减振型无砟轨道轨枕结构对比分析

姜 浩，赵坪锐，刘 观

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

减振型无砟轨道轨枕结构对比分析

姜 浩，赵坪锐，刘 观

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

减振型无砟轨道形式较多，典型的有弹性支承块式轨枕和SAT S312双体轨枕，以及一种新型的减振型轨枕——弹性长枕。为了给无砟轨道设计中轨枕形式及参数的选取提供参考，通过建立弹性长枕的三维有限元模型，考虑避免弹性长枕结构与线路激振发生共振，从弹性长枕的枕下胶垫刚度、侧面套靴刚度、埋深及支撑长度4个方面进行模态分析，给出弹性长枕合理的参数匹配，再对3种轨枕做出对比分析。结果表明：3种减振型轨枕中，弹性长枕的结构最优，SAT S312双体轨枕次之，弹性支承块式轨枕最差。

无砟轨道；轨枕；振动；刚度；共振

减振型无砟轨道在国内外均得到了广泛的发展和应用，而减振型轨枕作为其重要结构也发展出很多形式。由最初的，也是最为广泛使用的弹性支承块式轨枕，发展出SAT S312双体轨枕，再发展出弹性长枕的结构，它们均由枕下胶垫及枕侧套靴来提供减振性能。而弹性长枕作为一种新型的轨枕结构形式，在耐久性，施工难易程度等方面均比弹性支承块式轨枕和SAT S312双体轨枕有优势，但其在稳定性方面是否占优还需证明。

通过ansys有限元软件建立3种轨枕的有限元模型，进行模态分析，先给出弹性长枕的合理参数匹配，再对3种轨枕进行稳定性方面的对比，为减振型无砟轨道设计中轨枕结构形式的选取提供参考。

1 无砟轨道减振型轨枕简介[1-4]

1.1 弹性支承块式轨枕

弹性支承块式无砟轨道是国内外高速铁路客运专线应用范围最广泛的无砟轨道结构形式之一，因其具有较强的减振降噪的特性，所以其在路基、桥上及隧道内都有大量应用。弹性支承块式轨枕结构主要由混凝土支承块、枕下胶垫及橡胶套靴组成，如图1所示。

图1 弹性支承块式轨枕结构

弹性支承块式轨枕的优点有以下几个方面：

(1)枕下胶垫与轨下垫板组成一双重的隔振系统，能使轨枕的自振频率降低至50 Hz；

(2)结构尺寸可以根据工程需要进行调整，刚度可以通过枕下垫板、枕下胶垫及橡胶套靴进行调整；

(3)轨道几何精度高，由于支承块嵌入到轨道板当中，就为其提供了很高的侧向阻力，保证了钢轨的形位；

(4)减少维修量并方便更换各个部件；

(5)绝缘性。两支承块之间没有直接的连接，且橡胶套靴使轨枕和轨道板之间也不能导电，即两条钢轨之间不导电；

(6)轨道整体空气动力学性能好；

(7)轨道的排水可以根据工程的要求进行设计，在轨道的中心线或两侧都可以设置排水结构；

(8)施工方便，各部件都可以预制，桥上、隧道内及路基上可以同步施工。

1.2 SAT S312双体轨枕

SAT S312双体轨枕是由法国SATEBA公司在地中海高速铁路马赛隧道段中设计并使用的一种减振降噪型轨枕，如图2所示，其主体结构由两个短枕和中间连接杆组成。

图2 SAT S312型轨枕结构

SAT S312双体轨枕除继承了弹性支承块式轨枕上述优势以外，且由于增加了连接杆(主要材料为钢管，也有角钢或钢管混凝土)，约束其横向移动，从而增强了轨排结构的整体性，避免了因枕下刚度过低导致钢轨外倾的危险。此外，短枕埋入部分用硬质复合材料外壳代替橡胶套靴，以达到在填充混凝土中形成尺寸公差很小的凹槽，在外壳内放置弹性垫板，维持侧面的刚度。外壳和轨枕之间采取防水密封措施，并对轨枕尺寸公差要求更加严格。

1.3 弹性长枕

弹性长枕轨道是一种新型减振降噪轨道结构，在很多国家得到了广泛的应用，其结构如图3所示，轨枕两端周向各有3个面被橡胶套靴包裹，为长枕提供水平面内的支承刚度，长枕两端底部由橡胶套靴和微孔橡胶垫板组成，为长枕提供竖向支承刚度。

