浮置板轨道结构板下支承刚度研究

李贵阔+刘帅

摘 要：基于有限元理论建立浮置板轨道结构动力学分析模型，分析了板下支承刚度对结构动力特性的影响。

关键词：浮置板轨道；支承刚度；动力特性；结构参数

中图分类号：U211.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.087

因为浮置板轨道结构具有良好的减振性能被广泛应用于医院、学校等特殊地段。板下支承刚度是浮置板轨道结构的重要参数，对结构各部分变形、行车的安全性和旅客的舒适性等都有很大的影响。本文运用ANSYS有限元软件建立浮置板轨道结构动力学分析模型，从动力学的角度入手，研究了浮置板轨道合理的板下支承刚度。

1 动力学分析模型

基于车辆—轨道动力学理论建立的瞬态分析动力学模型如图1所示。

2 浮置板轨道结构参数

依据工程的实际情况，浮置板轨道结构的基本参数如下：

钢轨：每延米质量为60.64 kg；钢轨高度为0.176 m；弹性模量E为210 GPa；泊松比为0.3；钢轨容重为7 960 kN/m3。浮置板：弹性模量E为35 GPa；宽为3 m；厚度为0.4 m；泊松比为0.2；密度为2 500 kg/m3。

扣件：间距为0.625 m；阻尼为50 kN·s/m；刚度为50 kN/mm。

钢弹簧：垂向刚度为10 kN/mm；阻尼为75 kN·s/m。

3 有限元模型的建立

浮置板轨道结构的垂向振动特性是本文研究的重点，所以，可以在铅垂面内简化处理车辆模型和浮置板轨道模型。采用单轮附有簧上质量的模型来模拟车辆，忽略了车体的点头振动，只考虑浮沉振动，由于转向架框架质量相对车体质量比较小，所以，将转向架质量并入单轮形成单层动力系统。车轮和车体质量均用mass21单元来模拟，用combine14单元模拟一系弹簧，钢轨和浮置板用beam3单元模拟，钢弹簧和扣件用combine14单元模拟。在模型中，约束浮置板和钢轨的纵向位移，对钢弹簧下部节点进行全约束。列车运行速度为80 km/h，不考虑轨道不平顺的影响。受计算机运算速度的限制，考虑一节车厢、四对轮对通过的情况。

本文采用位移接触法实现动载的施加。位移接触法不用考虑质量弹簧系统在梁上移动的位置，因此，单元长度划分相对自由，采用比较小的移动荷载步长可以得到相对更好的加速度反应。

4 钢弹簧支承刚度对系统动力特性的影响

钢弹簧支承刚度对浮置板轨道结构的振动特性有重要的影

响。本文通过改变钢弹簧支承刚度来研究浮置板轨道结构各部分动力响应的变化规律。固定其他参数不变，当支承刚度分别为7.6 kN/mm、10 kN/mm、20 kN/mm、35 kN/mm和50 kN/mm时，钢轨位移、浮置板位移、浮置板加速度和传至隧道基础的力等参数与支承刚度的关系分别如图2、图3、图4所示。

由图2、图3、图4可知，

钢弹簧刚度对钢轨、浮置板的

位移和传递到隧道基础的力有

较大的影响，对浮置板加速度

的影响比较小。随着钢弹簧刚

度的增加，钢轨和浮置板的位

移均呈下降趋势。其中，钢轨

位移由3.14 mm减小到1.01 mm，

浮置板位移由2.66 mm减小到0.537 mm，浮置板加速度基本呈略微增长的趋势，由2.24 m/s2增长到了2.398 m/s2。传递到隧道基础的力也随着刚度的增加有较大的增长。当钢弹簧刚度大于20 kN/mm时，钢轨位移、浮置板位移变化曲率减小，而传递到隧道基础的力增加的曲率基本没有变化。由此可以得到以下结论：增加弹簧刚度可以降低钢轨和浮置板的垂向位移，但是，这样会使得浮置板振动加剧和传递到隧道基础的力急剧增加。因此，不宜选择支承刚度过大的钢弹簧。合理的钢弹簧支承刚度应以降低对地铁隧道的振动影响为前提，既要满足降低钢轨和浮置板过大位移的要求，又要尽量减小轨道板的振动和基础反力的增加。

5 结束语

本文运用动力学分析方法分析了不同支承刚度下浮置板轨道结构的动力特性。由此可得，钢弹簧支承刚度的取值不宜过大，并且要结合结构的位移限值、浮置板的振动和基础反力等因素综合考虑。

参考文献

[1]王汉民.城市轨道交通浮置板轨道振动特性研究及对邻近建筑物的影响[D].北京：北京交通大学，2009.

〔编辑：白洁〕