浮置板軌道結(jié)構(gòu)板下支承剛度研究

李貴闊+劉帥

摘 要：基于有限元理論建立浮置板軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析模型，分析了板下支承剛度對結(jié)構(gòu)動力特性的影響。

關(guān)鍵詞：浮置板軌道；支承剛度；動力特性；結(jié)構(gòu)參數(shù)

中圖分類號：U211.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.087

因?yàn)楦≈冒遘壍澜Y(jié)構(gòu)具有良好的減振性能被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校等特殊地段。板下支承剛度是浮置板軌道結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對結(jié)構(gòu)各部分變形、行車的安全性和旅客的舒適性等都有很大的影響。本文運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立浮置板軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析模型，從動力學(xué)的角度入手，研究了浮置板軌道合理的板下支承剛度。

1 動力學(xué)分析模型

基于車輛—軌道動力學(xué)理論建立的瞬態(tài)分析動力學(xué)模型如圖1所示。

2 浮置板軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

依據(jù)工程的實(shí)際情況，浮置板軌道結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如下：

鋼軌：每延米質(zhì)量為60.64 kg；鋼軌高度為0.176 m；彈性模量E為210 GPa；泊松比為0.3；鋼軌容重為7 960 kN/m3。浮置板：彈性模量E為35 GPa；寬為3 m；厚度為0.4 m；泊松比為0.2；密度為2 500 kg/m3。

扣件：間距為0.625 m；阻尼為50 kN·s/m；剛度為50 kN/mm。

鋼彈簧：垂向剛度為10 kN/mm；阻尼為75 kN·s/m。

3 有限元模型的建立

浮置板軌道結(jié)構(gòu)的垂向振動特性是本文研究的重點(diǎn)，所以，可以在鉛垂面內(nèi)簡化處理車輛模型和浮置板軌道模型。采用單輪附有簧上質(zhì)量的模型來模擬車輛，忽略了車體的點(diǎn)頭振動，只考慮浮沉振動，由于轉(zhuǎn)向架框架質(zhì)量相對車體質(zhì)量比較小，所以，將轉(zhuǎn)向架質(zhì)量并入單輪形成單層動力系統(tǒng)。車輪和車體質(zhì)量均用mass21單元來模擬，用combine14單元模擬一系彈簧，鋼軌和浮置板用beam3單元模擬，鋼彈簧和扣件用combine14單元模擬。在模型中，約束浮置板和鋼軌的縱向位移，對鋼彈簧下部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束。列車運(yùn)行速度為80 km/h，不考慮軌道不平順的影響。受計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，考慮一節(jié)車廂、四對輪對通過的情況。

本文采用位移接觸法實(shí)現(xiàn)動載的施加。位移接觸法不用考慮質(zhì)量彈簧系統(tǒng)在梁上移動的位置，因此，單元長度劃分相對自由，采用比較小的移動荷載步長可以得到相對更好的加速度反應(yīng)。

4 鋼彈簧支承剛度對系統(tǒng)動力特性的影響

鋼彈簧支承剛度對浮置板軌道結(jié)構(gòu)的振動特性有重要的影

響。本文通過改變鋼彈簧支承剛度來研究浮置板軌道結(jié)構(gòu)各部分動力響應(yīng)的變化規(guī)律。固定其他參數(shù)不變，當(dāng)支承剛度分別為7.6 kN/mm、10 kN/mm、20 kN/mm、35 kN/mm和50 kN/mm時，鋼軌位移、浮置板位移、浮置板加速度和傳至隧道基礎(chǔ)的力等參數(shù)與支承剛度的關(guān)系分別如圖2、圖3、圖4所示。

由圖2、圖3、圖4可知，

鋼彈簧剛度對鋼軌、浮置板的

位移和傳遞到隧道基礎(chǔ)的力有

較大的影響，對浮置板加速度

的影響比較小。隨著鋼彈簧剛

度的增加，鋼軌和浮置板的位

移均呈下降趨勢。其中，鋼軌

位移由3.14 mm減小到1.01 mm，

浮置板位移由2.66 mm減小到0.537 mm，浮置板加速度基本呈略微增長的趨勢，由2.24 m/s2增長到了2.398 m/s2。傳遞到隧道基礎(chǔ)的力也隨著剛度的增加有較大的增長。當(dāng)鋼彈簧剛度大于20 kN/mm時，鋼軌位移、浮置板位移變化曲率減小，而傳遞到隧道基礎(chǔ)的力增加的曲率基本沒有變化。由此可以得到以下結(jié)論：增加彈簧剛度可以降低鋼軌和浮置板的垂向位移，但是，這樣會使得浮置板振動加劇和傳遞到隧道基礎(chǔ)的力急劇增加。因此，不宜選擇支承剛度過大的鋼彈簧。合理的鋼彈簧支承剛度應(yīng)以降低對地鐵隧道的振動影響為前提，既要滿足降低鋼軌和浮置板過大位移的要求，又要盡量減小軌道板的振動和基礎(chǔ)反力的增加。

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用動力學(xué)分析方法分析了不同支承剛度下浮置板軌道結(jié)構(gòu)的動力特性。由此可得，鋼彈簧支承剛度的取值不宜過大，并且要結(jié)合結(jié)構(gòu)的位移限值、浮置板的振動和基礎(chǔ)反力等因素綜合考慮。

參考文獻(xiàn)

[1]王漢民.城市軌道交通浮置板軌道振動特性研究及對鄰近建筑物的影響[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

〔編輯：白潔〕