城市用减振型无砟轨道的研发

刘海涛，王继军，刘伟斌，王　梦(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081)



城市用减振型无砟轨道的研发

刘海涛，王继军，刘伟斌，王梦
(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

摘要:研制了一种新型板式无砟轨道TKT-S( Tie Ke Track-Slab)，轨道板采用工厂预制普通混凝土结构;板下为纵向条状聚氨酯支撑层，通过调整聚氨酯层的相关力学指标达到减振目的。在大量分析计算和试验的基础上，确定各部件的构造尺寸与聚氨酯的相关配方等。对减振型和非减振型轨道分别进行了自振频率、模态和谐响应分析，以掌握轨道动力性能。为检验轨道系统的减振性能，在室内分别建立了减振和非减振轨道的实尺模型，开展落锤冲击试验;在中国国家铁道试验中心建立50 m试验段，进行行车试验;同时，对落锤冲击和行车试验进行了仿真计算。计算与试验结果吻合，表明TKT-S具有良好的减振性能。

关键词:城轨交通无砟轨道TKT-S动力分析实尺模型试验

随着国民经济的发展和城市化进程的加快，城市轨道交通在我国得到了快速的发展。当前城市轨道交通主要采用无砟轨道结构(站场线除外)，包括短枕式(刚性、弹性)整体道床、弹性长枕、浮置板(钢弹簧、橡胶)等类型。总结前期建设及运营经验［1-4］，城市用无砟轨道主要存在以下几个方面的问题:首先，现场混凝土浇筑工作量大，施工周期长，同时混凝土运输、振捣等对城市环境及居民生活产生一定影响;其次，短枕式轨排施工时轨底坡调整困难，对后期钢轨磨耗产生不利影响;再次，刚性支承块式无砟轨道可维修性较差;最后，减振轨道结构往往造价过高。城市轨道的大量需求与目前问题的同时存在形成如下两个矛盾:其一，如何合理地缩短线路的建设周期，尽量降低建造对城市环境、居民生活的影响，使其尽快投入运营，满足民众出行的迫切需求;其二，如何采取有效措施，在满足减振降噪目标基础上降低特殊轨道结构的投资成本，且有利于运营中的养护维修。为解决以上矛盾，研制开发了城市用新型板式轨道结构系统TKT-S( Tie Ke Track-Slab)。通过落锤冲击和列车—轨道耦合系统仿真计算，开展轨道结构多参数讨论，掌握轨道结构振动性能的敏感指标，确定相应的性能参数，建立室内实尺模型和相应试验段，针对TKT-S非减振和减振轨道进行减振效果评估。

1无砟轨道TKT-S 结构及部件

TKT-S无砟轨道系统主要由预制轨道板、低刚度减振扣件、便捷式限位结构、可变刚度聚氨酯填充层等组成。与轨道结构配套的扣件系统采用硫化垫板，在减少钢轨波磨并使其具有一定减振功能的基础上，确定了扣件的性能指标。轨道板、限位块均为工厂预制，聚氨酯填充层部分预制。无砟轨道现场施工采用拼装方式，主要工作为浇筑少量的聚氨酯调整层和安装限位块，不再浇筑大体量混凝土。轨道板减振性能通过调整轨道板与线下基础间聚氨酯填充层的性能指标实现。图1为TKT-S无砟轨道系统主要部件及施工效果图。

图1 TKT-S轨道结构

1. 1轨道板构造

轨道板为非预应力普通混凝土结构，采用工厂预制。根据扣件系统需求及满足边界效应的要求确定轨道板宽度为2. 35 m。根据减振需求，确定轨道板的厚度为0. 2～0. 5 m。TKT-S轨道板采用短板方式，即扣件间距为0. 7 m，板长为2. 73 m(根据具体需求可适当调整板长)。采用短板方案的理由:短板方便隧道内运输和施工，能够适应更小的曲线半径;短板的荷载效应特别是温度荷载效应较小，可以在较少配筋的基础上采用非预应力结构，降低轨道板的成本;仿真计算和现场试验表明，采用短板对轨道结构的减振性能影响较小。

1. 2聚氨酯填充层支撑方式

聚氨酯填充层支撑方式分为面支撑、条支撑和点支撑。根据可靠、经济和适量的原则，采用局部支撑的方法。经分析计算，在力学性能和方便现场灌注聚氨酯的情况下，条支撑比点支撑好，纵向支撑优于横向支撑。TKT-S无砟轨道每块轨道板下采用对应两根钢轨的两纵向条状支撑，支撑宽度为0. 3 m。

1. 3限位结构形式

轨道板采用中心限位结构，工厂预制预留限位块锚固孔，轨道板施工完毕后，将预制限位块放置于轨道板中心，植筋锚固并封填限位块与轨道板间的间隙。此处填充材料位于板的中间，不需要具有特定的力学性能指标。

