彈性支承塊式無砟軌道減振特性足尺模型對比試驗

陳卓，曾志平

?

彈性支承塊式無砟軌道減振特性足尺模型對比試驗

陳卓1, 2，曾志平3

(1. 中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600；2. 中國鐵道科學研究院，北京 100081；3. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 4100075)

基于中鐵五院彈性支承塊式無砟軌道優化改進設計成果(“改進型”LVT)以及蒙華鐵路彈性支承塊式無砟軌道(“傳統型”LVT)設計圖紙，在實驗室分別制作“改進型”和“傳統型”LVT的1: 1足尺試驗模型，開展落軸沖擊作用下，“改進型”和“傳統型”LVT減振特性對比試驗。研究結果表明：“改進型”和“傳統型”LVT的鋼軌加速度基本一致，而“改進型”LVT鋼軌至支承塊、底座板至地面的衰減率優于“傳統型”LVT，“改進型”LVT減振效果可達4~5 dB；“改進型”LVT鋼軌加速度第1和第2振動周期最大分別減少32.2%和30.0%，且第3周期加速度幅值不明顯；“改進型”LVT整體彈性系數最大減小27.4%，而阻尼系數最大增大58.2%；“改進型”LVT支承塊主要頻率降低約6%，道床板、底座板以及地面主振頻率降低約40%。試驗結果可為“改進型”LVT的工程應用提供技術支撐。

重載鐵路；彈性支承塊式無砟軌道；減振特性；足尺模型；對比試驗

重載鐵路對于增加鐵路貨物運輸能力、提高運輸效益的效果非常顯著[1?3]。目前，重載鐵路一般以有砟軌道為主。隨著通過總重及運量增加，有砟道砟粉化日趨嚴重，維修工作量急劇加大。由于隧道內軌道的維修非常困難，我國《鐵路工程設計措施優化指導意見》提出，長度超過1 km的隧道和隧道群地段宜采用無砟軌道結構。相對于其他類型的無砟軌道，LVT減振性能良好，有利于降低輪軌沖擊對隧道結構振動的影響，更適合鋪設在重載鐵路隧道內。既有彈性支承塊系統容易產生過大變形甚至松動，致使線路軌距保持性能變差；彈性部件受力不均，易產生破損；彈性支承塊系統比較復雜，施工運輸和安裝成本較高?；诖?，中鐵五院主持并組織相關單位針對既有隧道內重載鐵路LVT，開展優化設計研究和產品試制。對支承塊進行優化并設計了斜坡型支承塊結構(圖1)；提出了1種套靴一體化設計制造方案(圖2)；優化支承塊尺寸及埋深；進行軌道部件剛度合理匹配[4]。本文采用落軸試驗方法，在足尺試驗模型上進行“改進型”和“傳統型”LVT[5?6]的振動特性對比試驗，試驗結果表明“改進型”LVT在振動響應方面取得了較為良好的效果，驗證了設計，檢驗了施工工藝，為其現場鋪設的可行性提供了技術保證。

圖1 “改進型”支承塊

圖2 “改進型”靴套

1 試驗模型概況

采用“改進型”與“傳統型”LVT各1段進行對比試驗。根據隧道內“改進型”與“傳統型”LVT的設計圖紙，本試驗軌道模型長度按6.58 m(各含11對支承塊)設計，配套采用彈條Ⅶ型重載扣件和60 kg/m鋼軌，扣件間距0.6 m。足尺試驗模型的設計圖和實物圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 足尺試驗模型設計

圖4 模型實物圖(左-“傳統型”、右-“改進型”)

2 試驗方法

采用落軸試驗法進行軌道結構振動特性對比試驗[7?8]，該方法主要測試在落軸沖擊作用下，鋼軌、支承塊、道床板、底座板和地面等結構部件的加速度和位移等動力響應[9?12]。試驗過程中，將輪對(質量1.42 t)置于模型中部第6組扣件支點正上方，分別以5，10，15，20，25和30 mm等 6種落軸高度工況自由落體沖擊鋼軌，如圖5所示。通過測試自鋼軌至地面處各軌道部件的加速度，分析相鄰部件振動傳遞和沖擊衰減性能；軌道結構的振動參數，如彈性系數和阻尼系數，可以通過輪軌沖擊作用時長及反彈回落時長計算得到。為探究輪軌沖擊加速度沿線路豎向的衰減及傳遞規律，分別在鋼軌頂面、支承塊表面、道床板靴套周圍表面、道床板邊緣表面、道床板中心線表面、底座板邊緣表面和地面布置加速度傳感器，具體布置方式如圖6所示。

