160 km/h市域快線鋼彈簧浮置板軌道研究

李 子 杰

(武漢市第二中學,湖北 武漢 430010)

?

·道路·鐵路·

160 km/h市域快線鋼彈簧浮置板軌道研究

李 子 杰

(武漢市第二中學,湖北 武漢 430010)

針對市域快線實際運營條件，優化了鋼彈簧浮置板軌道方案，并建立了鋼彈簧浮置板軌道有限元模型，分析了振動性能和減振效果，計算結果表明，優化后鋼彈簧浮置板方案減振效果達18 dB以上，鋼軌動態下沉量滿足相關規范的要求，市域快線特殊減振地段采用鋼彈簧浮置板是可行的。

市域快線，減振效果，鋼彈簧浮置板，有限元模型

0 引言

鋼彈簧浮置板是一種道床類軌道減振結構，主要由混凝土道床板和鋼彈簧隔振器等組成，可用于特殊和高等級減振地段。由鋼彈簧和阻尼組成的隔振系統具有減振效率高、壽命長、養護維修方便等特點。通過鋼彈簧隔振器彈性支撐混凝土道床板與鋼軌扣件系統，組成質量—彈簧隔振系統，減少列車經過時傳遞到隧道結構的振動，對地鐵沿線城市環境區域起到很好的保護作用。截至目前，鋼彈簧浮置板已成功應用于我國20多個城市，在地鐵和輕軌中取得了豐富的應用經驗，能夠適用于設計速度100 km/h、軸重14 t的線路。

我國正在規劃和建設的部分市域快線(如溫州和臺州)最高設計速度160 km/h，最大軸重17 t，并開行市域動車組。市域快線穿越人口密集的地段時，經環境影響評價后需要采用特殊減振措施。目前國內外在市域快線采用鋼彈簧浮置板的經驗非常有限，與市域快線運行條件接近的幾條運營線情況：北京地鐵14號線浮置板地段時速80 km，軸重17.5 t，開通運營時間為2015年；上海地鐵16號線浮置板地段時速120 km，軸重16 t，開通運營時間為2014年；日本筑波快線浮置板地段時速160 km，軸重15 t，開通運營時間為2005年。市域快線采用鋼彈簧浮置板的關鍵技術問題是其減振效果和鋼軌動態下沉量能否同時滿足要求。鋼彈簧浮置板能否適應市域快線這種速度快、軸重大的運營條件，迫切需要在基礎理論和結構設計上進行深入研究。

1 市域快線鋼彈簧浮置板設計方案

某市域快線設計速度160 km/h，軸重17 t，為了適應以上運營條件，在以往地鐵應用經驗基礎上擬定了鋼彈簧浮置板軌道方案，較以往普通地鐵工況增加了浮置板厚度和寬度，提高單位長度重量，優化了隔振器剛度和布置方式。浮置板寬度3 400 mm，厚度510 mm，單位長度重量4.335 t/m；隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，單位長度剛度為11.0 kN/mm。浮置板布置方案如圖1～圖3所示。

2 方案減振效果分析

2.1 有限元模型及參數

建立市域快線彈簧浮置板軌道有限元模型如圖4所示，模型為三塊浮置板通過剪力鉸相連。

有限元模型的組成：

浮置板：單塊浮置板長度24.97 m，材料為C40混凝土，采用Shell單元。

鋼軌：鋼軌斷面使用我國標準60 kg/m鋼軌斷面，斷面積、斷面尺寸與慣性矩等與標準60 kg/m鋼軌一致，采用Frame單元。

扣件：扣件連接鋼軌與浮置板，垂向剛度35 kN/mm，采用Link單元。

隔振器：浮置板通過隔振器與隧道壁相連，隔振器布置見相關圖紙，隔振器采用Damper單元，輸入隔振器的等效剛度與阻尼，隔振器下部約束X，Y和Z方向位移。

剪力鉸：浮置板之間由四組剪力鉸連接，剪力鉸鉸棒為直徑45 mm鋼棒，采用Frame單元。

2.2 模態分析

通過對浮置板有限元模型進行模態分析，了解隔振系統的振動性能。市域快線鋼彈簧浮置板各階模態固有頻率如表1所示。

表1 鋼彈簧浮置板模型固有頻率

通過鋼彈簧浮置板模態分析，可知鋼彈簧浮置板模型豎向固有頻率為7.81 Hz，如圖5所示。

2.3 浮置板插入損失計算

對鋼彈簧浮置板有限元模型進行穩態計算，將浮置板系統1 Hz～200 Hz的1/3 倍頻程的浮置板系統分頻插入損失如圖6所示。

市域快線鋼彈簧浮置板從11 Hz左右開始有減振效果。在激振頻率30 Hz以上是浮置板系統計算隔振效果可達20 dB以上。

2.4 隔振效果計算

根據多次地鐵測試的結果，計算出1/3倍頻程的普通整體道床隧道壁的分頻加速度級。利用1 Hz～200 Hz的1/3倍頻程的浮置板系統分頻插入損失，對普通整體道床隧道壁的加速度的減振效果進行隔振效果分析。

根據標準GB/T 13441.1—2007機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第1部分——一般要求，計算普通整體道床系統、鋼彈簧浮置板系統隧道壁計權加速度分頻振級如圖7所示，總計權加速度的振級如表2所示。分析結果表明，鋼彈簧浮置板系統總振級插入損失即減振效果可達18 dB以上。

表2 隧道壁計權加速度總振級

道床形式總計權加速度/m·s-2總振動級/dB總振級插入損失/dB整體道床0.008178.1—鋼彈簧浮置板0.0007357.220.9

2.5 鋼軌動態下沉量計算

分別計算了北京14號線、上海16號線、日本筑波線、市域快線在列車通過時鋼軌動態下沉量如表3所示。

表3 鋼軌動態下沉量

根據計算結果可知，市域快線計算的鋼軌動態下沉量為1.7 mm，優于已運營線路北京14號線與上海16號線的鋼彈簧浮置板，與日本駐波快線的動態下沉量相當。鋼軌水平位移為0.5 mm，優于已運營線路北京14號線、上海16號線的鋼彈簧浮置板與日本駐波快線。四種條件下浮置板動態下沉量滿足不宜大于3 mm的要求[1]。

3 結語

1)市域快線鋼彈簧浮置板系統方案理論計算的總振級插入損失即減振效果18 dB以上。鋼軌動態下沉量滿足相關規范不宜大于3 mm的要求。

2)結合已運營線路北京14號線、上海16號線的鋼彈簧浮置板與日本駐波快線時速160 km/h彈簧浮置板軌道既有工程案例，通過市域快線與以上既有線對比分析，市域快線特殊減振地段采用鋼彈簧浮置板是可行的。

[1] CJJ/T 191—2012,浮置板軌道技術規范[S].

Study on steel-spring floating slab track of 160 km/h urban expressway

Li Zijie

(Wuhan2ndMiddleSchool,Wuhan430010,China)

In light of actual operation conditions of urban expressway, the paper optimizes steel-spring floating slab track scheme, establishes finite element model of steel-spring floating slab track, and analyzes vibration performance and damping effect. Results show that: the damping effect of the optimized steel-spring floating slab scheme is over 18dB; dynamic steel track settlement meet demands; applying steel-spring floating slab in special urban expressway damping section.

urban expressway, damping effect, steel-spring floating slab, finite element model

1009-6825(2017)10-0141-03

2017-01-18

李子杰(2000- )，男，學生

U213.2

A