图3 弹性长枕结构

弹性长枕与弹性支承块式轨枕和SAT S312双体轨枕结构的区别：

(1)弹性长枕用长枕代替了弹性支承块；

(2)弹性长枕底面由橡胶套靴和橡胶垫板组成支承结构，长枕“嵌入”轨道板上预留的凹槽内；

(3)长枕中部底面无支撑，整个长枕处于“悬浮”状态，轨道板上设置中央排水沟。

与弹性支承块式轨枕和SAT S312双体轨枕相比弹性长枕除保留了轨道结构良好的性能外，还具有以下优势：

(1)其长枕的结构进一步增强了轨排的整体性，不但限制了轨枕的横向相对位移，而且增强了轨枕抗扭的能力；

(2)橡胶套靴采用三面的形式，且在道床中央设置排水沟，便于橡胶套靴中的积水尽快排出；

(3)稳定性增强；

(4)对施工控制的依赖性小。

综合上述分析，弹性长枕式无砟轨道作为一种新型的减振降噪型轨道结构，其结构更优于SAT S312双体轨枕和弹性支承块式轨枕，且SAT S312双体轨枕结构优于弹性支承块式轨枕。

2 弹性长枕的结构参数分析

弹性长枕中间处于一种“悬浮”状态，为避免系统固有频率同激振频率一致而发生共振，需要对系统的固有频率进行研究。影响弹性长枕式无砟轨道系统固有频率的因素，除弹性长枕自身参数外，主要来自轨枕底面胶垫及底面和侧面四周的橡胶套靴，从胶垫的垂向刚度和橡胶套靴的侧向刚度、埋深及支撑长度4个方面进行研究，期望给出以上各参数的合理匹配关系。

2.1 弹性长枕式无砟轨道系统构成

参考我国乌鞘岭隧道内的弹性支承块式无砟轨道[5]及我国Ⅲ型混凝土轨枕几何尺寸[6-7]，初步拟定的弹性长枕式无砟轨道的系统构成。

弹性长枕式无砟轨道的主要几何参数如下：

(1)弹性长枕外轮廓尺寸为2 500 mm(长)×300 mm(宽)×200 mm(高)；

(2)为方便橡胶套靴的安装与更换，弹性长枕埋入部分上宽下窄，侧面呈1/20的斜面；

(3)道床板宽3 000 mm，厚400 mm，为方便更换套靴和枕下胶垫，采用两端分块支撑，中间部分兼做排水之用，并在纵向每隔5 m设一排水孔。

2.2 弹性长枕系统的激振频率

由于钢轨的离散点支承，列车通过时将会在支点中间形成“二次弯沉”[8-9]，从而造成线路刚度不平顺，反复作用的累积效果是形成一定波长的几何不平顺，即不平顺波长有以钢轨支承间距倍数变化而改变的趋势，以此来计算线路上的一种常见激振频率，激振频率与不平顺波长及速度的关系为

式中f——激振频率；

v——行车速度；

λ——不平顺波长。

不同的不平顺波长及速度下的激振频率如表1所示。

表1 不同速度下的线路激振频率 Hz

2.3 弹性长枕模态分析模型

对不同参数下的弹性长枕系统进行模态分析[11]，得出各个参数对应弹性长枕系统的低阶固有频率，参考上述激振频率要求下的系统固有频率值，给出一种弹性长枕的参数匹配。

根据弹性长枕的支撑状态，建立如图4所示的弹性长枕力学模型，相应的有限元模型如图5所示。弹性长枕采用三维8节点六面体单元模拟；枕下胶垫和枕侧套靴采用二维线性弹簧单元模拟，弹簧单元一端和弹性长枕的单元共节点，另一端节点固定，弹簧单元的刚度系数由枕下胶垫或橡胶套靴刚度及弹簧单元数目确定。弹性长枕的几何尺寸、枕下胶垫及橡胶套靴的刚度见表2，其中轨枕支撑长度、埋深、枕下胶垫刚度、套靴刚度可变，以探讨其影响规律。

图4 弹性长枕力学模型

图5 弹性长枕有限元模型

项目量值弹性长枕长度/m2.5弹性长枕宽度/m0.3弹性长枕高度/m0.2弹性轨枕支撑长度/m0.65～1.25弹性长枕埋深/m0.12～0.14弹性长枕下胶垫刚度/(kN/mm)130～160弹性长枕侧面套靴刚度/(kN/mm/m2)2800～4500弹性长枕密度/(kg/m3)2500弹性长枕弹性模量/MPa36500

