不同形式地下軌道動(dòng)力特性及減振性能研究

唐 娟

(合肥鐵路工程學(xué)校，安徽 合肥 230000)

0 引言

本文基于ANSYS，分別建立了地下常用軌道形式計(jì)算模型；列車(chē)荷載通過(guò)車(chē)輛簡(jiǎn)化模型模擬；分別從隧道梁自振特性和時(shí)頻域的角度分析各類(lèi)軌道的減振效果。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 列車(chē)荷載的模擬

本文采用地鐵B型車(chē)，6節(jié)編組，單節(jié)車(chē)輛的軸距與定距為2.2 m，12.6 m。由于地鐵車(chē)輛重心在縱橫向都是對(duì)稱(chēng)的，將其豎向振動(dòng)簡(jiǎn)化為單自由度模型如圖1a)所示。該輪系以速度V在不平順的軌道上行駛，輪軌間相互作用力為P(t)。模型中參數(shù)：1/8車(chē)體質(zhì)量Mc=7 040 kg，1/2輪對(duì)質(zhì)量Mw=750 kg、集總剛度K=0.79 kN/mm、集總阻尼C=32.7 kNs/m，其中，yc為車(chē)體振動(dòng)位移；yw為車(chē)輪振動(dòng)位移并假設(shè)為系統(tǒng)的外界激勵(lì)。

文中采用德國(guó)低干擾譜來(lái)模擬軌道不平順狀態(tài)，波長(zhǎng)范圍取1.524 m～304.8 m，時(shí)間步長(zhǎng)dt=0.002 5 s，車(chē)速分別取40 km/h，80 km/h。數(shù)定力采用三角級(jí)數(shù)法模擬，計(jì)算結(jié)果如圖1b)所示，該數(shù)定力可以反映不平順和車(chē)速的影響。

1.2 軌道—隧道梁—土體模型

基于ANSYS的不同軌道形式采用梁、質(zhì)點(diǎn)、彈簧的模擬方法，分為整體道床、彈性短軌枕、橡膠支承浮置板軌道、鋼彈簧浮置板軌道四種工況。諧響應(yīng)分析軌道長(zhǎng)取60 m，瞬態(tài)分析時(shí)軌道長(zhǎng)取180 m。工況3、工況4的道床寬3.2 m、厚0.4 m。隧道梁截面參數(shù)通過(guò)ANSYS獲取截面信息所得，各工況軌道模型中鋼軌為CHN60；扣件型號(hào)為DTV12，剛度k=30 kN/mm、阻尼c=75 kNs/m；彈性短軌枕軌道，軌枕質(zhì)量M=111.4 kg、軌下支承剛度k=25 kN/mm、阻尼c=75 kNs/m；浮置板軌道，軌道板彈性模量3.3×1010N/m2、密度ρ=2 500 kg/m3，其中橡膠支承剛度k=20 kN/mm、阻尼c=75 kNs/m，彈簧支承剛度k=6.9 kN/mm、阻尼c=75 kNs/m；基礎(chǔ)梁彈性模量E=2.85×1010N/m2、密度ρ=2 500 kg/m3；土體剛度k=5.3×103kN/mm、損耗因子η=0.03。

2 掃頻分析

文中采用該法定量分析不同軌道形式在0 Hz～200 Hz內(nèi)所有共振頻率對(duì)力的傳遞力的影響大小。為了判斷軌道—隧道土體這一復(fù)雜體系中各部件的作用，共設(shè)計(jì)了三個(gè)計(jì)算模型：1)不考慮隧道土體的模型；2)考慮隧道土體的模型；3)改變工況4模型的土體剛度來(lái)判斷土質(zhì)的作用(ζ為土體剛度比例系數(shù))。加載時(shí)，加載節(jié)點(diǎn)為跨中鋼軌節(jié)點(diǎn)、力的幅值F=1 kN、頻率范圍取0 Hz～200 Hz。文中采用力的傳遞率LT作為指標(biāo)判斷系統(tǒng)的隔振效果，其定義如下式：

