纵向轨枕长度对梯式轨道减振性能的影响

金 浩，刘维宁

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

纵向轨枕长度对梯式轨道减振性能的影响

金 浩1，刘维宁2

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

为研究纵向轨枕长度对梯式轨道减振性能的影响，在现有纵向轨枕长度（6.15 m）的基础上，设计了另外两种纵向轨枕长度（3.65 m和8.65 m）。通过有限元软件Ls-Dyna建立不同纵向轨枕长度的梯式轨道模型，并通过实验室测试，验证其正确性。分析结果表明：纵向轨枕长度为6.15 m的梯式轨道（1）时域内，具有最小的基底振动加速度峰值；（2）1 Hz～200 Hz频段，具有最小的基底振动加速度峰值（峰值频率为49 Hz）；（3）除1 Hz～5 Hz频段外，传递损失均大于纵向轨枕长度为3.65 m的梯式轨道传递损失。1.6 Hz～2.2 Hz频段以及7.6 Hz～200 Hz频段，传递损失大于纵向轨枕长度为8.65 m的梯式轨道传递损失。

振动与波；梯式轨道；纵向轨枕；传递损失；减振；实验室测试

梯式轨道源于Baulk Road，早期主要应用于无砟桥梁。在20世纪中叶，日本、俄罗斯和法国最早对梯式轨道进行了研究。现在，梯式轨道的种类大致有：

（1）Tubular Track(Pty.)Ltd.of South Africa提出的Tubular Modular Track；

（2）Specialised Track Systems（Pty.）Ltd（.South Africa）开发的主要应用于采矿工程的梯式轨道；

（3）Railway Technical Research Institute of Japan开发的梯式轨道[1]。

近年来，随着大量城市轨道交通投入运营，由此引起的环境振动问题日益受到关注[2-4]。Railway Technical Research Institute of Japan开发的梯式轨道作为中等减振措施，以其优良的减振性能，在中国得到大量应用。目前，梯式轨枕轨道的动力特性研究方法可归纳为：振动测试（现场测试[5-7]和实验室测试[8,9]）和数值模拟[10-13]。譬如：王文斌等[8]通过多输入单输出模态试验方法，得到了无砟轨道下梯式轨枕轨道的自振频率和模态振型等信息。马娜等[11]通过数值模拟，得出有砟轨道下梯式轨枕轨道具有整体性和传递性的特点。

本文重点分析了纵向轨枕长度对梯式轨道减振性能的影响，通过比较得出何种纵向轨枕长度，最有利于梯式轨道减振。

1 纵向轨枕长度设计

研究用梯式轨道采用WJ-2扣件，Sylomer V25-250枕下减振垫和Sylomer V25-125枕下减振垫，凸出处设置纵向减振垫，纵向轨枕外侧设置横向约束装置，如图1所示。

图1 梯式轨道/毫米

依据相邻联结横梁间距2.5 m的基本要求，在现有6.15 m长纵向轨枕（如图1所示）的基础上，缩短一个基本长度则为3.65 m，增加一个基本长度则为8.65 m。考虑到如果增大两个及以上基本单位，梯式轨道长度将超过10 m，不利于施工。下文统一用代号来表示：纵向轨枕长3.65 m的梯式轨道（Ladder 3.65）、纵向轨枕长6.15 m的梯式轨道（Ladder 6.15）和纵向轨枕长8.65 m的梯式轨道（Ladder 8.65）。

2 梯式轨道Ls-Dyna模型建立与验证

2.1 梯式轨道Ls-Dyna建模建立

梯式轨道纵向轨枕长3.65/6.15/8.65 m，宽0.46 m，高0.185 m。纵向轨枕间联结横梁长0.975 m，宽0.065 m，高0.06 m。基底台座长3.65/6.15/8.65 m，宽3 m，高0.26 m。Ladder 3.65的Ls-Dyna模型如图2所示。

图2 Ladder 3.65的Ls-Dyna模型

材料选用线弹性材料（MAT_ELASTIC）。基底台座密度2 600 kg/m3，弹性模量3.6´104N/m2，泊松比0.167。纵向轨枕、联接横梁具体参数如表1所示。

纵向轨枕、横梁以及基底台座采用实体单元（ELEMENT_SOLID，8节点体单元，中心单点积分）。扣件和枕下减振垫采用弹簧-阻尼单元（ELEMENT_DISCRETE，平动设置，不考虑转动）；材料选用线性弹簧材料（MAT_SPRING）。扣件刚度为60 MN/m，枕下弹性垫板刚度为18.055 MN/m。

表1 模型材料属性

基底台座下边界单元采用竖向约束，来模拟混凝土基础的支撑作用。钢轨两端约束纵向平动、竖向转动和横向转动。纵向轨枕凸出纵向面（两个凸出，共四个面）约束纵向平动、竖向转动和横向转动。轨枕侧面（共六个面）约束横向平动、纵向转动和竖向转动。

2.2 梯式轨道实验台测试

在“北京交通大学城轨交通减振轨道综合试验台”进行Ladder 6.15模态测试。采用INV 3020 D型数据采集仪，该型号采集仪采用24位ΔΣ方式的AD转换器，结合了最新FPGA和DSP技术，可32个通道并行处理，单个通道最高采样频率达102.4 kHz，典型动态范围120 dB。采用自动落锤激励装置，在图2锤击点处锤击，在图2纵向轨枕拾振点处进行振动加速度采集，得到频响函数曲线（如图3所示）。

