王富雙，岳渠德，高云峰，曲鵬飛(．青島理工大學(xué);．青島四方車輛研究所有限公司;．山東中建房地產(chǎn)開發(fā)有限公司)

浮置板軌道系統(tǒng)性能計(jì)算分析報(bào)告

王富雙1，岳渠德1，高云峰2，曲鵬飛3
(1．青島理工大學(xué);2．青島四方車輛研究所有限公司;3．山東中建房地產(chǎn)開發(fā)有限公司)

摘要:初步分析得到彈簧浮置板軌道系統(tǒng)固有頻率尤其是低頻主要取決于浮置板的質(zhì)量。為避免與軌道激勵譜中高能量的激勵頻率接近，引發(fā)浮置板的固體發(fā)聲，或與周圍建筑的固有頻率特別是樓板的固有頻率接近而引起建筑的二次振動及噪聲，可通過改變扣件節(jié)點(diǎn)剛度、隔振器剛度來調(diào)整浮置板軌道的高階固有頻率段。

關(guān)鍵詞:城市軌道;軌道減振;浮置板

中圖分類號:U415

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:C

文章編號:1008－3383(2015)04－0185－02

浮置板軌道結(jié)構(gòu)一般由鋼筋混凝土浮置板、彈性支座或彈性墊、混凝土底座及配套扣件組成。該結(jié)構(gòu)是用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上，浮置板置于可調(diào)的彈性支座上，浮置板兩側(cè)用彈性材料固定，形成一種質(zhì)量—彈簧隔振系統(tǒng)。根據(jù)德國實(shí)測資料和中國鐵道科學(xué)研究院的模型試驗(yàn)結(jié)果，減振效果可達(dá)20～40 dB，缺點(diǎn)是造價(jià)較高，施工工期較長。各國采用的浮置板軌道結(jié)構(gòu)形式較多，大體可分為三類:鋼彈簧浮置板軌道、橡膠彈簧浮置板軌道和隔振墊浮置板軌道。文章對諸如“點(diǎn)支撐式”鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)技術(shù)要求，初步反復(fù)試算。

1　研究內(nèi)容

1．1浮置板系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

(1)浮置板的區(qū)間布置

在確定隔振器型號之前須解決的首要問題是隔振段起止點(diǎn)的選取、單塊浮置板的長度選取、以及浮置板的截面選取。

(2)浮置板截面選型

浮置板的截面直接決定了浮置板系統(tǒng)的質(zhì)量(重量)特性，是浮置板系統(tǒng)的最主要參數(shù)之一，直接影響到系統(tǒng)的主要頻率。

1．2隔振器選型設(shè)計(jì)

隔振器選型同樣決定了浮置板系統(tǒng)的主要頻率，它是鋼彈簧浮置板系統(tǒng)的主要剛度來源，也是控制車輛從普通道床平滑、順利過渡到隔振段的主要保證。

1．3隔振系統(tǒng)動力分析

浮置板系統(tǒng)的模態(tài)分析主要是指浮置板結(jié)構(gòu)固有特性的計(jì)算，其主要輸出結(jié)果有:前幾階固有頻率，模態(tài)變形圖，模態(tài)質(zhì)量等。

1．4浮置板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

浮置板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)是滿足結(jié)構(gòu)的整體安全性要求及車輛的正常使用要求的首要保證，必須進(jìn)行合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，綜合考慮各種可能的、實(shí)際的荷載工況，引入動力荷載的影響，考察重點(diǎn)部位的位移、內(nèi)力、應(yīng)力水平，且在此過程中進(jìn)行正常使用狀態(tài)的各種驗(yàn)算，保證車輛的正常行駛不受影響，而且保證其它附屬結(jié)構(gòu)不受影響。文章采用Abaqus非線性有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，主要計(jì)算系統(tǒng)豎向固有頻率;鋼軌、浮置板豎向位移、橫向位移以及浮置板的內(nèi)力(彎矩、剪力等)。

2　計(jì)算模型

浮置板軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型組成主要包括鋼軌、扣件節(jié)點(diǎn)、浮置板和隔振器等四部分，并以此建立有限元模型，其中鋼軌采用梁單元，扣件、隔振器采用彈簧單元，浮置板采用實(shí)體單元，如圖1所示。其中，圖中X方向?yàn)楦≈冒遘壍罊M向，Y方向?yàn)檐壍镭Q向，Z方向?yàn)檐壍揽v向。

圖1　彈簧浮置板軌道計(jì)算模型

3　主要計(jì)算參數(shù)

