既有減振軌道插入質量調諧系統減振性能研究

周 奎，耿傳智

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

既有減振軌道插入質量調諧系統減振性能研究

周 奎，耿傳智

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

文章針對目前廣泛應用的減振軌道，提出了插入質量調諧系統的方法，并通過有限元分析研究了結構改造前后的減振性能以及各參數對減振性能的影響，以期為今后城市軌道交通建設起到指導和促進作用。

城市軌道交通；軌道減振；質量調諧系統；減振性能

0 引言

隨著全國城市軌道交通運營規模的不斷擴大，很多在設計初期未得到重視或由于技術水平限制的問題逐漸暴露出來，在這其中，當時采用減振器式軌道在城市軌道交通運營期間給城市環境帶來的振動與噪聲問題逐漸顯現出來。如何在保證運營時間的可靠性前提下，對既有減振軌道進行改進，顯得十分迫切。本文針對這一問題，提出了針對性的改造方案。

1 質量調諧系統改造方案

本文的研究目的是針對地鐵既有減振軌道，在不破壞道床的基礎上，利用列車的停運時間進行改造，以達到減振的效果。既有減振軌道如圖1所示，減振器的高度在90 mm 左右。改造方案是將既有減振軌道中的減振器拆除，在不抬高軌頂高度的前提下，有效利用減振器高度的空間，在軌道與道床間插入一自振振動頻率遠低于激振頻率的新減振系統——質量調諧系統，通過質量-彈簧系統的慣性運動，把列車運行產生的振動進行較大衰減后，再傳遞給道床和隧道等結構，以達到減振的目的（圖2）。

圖1 既有減振軌道示意圖（單位：mm）

圖2 質量調諧系統軌道示意圖（單位：mm）

根據減振的需求情況，改造方案又可分為：中部加厚型、兩端加厚型、中部兩端均加厚型、中部兩端均不加厚型。

2 質量調諧系統減振性能仿真分析

2.1 振動響應計算方法

本文采用 Newmark 法進行振動力響應時域分析。Newmark 法作為一種常用的無條件穩定的隱式算法，其頻率范圍主要在50～80 Hz。Newmark 法是線性加速度法的一種推廣，具體求解步驟如下。

（1）形成系統的剛度矩陣 [K]、質量矩陣 [M] 和阻尼矩陣 [C]。

（3）選擇時間步長 Δt、參數γ、δ（通常γ≥0.5，δ≥0.25），積分常數如下：

然后，對每一步長進行下列計算：

根據振型正規化條件，待定常數α，β與振型阻尼比之間應滿足關系：

（4）根據實際測得的加速度時程曲線，進行離散Fourier變換得到頻域內對應于各頻率的幅值 ，其中：

2.2 有限元模型

基于改造軌道結構的實際特性，本文分別建立了既有減振軌道和改造后質量調諧系統軌道的有限元模型（圖3、圖4）。軌道減振器、支座和扣件系統均考慮為1個彈簧阻尼單元（combination14），質量調諧系統鋼板和隧道壁折算結構均設置為實體模型（solid185），鋼軌采用三維彈性梁單元（beam4）模擬。

圖4 質量調諧系統軌道有限元模型

2.3 主要計算參數

為了如實的反應理論結構的力學特性，并且力求達到模擬計算得到的結果對工程實際應用有參考作用，在建立三維有限元分析模型的時候，各種參數取自實際情況，主要設計參數如下。

通用參數：鋼軌采用60 kg/m軌，A=77.45 cm2，Iz=3217 cm4，E=210 GPa，μ=0.3；扣件剛度選用10 kN/mm，隧道壁折算結構E=34.5 GPa，μ=0.16，密度2600 kg/m3。

質量調諧系統模擬計算參數：材料為鋼材，E=210 GPa，μ=0.3，密度7800 kg/m3；截面板寬2.7 m，軌下部分厚度分別取0.06、0.07、0.08 m，板中央凸臺（加厚）部分厚度分別取0.02、0.06、0.10 m，單板長度取3.6 m；支座剛度分別取8、14、20 kN/mm，布置間距1.2 m；扣件剛度分別取8、20、40 kN/mm，布置間距0.6 m。

2.4 質量調諧系統振動頻率分析

模態分析用于確定設計結構的振動特性（自振頻率和振型），它們是承受動態荷載結構設計中的重要參數。根據隔振理論，一般自振頻率越低隔振性能越好。表1給出了各工況下質量調諧系統的一階自振頻率，既有減振軌道的自振頻率大概在70 Hz 左右。

2.5 隧道壁振動響應分析

通過作用在鋼軌上并傳遞到隧道壁的垂向輪荷載來分析軌道減振系統結構改造前后的減振性能。本文分別計算了表1中的各種工況下隧道壁振動響應，對比分析各參數對質量調諧系統隔振性能的影響。質量調諧系統施加的荷載采用預制裝配式浮置板軌道的測試輪軌力，各模型測試輪軌力的作用點取于模型中斷近似位置（本文模型建立3塊板，故輪軌力作用在第2段鋼軌的中部），以縮小端部影響。動力響應分析點取為第2塊板下中間支座與隧道壁連接處節點（圖5、圖6）。

