預制浮置板軌道隔振性能研究

曾 成 耿傳智 徐天然

預制浮置板軌道是在預制件廠生產的一種標準長度為3.6 m的軌道板，通過軌道車和現場龍門吊車運送到現場進行鋪設。預制浮置板施工可一步到位（傳統現澆浮置板軌道施工，混凝土凝固需28天后才具備頂升條件），從而有效縮短軌道施工工期，加快工程建設進度。本文對鋼彈簧浮置板軌道和橡膠浮置板軌道2種預制浮置板軌道隔振性能進行研究。

1 預制浮置板軌道結構特點

1.1 鋼彈簧浮置板軌道

與橡膠浮置板相比，鋼彈簧浮置板與隧道基底間只需極小的空隙（約40 mm），因此，能夠更好地滿足隧道限界要求。為提高軌道結構縱向與橫向的彈性，同時防止沙石、塵土進入浮置板與隧道底板之間的間隙，形成新的振動源，在浮置板的相互連接處及浮置板與隧道內壁之間的間隙間均設有橡膠支擋。在2塊預制板的端部的側面和中間設置4組夾板式剪力鉸，并在凸臺上預留檢修孔（圖1）。

1.2 橡膠浮置板軌道

橡膠浮置板軌道一般由鋼筋混凝土板、橡膠支座、混凝土底座和配套扣件組成。本文中研究的橡膠浮置板軌道采用橡膠支座的點支承型式。橡膠支座點支承型式支撐面小，抵抗軌道縱向力和橫向力的能力差，為將變形限制在可靠范圍內，必須使材料的剪切模量、彈性模量、支承橡膠厚度和墊板大小匹配。如果設計合理，可使得軌道結構整體固有頻率低、減振效果好且維修方便。本研究中，橡膠浮置板軌道考慮有凸臺和無凸臺2種型式（圖2、圖3）。

2 浮置板軌道結構振動頻率分析

2.1 有限元模型

圖1 鋼彈簧浮置板軌道示意圖

圖2 有凸臺橡膠浮置板軌道示意圖

本文分別建立鋼彈簧浮置板、有凸臺橡膠浮置板和無凸臺橡膠浮置板軌道三維有限元模型見圖4～圖6。模型中鋼軌以三維梁單元BEAM188來模擬，2個相鄰扣件之間的鋼軌作為1個梁單元，每個鋼彈簧支座和橡膠支座以及扣件都以彈簧阻尼單元COMBIN14來模擬，軌道板均以實體單元SOLID185模擬。浮置板軌道結構模態分析的荷載取零位移約束荷載。

2.2 有限元分析參數

3種浮置板軌道結構模型均采用相同的鋼軌和扣件，其參數如下：

（1）鋼軌。質量60kg/ m，截面面積77.45 cm2，截面慣性矩3 217 cm4，彈性模量210 GPa，泊松比 0.3；

（2）扣件。剛度30 kN/ mm；

（3）鋼彈簧浮置板。長3.6 m，寬2.7 m，浮置板厚分別取0.25 m、0.3 m和0.35 m。凸臺高分別取0.1 m、0.15 m和0.2 m，凸臺寬1 m。板下鋼彈簧支座布置間距1.2 m，單塊板布置6個鋼彈簧支座，鋼彈簧支座靜剛度7 kN/ mm；

圖3 無凸臺橡膠浮置板軌道示意圖

圖4 鋼彈簧浮置板軌道有限元模型

圖5 有凸臺橡膠浮置板軌道有限元模型

圖6 無凸臺橡膠浮置板軌道有限元模型

（4）有凸臺橡膠浮置板。長3.6 m，寬2.7 m，復制板厚分別取0.25 m、0.3 m和0.35 m。凸臺高分別取0.1 m、0.15 m和0.2 m，凸臺寬1 m。板下橡膠支座布置間距1.1 m，單塊板布置8個橡膠支座，橡膠支座靜剛度6 kN/mm。

（5）無凸臺橡膠浮置板。長3.6 m，寬2.7 m，復制板厚分別取0.25 m、0.3 m和0.35 m。板中2個孔洞尺寸為0.5 m×0.6 m，板下橡膠支座布置間距1.1 m，單塊板布置8個橡膠支座，橡膠支座靜剛度6 kN/ mm；

為了更好地確定預制浮置板軌道結構的參數對結構振動特性的影響，本文分別采用了不同凸臺厚度、不同板厚度的浮置板。通過以上參數對各自振動模態的影響分析，得到各自的模態特性，而后再進行對比分析。

2.3 計算結果及分析

浮置板軌道是將具有一定質量和剛度的混凝土板浮置在隔振器上，構成質量-彈簧隔振系統。根據理論分析可知，盡管浮置板軌道結構具有很多高階振動模態，但當列車通過時對隔振效果起關鍵作用的是浮置板軌道結構的固有振動頻率，尤其是低階固有頻率。為此，本文計算了浮置板軌道結構在各種不同參數影響下的前5階固有頻率，結果如表1、表2及圖7、圖8所示。從表1、表2以及圖7、圖8中可以看出：

