富水地区短板钢弹簧浮置板轨道减振效果研究★

王 继 侯博文 赵闻强

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

1 概述

我国沿海发达地区的大量地铁都修建在富水地区［1］，富水地区存在大量的饱和软黏土地层，这些土层的含水率大、压缩性高、剪切波速小，地铁列车动力作用对周边振动环境影响更大，且在中低频范围内振动增加明显。如张燕等［2］通过对滨洲线大庆龙凤湿地区段列车动荷载引起的地面振动进行观测发现，在30 Hz～80 Hz频率范围内振动加速度级增加。申跃奎［3］在研究地铁激励下振动的传播规律时发现，竖向振动在地铁隧道附近以40 Hz～80 Hz频段为主。张波［4］以天津地区某典型饱和土场地为例，对地铁列车动荷载诱发的地基振动进行研究，得出地铁列车诱发饱和土体地基振动主要发生在低频阶段。由此可知富水软土地区的轨道减振，更需要关注中低频段的减振问题。

目前城市轨道交通已经采用了包括钢弹簧浮置板、橡胶浮置板、减振扣件等在内的多种减振轨道型式。相对而言，橡胶浮置板、减振扣件等措施自振基频较高，可能无法满足富水软土地区的轨道减振需求。而钢弹簧浮置板基频较低，减振效果较好。

丁智等［5］通过对杭州市某地铁隧道整体道床和钢弹簧浮置板进行振动监测发现，钢弹簧浮置板轨道的钢轨振级比整体道床小10 dB。但目前采用的钢弹簧浮置板结构大多以现浇长板式为主，现有研究也较少涉及短板钢弹簧浮置板轨道的减振性能。短板钢弹簧浮置板由于其预制质量好、施工便捷等特点，更加符合城市轨道交通预制式、装配式的发展理念，其在富水软土地区的减振性能还需进一步分析。

综上所述，采用短板钢弹簧浮置板轨道结构是富水地区轨道减振的有效途径，但目前对该轨道结构减振效果的研究极少，因此，开展富水地区短板钢弹簧浮置板减振效果研究十分必要。本文基于富水地区的地质环境，结合地铁盾构隧道的结构特点，采用有限元软件Abaqus建立了车辆—轨道—下部基础耦合动力学模型，对新型装配式钢弹簧短板浮置板轨道结构的减振降噪特性进行研究，以期为优化装配式短板钢弹簧浮置板轨道结构设计和富水软土地区减振降噪轨道建设提供理论支撑。

2 车辆—轨道—下部基础耦合模型建立

2.1 车辆模型

将车体、转向架和轮对视为刚体，各刚体间通过弹簧阻尼元件连接。以地铁B型车为例，相关参数见表1。

表1 地铁B型车计算参数

2.2 轨道—下部基础模型

图1 钢弹簧浮置板轨道结构图

将钢轨、轨道板、隧道和土体采用实体单元建模，其中，钢轨为60 kg/m;轨道板为短板钢弹簧浮置板，结构的平面图及断面图如图1所示;隧道模型分为基底和衬砌;土体采用Mohr-Coulomb准则。扣件系统采用多根线性三向弹簧—阻尼单元建模。钢弹簧隔振器按9根三向弹簧阻尼单元建模。本文假设土体与衬砌之间、衬砌与基底之间接触良好，不考虑结构间相对位移。各部分参数见表2。

2.3 轮轨接触模型

轮轨法向力采用Hertz理论计算:

其中，G为轮轨接触常数，m/N2/3;ΔZ(t)为t时刻轮轨间弹性压缩量，m。

轮轨切向力采用Coulomb摩擦模型进行计算:

其中，μ为摩擦系数，本文取0.3。

轮轨激励采用美国五级谱。

表2 轨道—下部基础模型各结构具体参数

2.4 车辆—轨道—下部基础耦合动力学模型

采用以上思路和方法建立的动力学模型如图2所示。同时建立整体道床模型用于对比分析。模型长度为75 m。

图2 车辆—浮置板轨道—下部基础耦合动力学模型

3 富水地区钢弹簧浮置板隔振效果分析

3.1 富水软土地区车致振动传递规律

根据富水地区的地质特点设置了土体参数，并与普通硬质围岩对比，相关参数如表3所示。在整体道床工况下，计算列车经过时两种土体上表面的加速度Z振级，结果如图3所示。

表3 不同土体的典型参数

图3 土体上表面1/3倍频程加速度Z振级

由图3可知，在0 Hz～32 Hz频率范围内，硬质围岩的加速度Z振级低于富水软土;在32 Hz以上频率范围，富水软土地区的Z振级稍低于硬质围岩。由此可知，富水软土地区列车引起的振动经过整体道床传递至地表后，低频成分明显增多，其中，在16 Hz～32 Hz频段增多最为明显。我们知道，橡胶浮置板轨道基频常在20 Hz～30 Hz之间;钢弹簧浮置板基频在15 Hz～16 Hz之间。因此，橡胶浮置板轨道基频无法避开软土地区的振动放大频段，在富水软土地区选择钢弹簧浮置板更为合理。

3.2 富水地区钢弹簧浮置板隔振效果分析

基于车辆—轨道—下部基础耦合动力学模型对比分析富水地区钢弹簧浮置板和整体道床的各结构动力学特性，提取板中位置钢轨、轨道板以及基底的最大位移和加速度有效值见表4。

表4 钢弹簧浮置板和整体道床的结构动力特性对比

由表4可知，在垂向最大位移方面，采用浮置板后，钢轨和轨道板的位移显著增加，但仍小于《浮置板轨道技术规范》［6］规定限值，这是由于钢弹簧隔振器降低了轨下和板下刚度所致;基底的位移略微减小，这是由隔振器的缓冲作用导致的。

同样地，在垂向加速度有效值方面，采用浮置板后，钢轨和轨道板的加速度有效值增加，基底的加速度有效值显著减小，说明振动主要由钢轨和轨道板承受，传递到下部基础的振动显著降低。

为进一步比对其减振效果，提取隧道壁上距钢轨顶面约1.5 m高处的垂向振动加速度，采样点位置如图4所示，计算隧道壁垂向加速度Z振级的插入损失如图5所示。

图4 隧道壁垂向加速度采样点

图5 隧道壁垂向加速度Z振级插入损失

由图5可知，采用钢弹簧浮置板后部分频段具有明显的减振效果。当频率为200 Hz时，减振效果最佳，插入损失为22.18 dB。当频率在16 Hz附近时，其减振效果较差，但并未出现基频放大的现象。

根据规范［6］，减振效果的评价指标应对浮置板轨道与整体道床比较分频振级均方根的差值Δla。频率范围取1 Hz～80 Hz，计算总振级后发现减振轨道减振效果为Δla=12.35 dB。由此可知，在富水软土地区使用短板钢弹簧浮置板轨道可以明显减小列车动荷载对下部基础产生的振动。

4 结语

在富水地区，车辆动力作用经由土体传递后在低频范围(16 Hz～32 Hz)增加明显。采用短板钢弹簧浮置板轨道后，能够显著降低列车动荷载对下部基础的振动响应。板中位置结构变形能够满足规范要求，减振效果约为12.35 dB。