LT=20×log(∑fi/F)(i=底部約束節(jié)點(diǎn)數(shù))。

式中：fi——底部約束節(jié)點(diǎn)的豎向反力；

F——加載力，1 kN。

根據(jù)圖2可知：

1)不考慮隧道土體時(shí)可以判斷各軌道形式的最不利共振點(diǎn)及工作頻段：一方面軌道的基頻決定其工作頻段，工況4的工作頻段最寬且單點(diǎn)最大共振反力也最小；另一方面軌道的振型特性決定了線路方向內(nèi)反力的波動(dòng)特性，0 Hz～200 Hz工況4于工作頻域的波動(dòng)性使得單點(diǎn)的反力大大降低，但同時(shí)也使遠(yuǎn)處軌道發(fā)生振動(dòng)，表現(xiàn)在討論總反力的隔振效果時(shí)對(duì)于中高頻的隔振效果不佳。

2)考慮隧道土體時(shí)，傳遞力的頻域分布同時(shí)受到軌道與隧道梁的影響：一方面表現(xiàn)在共振頻率上；另一方面表現(xiàn)在中高頻力的傳遞率。

3)土體剛度決定了隧道梁的共振主頻及振型的波動(dòng)性，土體剛度越小對(duì)跨過(guò)隧道梁基頻后的頻段力的衰減更快。

3 瞬態(tài)分析

瞬態(tài)分析時(shí)考慮三種因素的影響：

1)由模型B得出軌道形式的影響(V=80 km/h)；2)由模型C得出土體剛度的影響(V=80 km/h)；3)由模型B中的鋼彈簧浮置板軌道模型確定車(chē)速的影響(V=40 km/h～80 km/h)。上述模型中時(shí)間步長(zhǎng)dt=0.002 5 s，取各軌道跨中部件節(jié)點(diǎn)為觀察點(diǎn)。上述不同工況下隧道梁振動(dòng)的頻域分布見(jiàn)圖3。

根據(jù)圖3可知：

1)隨機(jī)荷載下不同軌道形式隧道振動(dòng)的頻域分布走勢(shì)大致相同，各軌道對(duì)應(yīng)的主頻皆為隧道梁的基頻，可見(jiàn)隧道梁對(duì)整個(gè)減振系統(tǒng)傳遞到大地的振動(dòng)影響較大；以整體道床為參考，其他各軌道表現(xiàn)的頻域內(nèi)差異大致可用圖3b)解釋?zhuān)诳拷壍阑l范圍內(nèi)的隔振效果略差，跨過(guò)基頻后振動(dòng)衰減；彈性短軌枕的工作頻率在100 Hz以上且100 Hz以?xún)?nèi)的隔振效果要差于整體道床，鋼彈簧浮置板在10 Hz～50 Hz的隔振效果要優(yōu)于橡膠支承浮置板軌道；各軌道的不利頻段內(nèi)的放大現(xiàn)象影響不大。

2)隨機(jī)荷載下不同土質(zhì)同樣決定了隧道梁的振動(dòng)分布：一方面，土體剛度越大隧道梁的振動(dòng)越小，0 Hz～200 Hz內(nèi)振動(dòng)分布幾乎整體下移；另一方面，不同土體剛度的隧道梁振動(dòng)主頻也對(duì)應(yīng)其隧道梁的基頻。

3)隨機(jī)荷載下不同車(chē)速引起隧道梁振動(dòng)分布走勢(shì)大致相同，基本上各頻道內(nèi)車(chē)速越大有效振級(jí)越大。

4 結(jié)語(yǔ)

不同軌道形式下軌道自身的振動(dòng)特性直接影響到隧道的振動(dòng)，使得隧道梁的波動(dòng)特性的陣型幅值及激發(fā)頻率不同，鋼彈簧浮置板軌道所需的激發(fā)頻率最小且同階振型幅值最小。不同的土質(zhì)對(duì)軌道的振動(dòng)影響不大但決定了隧道的振動(dòng)，一方面影響隧道的振級(jí)大小，另一方面影響隧道振動(dòng)頻域內(nèi)的主頻分布。

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