2.3 模型验证

通过Ls-Dyna数值模态分析，得到梯式轨道系统的1阶自振频率为13.5 Hz。测试得到的频响曲线表明，梯式轨道系统的1阶自振频率为14 Hz。通过1阶自振频率的对比，认为：建立的Ls-Dyna梯式轨道模型是正确的，可以用于后续分析。

此处的1阶自振频率为梯式轨道系统的首阶共振频率，和梯式轨道传统上的1阶自振频率不同。传统的梯式轨道1阶自振频率只局限于对梯形梁的分析，并不包括钢轨和扣件。此处的首阶自振频率，从图3可以看出，由钢轨引起。

图3 测试得到的频响曲线

3 减振效果分析

3.1 激振荷载

GB 10070-1988的分析频段为1 Hz～80 Hz，JGJT 170-2009的分析频段为4 Hz～200 Hz。因此，本文将计算频段定为1 Hz～200 Hz。通过自动落锤激励装置，得到力信号功率谱如图4所示，从图中可以看出：能量在1 Hz～200 Hz频段比较平稳，能够满足研究需要。在钢轨中部，施加此锤击力。在纵向轨枕和基底台座中部设置拾振点，如图2所示。

图4 力信号功率谱

3.2 时程分析

通过分析不同纵向轨枕长度梯式轨道的轨枕和基底振动加速度时程，得出：

（1）Ladder 3.65轨枕振动加速度度时程峰值最大，达118.4 m/s2；基底振动加速度时程峰值0.11 m/ s2；

（2）Ladder 6.15轨枕振动加速度度时程峰值85.5 m/s2；基底振动加速度时程峰值最小，仅0.05 m/ s2；

（3）Ladder 8.65轨枕振动加速度度时程峰值84.5 m/s2；基底振动加速度时程峰值0.1 m/s2。

3.3 频谱分析

根据时程结果，Ladder 3.65、Ladder 6.15以及Ladder 8.65的轨枕和基底振动加速度频谱，如图5所示。

图5 轨枕和基底振动加速度频谱

（1）Ladder 3.65轨枕振动加速度最大值为1.32 m/s2，发生在115 Hz处；基底振动加速度最大值为2.5´10-3m/s2，发生在37.5 Hz处。

（2）Ladder 6.15轨枕振动加速度最大值为1.6 m/s2，发生在49 Hz处；基底振动加速度最大值为1.96´10-3m/s2，发生在49 Hz处。

3.4 传递损失分析

对Ladder 3.65、Ladder 6.15和Ladder 8.65两两分析，如图6所示：

（1）Ladder 3.65和Ladder 6.15相比：除1 Hz～5 Hz频段外，Ladder 6.15传递损失均大于Ladder 3.65传递损失。

（2）Ladder 3.65和Ladder 8.65相比：除1.7 Hz～2.5 Hz频段外，Ladder 8.65传递损失均大于Ladder 3.65传递损失。

（3）Ladder 6.15和Ladder 8.65相比：1.6 Hz～2.2 Hz频段以及7.6 Hz～200 Hz频段，Ladder 6.15传递损失大于Ladder 8.65传递损失。

图6 不同类型梯式轨道传递损失两两比较

4 结语

对于Ladder 3.65、Ladder 6.15以及Ladder 8.65三种梯式轨道，通过轨枕、基底振动加速度时域分析，1 Hz～200 Hz频域分析以及轨枕到基底的传递损失分析，认为：

（1）整体减振效果，纵向轨枕长度为6.15 m的梯式轨道最好，纵向轨枕长度为8.65 m的梯式轨道其次，纵向轨枕长度为3.65 m的梯式轨道最差；

（2）实际选用哪种类型梯式轨道，需结合工程实际，对照频域分析结果，综合选定。

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Influence of Different Lengths of Longitudinal Sleepers on Vibration Damping Performance of Ladder Tracks

JIN Hao1,LIU Wei-ning2
(1.College of Civil Engineering,Shaoxing University,Shaoxing 312000,Zhejiang China; 2.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

In order to study the influence of longitudinal sleeper’s lengths on vibration damping performance of ladder tracks,three longitudinal sleepers with the lengths of 3.65 m,8.65 m and conventional 6.15 m were designed and studied. The ladder track models with different longitudinal sleeper’s lengths were built by Ls-Dyna code.Results of simulation were compared and verified by those of lab tests.The results show that:(1)The ladder track with 6.15 m sleeper length has the minimum vibration-acceleration peak value of the foundation in time-domain;(2)it has the minimum vibration-acceleration peak value of the foundation in frequency spectrum ranging from 1 Hz to 200 Hz(at frequency 49 Hz);(3)it has larger value of transfer loss than the ladder track with 3.65 m sleeper length except for the frequency range from 1Hz to 5 Hz;(4)it has larger value of transfer loss than the ladder track with 8.65 m sleeper length in the frequency ranges from 1.6 Hz to 2.2 Hz and 7.6 Hz to 200 Hz respectively.

vibration and wave;ladder track;longitudinal sleepers;transfer loss;vibration reduction;lab tests

U231

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.034

1006-1355(2015)02-0150-04

2014－09－23

国家自然科学基金项目(51278043)

金浩(1986－)，男，浙江诸暨人，讲师，博士，从事轨道振动控制研究。E-mail:zhujijinhao@gmail.com