2无砟轨道TKT-S 动力特性

2. 1轨道结构振动频率及模态

对轨道结构进行模态分析，非减振和减振型轨道一阶自振频率分别为89 Hz和21 Hz，模态为竖向振动。表1为前5阶频率，包括横向自振频率。图2为前4阶模态。

表1不同模型振动频率　Hz

图2轨道结构振动模态

2. 2轨道结构谐响应分析

对减振型和非减振型轨道进行谐响应分析，并确定竖向荷载下轨道结构的振动频率。竖向激励下，非减振和减振型轨道自振频率分别为90 Hz和22 Hz。图3为轨道结构谐响应位移导纳图，表2为轨道结构竖向振动频率。

图3轨道垂向位移导纳

表2谐响应分析下轨道结构竖向振动频率　Hz

3无砟轨道TKT-S 动力响应及减振性能评估

针对TKT-S减振型和非减振型轨道，分别建立室内实尺模型，进行落锤冲击试验，评估轨道结构的减振效果，并在中国国家铁道试验中心建立50 m试验段，做行车试验，评估轨道的减振性能。同时建立仿真计算模型，对落锤冲击及列车—轨道耦合模型进行动力计算。根据文献［5］对比减振和非减振型轨道，计算分频振级均方根差值。

3. 1落锤冲击下无砟轨道TKT-S动力响应

室内实尺模型落锤试验外观如图4所示。表3为落高为150 mm时落锤冲击下钢轨、轨道板和底座振动加速度实测值和计算值，计算与实测结果较为一致。

图4落锤试验外观

表3落锤冲击下轨道结构振动加速度　m/s2

图5和图6分别为测试和计算的振动加速度时程曲线。图7和图8为底座加速度实测和计算分频振级，轨道结构底座在1～200 Hz范围实测减振级为10 dB，计算减振级为12 dB。

图5实测底座振动加速度时程曲线

3. 2列车作用下无砟轨道TKT-S动力响应

TKT-S行车试验段如图9所示，表4为列车速度100 km/h时钢轨、轨道板和底座振动加速度实测值和计算值，计算与实测结果差异，主要由于仿真计算参数取值略有偏差。图10和图11为底座加速度实测和计算分频振级，轨道结构底座在1～200 Hz范围实测减振级为14 dB，计算减振级为15 dB。

图7实测底座振动加速度级

图8计算底座振动加速度级

图9 TKT-S试验段

表4行车试验下轨道结构振动加速度　m/s2

图10实测底座振动加速度级

图11计算底座振动加速度级

4　结论

研制开发的TKT-S无砟轨道系统主要由预制轨道板、低刚度减振扣件、便捷式限位结构、可变刚度聚氨酯充填层等组成，可大幅度提高轨道结构的施工效率，降低减振降噪措施的成本，缓解建设与运营、减振需求与投资成本高等矛盾;同时统一普通地段与减振地段的轨道结构形式，便于养护维修。通过室内开展的减振和非减振轨道的落锤冲击试验，以及在中国国家铁道试验中心50 m试验段的运行试验，结合分别对落锤冲击及行车试验进行的仿真分析，得出TKT-S减振型轨道减振性能超过10 dB。

参考文献

［1］雷晓燕．城市轨道交通环境振动预测与评价［J］．城市轨道交通研究，2008，11( 4) : 12-17．

［2］孙晓静，刘维宁，张宝才．浮置板轨道结构在城市轨道交通减振降噪上的应用［J］．中国安全科学学报，2005，15( 8) : 65-70．

［3］程斌．轨道交通与城市交通可持续发展［J］．中国铁道科学，2001，22( 1) : 108-112．

［4］刘海涛．强风作用下列车—汽车—桥梁时变系统的动力响应及行车安全性、舒适性研究［D］．长沙:中南大学，2011．

［5］中华人民共和国住房和城乡建设部．CJJ/T 191—2012浮置板轨道技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2013．

(责任审编孟庆伶)

Research and development of vibration-damping ballastless track for urban railway

LIU Haitao，WANG Jijun，LIU Weibin，WANG Meng
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:T his paper proposed a new type of slab-type ballastless track named T KT -S( T ie Ke T rack-Slab)．T he track slab uses factory prefabricated ordinary concrete structure．T here are longitudinal strip polyurethane support layers under the slab，and the purpose of vibration reduction was achieved by adjusting the relevant mechanical indexes of the polyurethane layer．T he structure dimensions of each component and the formula of polyurethane were given based on a large number of analytical calculations and experiments．T he self vibration frequency and modal harmonic response analysis was made for damping and non-damping track in order to master track dynamic performance．Real scale models of tracks were built respectively indoors and dropping-harmer impact tests were conducted for checking vibration reduction performance of the track system，50 m test section was constructed in national urban rail test center for driving test，and simulation calculation was made for dropping-harmer impact and driving tests．T he results showed that T KT -S has good performance of vibration reduction．

Key words:Urban rail transit; Ballastless track; T KT -S; Dynamic analysis; Real scale model test

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0063-04

中图分类号:U213．2+42

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．13

作者简介:刘海涛( 1981—)，男，助理研究员，博士。

基金项目:北京市科委计划项目( Z141100003114008)

收稿日期:2015-11-30;修回日期: 2015-12-10