（1）鋼彈簧浮置板軌道的1階固有頻率通常在8～10 Hz范圍內，橡膠浮置板軌道的1階固有頻率通常在11～14 Hz范圍內；

（2）隨著浮置板厚度的增加，浮置板軌道的固有頻率在1～3階時呈現遞減趨勢，即，質量越大，固有頻率越低，而固有在頻率4～5階時卻隨著浮置板厚度（質量）的增加有所增加；

（3）隨著浮置板凸臺厚度的增加，浮置板軌道的固有頻率在1～3階時呈現遞減趨勢，即，質量越大，固有頻率越低，而固有頻率在4～5階時卻隨著凸臺厚度（質量）的增加有所增加；

（4）加裝凸臺使得橡膠浮置板軌道的1階固有頻率有明顯降低，但是相比于鋼彈簧浮置板軌道的1階固有頻率仍然高出不少。

3 落軸試驗分析

3.1 落軸試驗

落軸試驗是在選定的軌道斷面上，輪對由一定高度做自由落體運動，垂直沖擊鋼軌軌面，測定鋼軌、軌道板與基底等軌道結構各部分的振動加速度，分析軌道振動傳遞和衰減規律，評價軌道結構的隔振效果。本試驗采用1 200 kg輻條式輪對，在浮置板試驗線上進行落軸沖擊試驗，不同的落軸高度對應不同的沖擊荷載，本次試驗統一采用15 mm的落軸高度（圖9）。

表1 不同浮置板厚度下浮置板軌道固有頻率

表2 不同凸臺厚度下浮置板軌道固有頻率

圖7 不同浮置板厚度下1階固有頻率

圖8 不同凸臺厚度下1階固有頻率

試驗中在鋼彈簧浮置板、有凸臺橡膠浮置板和無凸臺橡膠浮置板兩側鋼軌、浮置板面和地面分別布置垂向加速度測點 （圖10）。

3.2 落軸試驗結果分析

圖9 落軸試驗現場

本試驗測量了鋼彈簧浮置板、有凸臺和無凸臺橡膠浮置板3種落軸試驗工況下，鋼軌、板面和地面的1/3倍頻程垂向加速度振級，見圖11～13，從圖11～13可以看出：

（1）3種工況下1/3倍頻程曲線在15 Hz左右出現第1個峰值，說明浮置板軌道結構在15 Hz頻段振動敏感，容易發生共振；

（2）鋼彈簧浮置板在40 Hz以下的振動中比橡膠浮置板隔振效果好；

（3）浮置板到地面的振動傳遞損失，在60 Hz以下時傳遞損失達到25 dB以上，在60 Hz以上時傳遞損失達到40 dB以上；

（4）橡膠浮置板在80 Hz以上時的隔振效果好于鋼彈簧浮置板。

圖10 試驗測點布置示意圖

為比較3種浮置板軌道振動的傳遞損失，進而比較其隔振性能，表3、表4給出了1～80 Hz計權和1～200 Hz計權時3種浮置板軌道鋼軌、板面和地面測點的振級。通過計算表3中3種浮置板軌道鋼軌和地面測點的振級平均值的差，可以得出：

圖11 鋼彈簧浮置板軌道測點1/3倍頻程垂向加速度振級

圖12 有凸臺橡膠浮置板軌道測點1/3倍頻程垂向加速度振級

圖13 無凸臺橡膠浮置板軌道測點1/3倍頻程垂向加速度振級

（1）1～80 Hz計權時，鋼彈簧浮置板軌道、有凸臺橡膠浮置板和無凸臺橡膠浮置板軌道振動傳遞損失（振級平均值的差，以下同）分別為30.42 dB、26.69 dB和25.84 dB；1～200 Hz計權時，3種浮置板軌道振動傳遞損失分別為31.04 dB、26.85 dB和25.94 dB。這說明，使用1～200 Hz計權可以得到較大的振動傳遞損失，體現了浮置板軌道結構高頻濾波的工作特性；

（2）從鋼彈簧浮置板軌道、有凸臺橡膠浮置板和無凸臺橡膠浮置板軌道振動傳遞損失可以看出，鋼彈簧浮置板軌道振動傳遞損失大于橡膠浮置板軌道，有凸臺橡膠浮置板軌道振動傳遞損失大于無凸臺橡膠浮置板軌道。這說明，鋼彈簧浮置板軌道隔振性能優于橡膠浮置板軌道，有凸臺橡膠浮置板軌道隔振性能優于無凸臺橡膠浮置板軌道。

4 結語

本文通過浮置板軌道的固有振動頻率分析以及浮置板軌道落軸試驗數據分析可以得到如下結論出：

（1）鋼彈簧浮置板軌道的1階固有頻率通常在8～10 Hz范圍內，橡膠浮置板軌道的1階固有頻率通常在11～14 Hz范圍內；

表3 3種浮置板軌道振動加速度總振級 dB

（2）在滿足列車安全運行的情況下，選擇較大的浮置板厚度、加裝凸臺以及提高凸臺厚度都可以使浮置板軌道結構的隔振性能有所提高。

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