2.4 弹性长枕固有频率参数分析

2.4.1 枕下胶垫刚度对弹性长枕固有频率的影响

枕侧套靴刚度取4 500 kN/mm/m2，埋深取0.13 m，支撑长度取0.95 m，不同枕下胶垫刚度下弹性长枕低阶固有频率见表3，图6为枕下胶垫刚度对弹性长枕低阶固有频率的影响。

表3 不同枕下胶垫刚度下弹性长枕低阶固有频率

图6 枕下胶垫刚度对弹性长枕低阶固有频率的影响

由表3及图6可见，在轨枕侧面套靴刚度、弹性长枕埋深以及支撑长度不变的情况下，随着弹性长枕的枕下胶垫刚度的增大，弹性轨枕的各阶固有频率均随之增大。但由于系统的1、3阶振型主要为垂向刚体振动，故1、3阶固有频率的变化率大于其他阶固有频率，即弹性长枕1、3阶固有频率对枕下胶垫刚度的变化较高阶固有频率敏感。为保证列车200 km/h的运行要求，枕下胶垫刚度不宜低于150 kN/mm。

2.4.2轨枕侧面套靴刚度对弹性长枕固有频率的影响

枕下胶垫刚度取150 kN/mm， 埋深取0.13 m，支撑长度取0.95 m，不同轨枕侧面套靴刚度下弹性长枕低阶固有频率见表4，图7为轨枕侧面套靴刚度对弹性长枕低阶固有频率的影响。

表4 不同轨枕侧面套靴刚度下弹性长枕低阶固有频率

图7 枕侧套靴刚度对弹性长枕低阶固有频率的影响

由表4及图7可见，在枕下胶垫刚度、弹性长枕埋深以及支撑长度不变的情况下，随着弹性长枕侧面套靴刚度的增大，弹性轨枕的各阶固有频率均增大。但当枕侧套靴刚度小于3 400 kN/mm/m2时，1阶振型为横移，2阶振型为沉浮，当枕侧套靴刚度大于3 400 kN/mm/m2时，1阶振型变为沉浮，2阶振型变为横移，说明枕侧套靴刚度为3 400 kN/mm/m2，是轨枕由横向震动变为垂向振动的临界刚度，且由于枕侧套靴刚度对轨枕横向振动影响较大，所以当枕侧套靴刚度小于3 400 kN/mm/m2时，1阶频率的变化率较枕侧套靴刚度大于3 400 kN/mm/m2时的1阶频率的变化率大，故为保证列车200 km/h的运行要求，枕侧套靴刚度应大于3 400 kN/mm/m2。

2.4.3 埋深对弹性长枕固有频率的影响

枕下胶垫刚度取150 kN/mm，枕侧套靴刚度取3 400 kN/mm/m2，支撑长度取0.95 m，不同埋深下弹性长枕低阶固有频率见表5，图8为埋深对弹性长枕低阶固有频率的影响。

表5 不同埋深下弹性长枕低阶固有频率

图8 埋深对弹性长枕低阶固有频率的影响

由表5及图8可见，在枕下胶垫刚度、轨枕侧面套靴刚度以及支撑长度不变的情况下，随着弹性长枕埋深的增大，弹性长枕的各阶固有频率均增大。但由于枕侧套靴总刚度与埋深有关，故弹性长枕横移和点头两个振型的固有频率随着轨枕埋深的增大而增大，当埋深小于0.13 m时，一阶振型为横移，当埋深大于0.13 m时，一阶振型为沉浮，且当埋深小于0.13 m时，弹性长枕一阶固有频率小于130 Hz，故为保证列车200 km/h的运行要求，弹性长枕的埋深应不小于0.13 m。

2.4.4 支撑长度对弹性长枕系统固有频率的影响

枕下胶垫刚度取150 kN/mm，枕侧套靴刚度取3 400 kN/mm/m2，埋深取0.13 m，不同支撑长度下弹性长枕低阶固有频率见表6，图9、图10为支撑长度对弹性长枕低阶固有频率的影响。

由表6及图9、图10可见，在枕下胶垫刚度、轨枕侧面套靴刚度以及埋深不变的情况下，由于支撑长度会影响轨枕的支承状态，并且还会影响枕侧套靴的纵向总刚度，故随着支撑长度的增加，低阶振型中沉浮和点头两个振型有较大变化率的增加。由于支撑长度的

