浮置板轨道系统性能计算分析报告

王富双，岳渠德，高云峰，曲鹏飞(．青岛理工大学;．青岛四方车辆研究所有限公司;．山东中建房地产开发有限公司)

浮置板轨道系统性能计算分析报告

王富双1，岳渠德1，高云峰2，曲鹏飞3
(1．青岛理工大学;2．青岛四方车辆研究所有限公司;3．山东中建房地产开发有限公司)

摘要:初步分析得到弹簧浮置板轨道系统固有频率尤其是低频主要取决于浮置板的质量。为避免与轨道激励谱中高能量的激励频率接近，引发浮置板的固体发声，或与周围建筑的固有频率特别是楼板的固有频率接近而引起建筑的二次振动及噪声，可通过改变扣件节点刚度、隔振器刚度来调整浮置板轨道的高阶固有频率段。

关键词:城市轨道;轨道减振;浮置板

中图分类号:U415

文献标识码:C

文章编号:1008－3383(2015)04－0185－02

浮置板轨道结构一般由钢筋混凝土浮置板、弹性支座或弹性垫、混凝土底座及配套扣件组成。该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上，浮置板置于可调的弹性支座上，浮置板两侧用弹性材料固定，形成一种质量—弹簧隔振系统。根据德国实测资料和中国铁道科学研究院的模型试验结果，减振效果可达20～40 dB，缺点是造价较高，施工工期较长。各国采用的浮置板轨道结构形式较多，大体可分为三类:钢弹簧浮置板轨道、橡胶弹簧浮置板轨道和隔振垫浮置板轨道。文章对诸如“点支撑式”钢弹簧浮置板轨道系统进行计算，根据技术要求，初步反复试算。

1　研究内容

1．1浮置板系统的选型设计

(1)浮置板的区间布置

在确定隔振器型号之前须解决的首要问题是隔振段起止点的选取、单块浮置板的长度选取、以及浮置板的截面选取。

(2)浮置板截面选型

浮置板的截面直接决定了浮置板系统的质量(重量)特性，是浮置板系统的最主要参数之一，直接影响到系统的主要频率。

1．2隔振器选型设计

隔振器选型同样决定了浮置板系统的主要频率，它是钢弹簧浮置板系统的主要刚度来源，也是控制车辆从普通道床平滑、顺利过渡到隔振段的主要保证。

1．3隔振系统动力分析

浮置板系统的模态分析主要是指浮置板结构固有特性的计算，其主要输出结果有:前几阶固有频率，模态变形图，模态质量等。

1．4浮置板结构强度设计

浮置板结构强度设计是满足结构的整体安全性要求及车辆的正常使用要求的首要保证，必须进行合理、经济的结构强度设计，综合考虑各种可能的、实际的荷载工况，引入动力荷载的影响，考察重点部位的位移、内力、应力水平，且在此过程中进行正常使用状态的各种验算，保证车辆的正常行驶不受影响，而且保证其它附属结构不受影响。文章采用Abaqus非线性有限元软件进行计算，主要计算系统竖向固有频率;钢轨、浮置板竖向位移、横向位移以及浮置板的内力(弯矩、剪力等)。

2　计算模型

浮置板轨道结构计算模型组成主要包括钢轨、扣件节点、浮置板和隔振器等四部分，并以此建立有限元模型，其中钢轨采用梁单元，扣件、隔振器采用弹簧单元，浮置板采用实体单元，如图1所示。其中，图中X方向为浮置板轨道横向，Y方向为轨道竖向，Z方向为轨道纵向。

图1　弹簧浮置板轨道计算模型

3　主要计算参数

(1)钢轨:钢轨采用60轨，全长25 m;弹性模量E = 2．1e11 Pa，剪切模量G =8．0 e10 Pa，密度r =7．85 g/cm3，泊松比μ=0．3;

(2)扣件:扣件间距625 mm，模型两端距邻近扣件间距为312．5 mm;扣件节点刚度初步定为80 kN/mm;

(3)浮置板:浮置板混凝土采用C40，全长25 m，截面尺寸详见图1;弹性模量E =3．25 e10Pa，密度r =2 500 kg/m3，泊松比μ=0．2;

(4)隔振器:隔振器在浮置板中部均布设置，两端设置过渡分布，详见图2所示;刚度初步定为6．0 kN/mm; (5)设计轴重: 140 kN; (6)最高速度: 80 km/h。

4　模态计算结果

有关研究文献表明:地铁运行引起的环境振动一般主要分布于40～80 Hz的频段。其中直接决定浮置板轨道系统固有特性及减振性能的是第一阶竖向固有频率。高阶模态及频率的计算则主要针对于需进行频率回避验算的环境要求。浮置板轨道系统模型质量主要来自于浮置板(本计算工况未考虑车辆轴重质量)，刚度主要来自于隔振器，前五阶浮置板轨道模态如图2～6所示。其中图4为浮置板轨道

第一阶竖向模态，其固有频率为14．7 Hz。

图2　第一阶浮置板道床模态固有频率14．7 Hz

图3　第二阶浮置板道床模态固有频率40．2 Hz

图4　第三阶浮置板道床模态固有频率78．4 Hz

图5　第四阶浮置板道床模态固有频率85．5 Hz

图6　第五阶浮置板道床模态固有频率103．7 Hz

由图2～4可以看出，在由地铁运行引起环境振动的40 ～80 Hz范围内，浮置板道床主要以纵向弯曲振动为主。表1给出了该弹簧浮置板轨道前8阶振型空间三个方向的模态参振质量分布。结合图5～6及表1可以看出，浮置板在高频的模态参振质量非常小，且轨道横向(X向)和纵向(Z方向)较竖向更小。

表1　弹簧浮置板模态参振质量分布

图7给出了不同弹簧隔振器刚度(K1= 6 kN/mm、K2= 10 kN/mm)情况下浮置板轨道系统的固有频率。从图7可以看出，浮置板轨道系统固有频率随隔振器刚度的变化不大，尤其是对其低频(如前4阶模态)的影响甚微，主要表现在对高频的影响。

图7　不同弹簧隔振器刚度下浮置板轨道系统固有频率

5　结论及建议

(1)该弹簧浮置板轨道系统一阶竖向固有频率为14．7 Hz，若考虑到一个车的轴重56 t，则该系统固有频率约为10．8 Hz＞7 Hz，能满足技术设计要求;

(2)弹簧浮置板轨道系统固有频率，尤其是低频主要取决于浮置板的质量(截面、长度等参数)，同时为避免与轨道激励谱中高能量的激励频率接近，引发浮置板的固体发声，或与周围建筑的固有频率特别是楼板的固有频率接近而引起建筑的二次振动及噪声，可通过改变扣件节点刚度、隔振器刚度来调整浮置板轨道的高阶固有频率段;

(3)从该弹簧浮置板前4阶模态及三方向参振质量分布可以看出，浮置板道床在低频段主要还是以竖向刚体振动为主，这对弹簧隔振系统的隔振效率并无负面影响。

另外，还需从钢轨、浮置板位移及其内力计算出发，最终确定扣件、隔振器的合理刚度选型匹配及平面布置。

参考文献:

［1］青岛地铁一期工程(M3线)可行性研究报告.

［2］地铁设计规范(GB50157－2003)［S］.

［3］混凝土结构设计规范(GB50010－2010)［S］.

［4］城市轨道交通弹簧浮置板轨道技术标准(QGD－001－2009)［S］.

作者简介:王富双(1988－)，男，硕士，研究方向:桥梁与隧道工程。

收稿日期:2014－12－23