表1 各工況下質量調諧系統的一階自振頻率

圖5 測試輪軌力時域圖

圖6 模型加載示意圖

2.5.1 軌下部分不同厚度下振動響應

利用所拆除既有軌道減振器的高度，插入質量調諧系統的軌下部分厚度可變范圍非常有限，本文將質量調諧系統軌下部分厚度分別取為0.06、0.07、0.08 m。從圖7可以看出，伴隨著質量調諧系統軌下部分厚度的增加隧道壁上垂向加速度級減小很少，這與表1中軌下部分厚度增加后自振頻率降低很小的結果吻合，只有25 Hz 之后的振級有1 dB 的差距，25 Hz 之前的曲線基本重合，總振級也基本相同。所以在質量調諧系統中應采用較小厚度的鋼板，既節省材料也為支座及扣件留出足夠的豎向安裝空間。

2.5.2 凸臺部分不同厚度下振動響應

從圖8可以看出，本文將質量調諧系統凸臺部分厚度分別取為0.02、0.06、0.10 m，結構的自振頻率減小量較之軌下部分加厚更加明顯，這是由于結構質量的增加量更大導致的，隧道壁上垂向加速度級在40 Hz 之前變化很小，只有40 Hz 之后隨著凸臺部分加厚振級有所下降。所以在減振需求未滿足情況下，可以選擇加厚凸臺部分以達到減振效果。

圖7 不同軌下部分厚度下隧道壁垂向加速度1/3倍頻程振級（計權）

圖8 不同凸臺部分厚度下隧道壁垂向加速度1/3倍頻程振級（計權）

2.5.3 不同支座剛度下振動響應

從表1和圖9可以看出，本文將支座剛度分別取為8、14、20 kN/mm，伴隨著支座剛度的增加，自振頻率也在增大，且20 Hz 之后隧道壁上垂向加速度級也增加了2～3 dB，所以在質量調諧系統中應在滿足安全的條件下盡可能采用低剛度的支座，降低隧道壁垂向振級，提高質量調諧結構的隔振能力。

圖9 不同支座剛度隧道壁垂向加速度1/3倍頻程振級（計權）

2.5.4 不同扣件剛度下振動響應

從圖10可以看出，本文將扣件剛度分別取為8、20、40 kN/mm，伴隨著支座剛度的增加，自振頻率變化很小，但是隧道壁上垂向加速度級在25 Hz 到60 Hz 頻段增大了1～2 dB，其中30 Hz 到40 Hz 之間大概增加了2 dB 左右，這可能是由于質量調諧系統對于該頻段的隔振效果不明顯，所以在改造結構中應在安全運行的情況下盡可能采用低剛度的扣件，降低隧道壁垂向振級，提高質量調諧系統的隔振能力。

2.5.5 不同板長度下振動響應

從表1和圖11可以看出，本文將板長度分別取為3.6、4.8、6.0 m，伴隨著長度增加，自振頻率幾乎不變，10 Hz 到30 Hz 之間隧道壁加速度振級增大，30 Hz之后曲線幾乎重合，總振級伴隨著長度增加也有所提高。綜合下來，質量調諧系統中應選用短板，既方便安裝且隔振性能更好。

3 結論

（1）質量調諧系統各工況下自振頻率均遠小于既有減振軌道，對比既有減振軌道和質量調諧系統軌道的隧道壁振級可知，質量調諧系統可以降低17 dB 左右，而且在50 Hz 到80 Hz 頻段顯著降低了隧道壁振動響應，可以滿足既有線路改造的要求，提升既有線路的減振效果。

（2）質量調諧系統軌下部分厚度在有限的變化范圍內對于隔振效果的影響并不明顯，應選用薄板方便安裝且節省材料；凸臺部分加厚，在40 Hz 之后振級有所下降，所以在減振要求未達到時，可選擇加厚凸臺部分以達到減振效果；支座剛度和扣件剛度對于隔振效果明顯，在安全運行的基礎上，應盡量選用低剛度支座和扣件以達到隔振效果；隨著板長度增加隔振效果降低，因此應選擇短板，方便安裝且隔振效果更好。

圖10 不同扣件剛度隧道壁垂向加速度1/3倍頻程振級（計權）

圖11 不同板長度隧道壁垂向加速度1/3倍頻程振級（計權)

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責任編輯 朱開明

Study on Damping Performance of Existing Vibration Damping Track Insertion Quality Tuning System

Zhou Kui, Geng Chuanzhi

Vibration damping track has been widely used in urban rail transit. In order to further improve the vibration damping performance of track, the effective use of space between track and ballast, the paper puts forward the method of inserting the quality tuning system, and study the infl uence of vibration damping performance of structure before and after the modification and the parameters on the vibration damping performance through fi nite element analysis in order to guide and promote the construction of urban rail transit in the future period.

urban rail transit, track vibration damping, quality tuning system, vibration damping performance

U213.2+42

2016-04-20

周奎（1992—），男，碩士研究生