表6 不同支撑长度下弹性长枕低阶固有频率

图9 支撑长度对弹性长枕低阶固有频率的影响(阶次相同)

图10 支撑长度对弹性长枕低阶固有频率的影响(振型相同)

变化不影响枕侧套靴的横向刚度，但会影响弹性长枕的支承状态，故随着支撑长度的增加，低阶振型中横移振型有较小变化率的减小。随着支撑长度的增加，弹性长枕的纵向总刚度变大，且支承状态有所变化，故侧滚和弯曲振型有较大变化率的减小。

当支撑长度≥0.95 m时，一阶固有频率才能大于130 Hz，故为保证列车200 km/h的运行要求，弹性长枕的支撑长度应不小于0.95 m。

弹性长枕横向和纵向的振动与枕侧套靴面刚度、埋深及支撑长度有关，即影响弹性长枕横向和纵向振动的主要因素为枕侧套靴总刚度，结合上述分析，枕侧套靴面刚度应不小于3 400 kN/mm/m2，埋深不小于0.13 m，支撑长度不小于0.95 m，则枕侧套靴刚度若以总刚度单位(kN/mm)表示时，应不小于3 400×0.13×0.95=420 kN/mm。

3 3种减振型轨枕稳定性对比

参考广州地铁2号线和西安安康线上秦岭隧道内的弹性支承轨道[12]，选取弹性支承块式轨枕结构参数及法国sateba公司生产的SAT S312双体轨枕，选取结构参数见表7，采用与上述弹性长枕相同的建模方法建立另两种轨枕的有限元模型(图11)，进行模态分析，对比3种轨枕影响轨距的阵形及频率见表8。

表7 弹性支承块式轨枕和SAT S312双体轨枕结构参数

图11 弹性长枕和SAT S312双体轨枕有限元模型

轨枕类型频率/Hz振形弹性长枕193.96垂向弯曲SATS312双体轨枕173.30两短枕向相反方向侧滚弹性支承块式轨枕159.01短枕侧滚

通过对比可见，在满足不发生共振的条件下，3种轨枕使轨距增大的振形中，弹性长枕频率最大，弹性支承块式轨枕最小，SAT S312双体轨枕介于两者之间。弹性长枕的质量大于弹性支承块式轨枕和SAT S312双体轨枕，则弹性长枕的频率越大说明刚度越大，振动越难发生，即弹性长枕抵抗轨距变大的能力最强，SAT S312双体轨次之，弹性支承块式轨枕抵抗轨距增大的能力最弱。

4 结论

(1)弹性长枕式无砟轨道结构参数中，枕下胶垫刚度不小于150 kN/mm，轨枕侧面套靴刚度不小于3 400 kN/mm/m2，埋深不小于0.13 m，支撑长度不小于0.95 m时，或枕下胶垫刚度不小于150 kN/mm，且枕侧套靴总刚度不小于420 kN/mm，支撑长度不小于0.95 m时，能够保证列车200 km/h的运行要求，不会

与弹性长枕系统的激振频率形成共振。

(2)综合考虑稳定性、耐久性、施工难易程度、与二次浇筑混凝土连接强度等方面，3种减振型轨枕中，弹性长枕的结构最优，SAT S312双体轨枕次之，弹性支承块式轨枕最差。

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Comparison and Analysis of Sleepers in Low Vibration Track System (LVT)

Jiang Hao， Zhao Pingrui， Liu Guan

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Low vibration track system (LVT) has many forms， including typically elastic supporting block sleeper， SAT S312 sleeper， and a new low vibration sleeper-elastic long sleeper. In order to provide references for design of ballastless track in selecting sleeper and parameters， a 3D finite element model of elastic long sleeper is established to conduct modal analysis in perspectives of rubber pad stiffness， boots side stiffness， buried depth and supporting length of the elastic long sleeper， in order that the resonance between elastic long sleeper and the track can be avoided. As a result， reasonable matching parameters are obtained. And then， three types of sleepers are compared and analyzed. The results show that， of the three types of sleepers， the structure of elastic long sleeper is the best， SAT S312 sleeper is the second， and the elastic supporting block sleeper comes the last．

Ballastless track； Sleeper; Vibration; Stiffness; Resonance

2014-01-14；

：2014-02-22

国家自然科学基金项目(51008258)；中央高校基本科研业务费专项资金(SWJTU12CX065)

姜 浩(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：766100962@qq.com。

1004-2954(2014)10-0051-05

U213.2+44

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.013