧浮置板軌道扣件錨固螺栓力學(xué)特性仿真分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2022.