圖5 落軸沖擊試驗機

圖6 加速度傳感器布置

3 試驗結果及分析

3.1 加速度幅值及衰減對比分析

根據測試數據，計算得出不同落軸高度下，“改進型”和“傳統型”LVT的鋼軌至地面等各軌道部件的平均加速度如表1所示，各部件相對于鋼軌加速度的幅值比如表2所示；根據振動加速度級計算方法，得到“改進型”和“傳統型”LVT地面振動加速度級如表3所示。從表1可以得出，“改進型”和“傳統型”LVT各部件加速度隨著落軸高度增加逐漸增大；同一落軸高度下，“改進型”和“傳統型”LVT鋼軌加速度幅值基本一致，但“改進型”LVT支承塊和地面的加速度明顯小于“傳統型”LVT；落軸高度為30 mm時，“改進型”LVT支承塊和地面加速度最大值分別為24.96和0.24，而“傳統型”LVT支承塊和地面加速度最大值分別為32.78和0.53，說明“改進型”LVT對于輪軌沖擊力吸收效果更好。從表2可以看出，輪軌沖擊作用下，“改進型”和“傳統型”LVT支承塊相對于鋼軌加速度幅值比分別為0.208和0.249，地面相對于鋼軌加速度幅值比分別為0.002和0.005，即“改進型”LVT加速度在鋼軌至支承塊、底座板至地面衰減率優于“傳統型”LVT。從表3可看出，與相比“傳統型”LVT，“改進型”LVT減振效果達4~5 dB。輪軌沖擊作用下，“改進型”LVT道床板、地面所受的沖擊影響優于“傳統型”LVT。

表1 各位置平均加速度

表2 各部件相對于鋼軌加速度幅值比

表3 地面振動加速度級

3.2 輪軌沖擊衰減次數及衰減時間對比分析

通過不同落軸高度沖擊試驗，可測得輪軌沖擊作用點鋼軌加速度時程曲線，以落軸高度20 mm為例，測得“改進型”和“傳統型”LVT鋼軌加速度時程曲線如圖7所示。10，20和30 mm落軸高度下前3個衰減周期時長如表4所示。從圖7和表4可發現，輪軌沖擊作用下，“改進型”和“傳統型”LVT鋼軌加速度經過3~4個周期衰減至零；與“傳統型”LVT相比，“改進型”LVT第1和第2衰減周期、平均分別減少16.7%和16.5%，最大分別減少32.2%和30.0%，即“改進型”LVT衰減至同一水平加速度的時間歷程更短；“改進型”LVT第3周期加速度幅值已不明顯，即“改進型”LVT加速度總衰減時長更短。由此可見，輪軌沖擊作用下“改進型”LVT衰減更為迅速。

3.3 彈性系數和阻尼系數對比分析

利用不同落軸高度的輪軌沖擊時間測試結果，計算“改進型”和“傳統型”LVT結構彈性系數K和阻尼系數C[1]，如表5所示。從中可以看出，“改進型”和“傳統型”LVT的彈性系數分別為37.7~ 45.2 kN/mm和47.4~55.2 kN/mm，阻尼系數分別為277.5~324.9 kN?s/m和205.4~281.9 kN?s/m。與“傳統型”LVT相比，“改進型”LVT整體彈性系數平均減少21.1%，最大減少27.4%，而阻尼系數平均增大16.7%，最大增大58.2%，說明“改進型”LVT對于衰減輪對沖擊振動更為有利。