(1)鋼軌:鋼軌采用60軌，全長25 m;彈性模量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:扣件間距625 mm，模型兩端距鄰近扣件間距為312．5 mm;扣件節(jié)點(diǎn)剛度初步定為80 kN/mm;

(3)浮置板:浮置板混凝土采用C40，全長25 m，截面尺寸詳見圖1;彈性模量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設(shè)置，兩端設(shè)置過渡分布，詳見圖2所示;剛度初步定為6．0 kN/mm; (5)設(shè)計(jì)軸重: 140 kN; (6)最高速度: 80 km/h。

4　模態(tài)計(jì)算結(jié)果

有關(guān)研究文獻(xiàn)表明:地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動一般主要分布于40～80 Hz的頻段。其中直接決定浮置板軌道系統(tǒng)固有特性及減振性能的是第一階豎向固有頻率。高階模態(tài)及頻率的計(jì)算則主要針對于需進(jìn)行頻率回避驗(yàn)算的環(huán)境要求。浮置板軌道系統(tǒng)模型質(zhì)量主要來自于浮置板(本計(jì)算工況未考慮車輛軸重質(zhì)量)，剛度主要來自于隔振器，前五階浮置板軌道模態(tài)如圖2～6所示。其中圖4為浮置板軌道

第一階豎向模態(tài)，其固有頻率為14．7 Hz。

圖2　第一階浮置板道床模態(tài)固有頻率14．7 Hz

圖3　第二階浮置板道床模態(tài)固有頻率40．2 Hz

圖4　第三階浮置板道床模態(tài)固有頻率78．4 Hz

圖5　第四階浮置板道床模態(tài)固有頻率85．5 Hz

圖6　第五階浮置板道床模態(tài)固有頻率103．7 Hz

由圖2～4可以看出，在由地鐵運(yùn)行引起環(huán)境振動的40 ～80 Hz范圍內(nèi)，浮置板道床主要以縱向彎曲振動為主。表1給出了該彈簧浮置板軌道前8階振型空間三個方向的模態(tài)參振質(zhì)量分布。結(jié)合圖5～6及表1可以看出，浮置板在高頻的模態(tài)參振質(zhì)量非常小，且軌道橫向(X向)和縱向(Z方向)較豎向更小。

表1　彈簧浮置板模態(tài)參振質(zhì)量分布

圖7給出了不同彈簧隔振器剛度(K1= 6 kN/mm、K2= 10 kN/mm)情況下浮置板軌道系統(tǒng)的固有頻率。從圖7可以看出，浮置板軌道系統(tǒng)固有頻率隨隔振器剛度的變化不大，尤其是對其低頻(如前4階模態(tài))的影響甚微，主要表現(xiàn)在對高頻的影響。

圖7　不同彈簧隔振器剛度下浮置板軌道系統(tǒng)固有頻率

5　結(jié)論及建議

(1)該彈簧浮置板軌道系統(tǒng)一階豎向固有頻率為14．7 Hz，若考慮到一個車的軸重56 t，則該系統(tǒng)固有頻率約為10．8 Hz＞7 Hz，能滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求;

(2)彈簧浮置板軌道系統(tǒng)固有頻率，尤其是低頻主要取決于浮置板的質(zhì)量(截面、長度等參數(shù))，同時(shí)為避免與軌道激勵譜中高能量的激勵頻率接近，引發(fā)浮置板的固體發(fā)聲，或與周圍建筑的固有頻率特別是樓板的固有頻率接近而引起建筑的二次振動及噪聲，可通過改變扣件節(jié)點(diǎn)剛度、隔振器剛度來調(diào)整浮置板軌道的高階固有頻率段;

(3)從該彈簧浮置板前4階模態(tài)及三方向參振質(zhì)量分布可以看出，浮置板道床在低頻段主要還是以豎向剛體振動為主，這對彈簧隔振系統(tǒng)的隔振效率并無負(fù)面影響。

另外，還需從鋼軌、浮置板位移及其內(nèi)力計(jì)算出發(fā)，最終確定扣件、隔振器的合理剛度選型匹配及平面布置。

參考文獻(xiàn):

［1］青島地鐵一期工程(M3線)可行性研究報(bào)告.

［2］地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50157－2003)［S］.

［3］混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010－2010)［S］.

［4］城市軌道交通彈簧浮置板軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(QGD－001－2009)［S］.

作者簡介:王富雙(1988－)，男，碩士，研究方向:橋梁與隧道工程。

收稿日期:2014－12－23