(a)“改進型”LVT；(b)“傳統型”LVT

3.4 振動頻域特征對比分析

通過分析軌道結構各部件的振動頻譜圖，可得到軌道各部件振動主頻及其沿豎向從鋼軌至地面的傳遞規律，從而獲得“改進型”和“傳統型”LVT在頻域方面減振性能的差異。根據測試頻譜圖，分析落軸高度10，20和30 mm對應的軌道結構各部件主頻如表6所示。從中可以看出，輪軌沖擊作用下，“改進型”和“傳統型”LVT鋼軌主振頻率分別為570.7~575.3 Hz和570.7~619.5 Hz，支承塊主振頻率分別為236.5~245.7 Hz和242.6~ 267.0 Hz，道床板主振頻率分別為140.4~144.9 Hz和244.1~254.8 Hz，底座板主振頻率分別為141.9~ 148.0 Hz和206.0~212.1 Hz，地面主振頻率分別為65.4~74.8 Hz和100.7~109.9 Hz。與“傳統型”LVT相比，“改進型”LVT鋼軌主振頻率基本一致，支承塊主要頻率略有降低(約6%)，而道床板、底座板以及地面的主振頻率大幅降低(約40%)。由此可見，輪軌沖擊作用下，“改進型”LVT能夠有效降低支承塊下結構的振動頻率，減小對塊下部件及隧道周圍環境的影響。

表4 不同落軸高度下衰減周期

表5 “改進型”和“傳統型”LVT彈性系數和阻尼系數

表6 不同落軸高度的軌道結構各部分主頻

4 結論

1) 2種軌道的鋼軌加速度基本一致，而“改進型”LVT的支承塊表面、地面加速度幅值及地面振動加速度級小于“傳統型”LVT，可明顯減小輪軌沖擊發生時對地基基礎的振動影響；與“傳統型”LVT相比，“改進型”LVT振動換算加速度級幅值衰減可達4~5 dB。即“改進型”LVT在吸收輪軌沖擊方面效果優于“傳統型”LVT。

2)“改進型”和“傳統型”LVT的鋼軌加速度經過3~4個周期幅值衰減至零，“改進型”LVT在鋼軌加速度衰減至同一水平加速度時，時間歷程以及總衰減時長更短；2種軌道的彈性系數基本相同，但“改進型”LVT的阻尼系數更大。即“改進型”LVT對于快速衰減輪軌沖擊速度、減少振動疊加方面優于“傳統型”LVT。

3) 輪軌沖擊作用下，“改進型”LVT的道床板、底座板和地面的振動頻率均明顯小于“傳統型”。即“改進型”LVT輪軌沖擊振動高頻成分向地面傳遞更少，有利于減小對軌道仰拱、襯砌等結構的振動影響。

[1] 王繼軍, 尤瑞林, 杜香剛, 等. 重載鐵路隧道內無砟軌道結構選型分析[J]. 鐵道建筑, 2013(5): 132?136. WANG Jijun, YOU Ruilin, DU Xianggang, et al. Analysis on selection of ballastless track in heavy haul railway tunnel[J]. Railway Engineering, 2013(5): 132? 136.

[2] WEI Wei, ZENG Zhiping, WU Bin, et al. Dynamic characteristics of railway subgrade under heavy haul train [J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 22(1): 209?232.

[3] 戴公連, 朱俊樸, 閆斌. 重載列車與既有鐵路簡支梁橋的適應性研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2014, 11(2): 7?13. DAI Gonglian, ZHU Junpu, YAN Bin. The adaptability research of heavy haul trains and existing railway simply-supported bridge[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(2): 7?13.

[4] 中鐵第五勘察設計院集團有限公司. 重載鐵路隧道內彈性支承塊式無砟軌道優化設計研究報告[R]. 北京: 中鐵第五勘察設計院集團有限公司, 2017. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd. Research report of optimum design of low vibration track in heavy haul railway tunnel[R]. Beijing: China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd, 2007.

[5] 尤瑞林, 王繼軍, 杜香剛, 等. 重載鐵路彈性支承塊式無砟軌道軌距保持能力計算分析[J]. 鐵道建筑, 2015(3): 110?114. YOU Ruilin, WANG Jijun, DU Xianggang, et al. Calculation analysis of gauge-keeping ability of elastic bearing block-type ballastless track on heavy haul railway[J]. Railway Engineering, 2015(3): 110?114.

[6] 徐錫江, 蔡文峰, 姚力. 彈性支承塊式無砟軌道支承塊的合理埋深研究[J]. 高速鐵路技術, 2013(3): 13?16. XU Xijiang, CAI Wenfeng, YAO Li. Study on rational buried depth of bearing block for elastic bearing block ballastless track[J]. High Speed Railway Technology, 2013(3): 13?16.

[7] 裴承杰, 宋小林, 呂天航. CRTSⅢ型無砟軌道基礎結構沖擊試驗與數值分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2017, 14(3): 425?435. PEI Chengjie, SONG Xiaolin, Lü Tianhang. Full-scale model impacting experiments and numerical analysis on CRTS III ballastless track-subgrade system[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(3): 425?435.

[8] 朱劍月, 練松良. 彈性支承塊軌道結構落軸沖擊動力性能分析[J]. 中國鐵道科學, 2006, 27(3): 22?26. ZHU Jianyue, LIAN Songliang. Analysis on the dynamic characteristics of low vibration track by use of wheel load drop[J]. China Railway Science, 2006, 27(3): 22?26.

[9] LEI Xiaoyan, ZHANG Bin. Analysis of dynamic behavior for slab track of high-speed railway based on vehicle and track elements[J]. Journal of Transportation Engineering, 2011, 137(4): 227?240.

[10] 蔡成標, 徐鵬. 彈性支承塊式無砟軌道結構參數動力學優化設計[J]. 鐵道學報, 2011, 33(1): 69?75. CAI Chengbiao, XU Peng. Dynamic optimization design of the structural parameters of low vibration track[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(1): 69? 75.

[11] ZHU Shengyang, CAI Chengbiao. Interface damage and its effect on vibrations of slab track under temperature and vehicle dynamic loads[J]. International Journal of Non-Linear Mechanics, 2014, 58(1): 222?232.

[12] 吳斌, 朱坤騰, 曾志平, 等. 列車荷載作用下CRTS Ⅲ型板式無砟軌道力學特性試驗研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2016, 13(7): 1229?1233. WU Bin, ZHU Kunteng, ZENG Zhiping, et al. Experimental study on the mechanical characteristics of CRTS Ⅲ slab ballastless track under train load[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(7): 1229? 1233.

Comparative experimental study on vibration reduction characteristics of low vibration track by full-scale model

CHEN Zhuo1, 2, ZENG Zhiping3

(1. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Beijing 102600, China; 2. China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the present research results and design drawings of the low vibration track (LVT), the full-scale test models of the improved and traditional LVTs were established. A comparative experimental study on the vibration reduction characteristics of the improved and traditional LVTs was carried out under the impact action of drop axis. The results show that: The accelerations of the rails for improved and traditional LVTs are basically the same, while the attenuation rate from the rail to the support block as well as from the base plate to the ground of the improved LVT is better than that of the traditional LVT, and the damping effect of improved LVT can reach 4~5 dB; Compared with traditional LVT, the first and second vibration cycles of the rail acceleration of improved LVT decrease by 32.2% and 30.0%, respectively, and the amplitude of the third period acceleration of improved LVT is not obvious; The maximum elastic modulus of the improved LVT model decreases by 27.4%, while the maximum damping coefficient increases by 58.2%; The main frequency of the improved support block is reduced by about 6%, while the main frequency of the ballast board, base board and ground is reduced by about 40%. The test results provide a technical support for the project application of improved LVT.

heavy haul railway; low vibration track; vibration reduction characteristics; full scale model; comparative experiment

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.009

U213

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0065 ? 06

2018?01?06

中國鐵建股份有限公司科技研究開發計劃項目(13-C63)；煤炭聯合基金重點資助項目(U1361204)

陳卓(1979?)，女，河南南陽人，博士研究生，高級工程師，從事鐵路工程結構設計與研究；E?mail：61134963@qq.com

(編輯 涂鵬)