地鐵減振板式軌道動力測試與減振特性研究

郝曉成，蔡小培，梁延科，姚志勇，王啟好

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

目前，地鐵無砟軌道多采用現場澆筑混凝土的整體道床結構，存在施工進度緩慢、現澆質量可控性差、勞動強度大、作業環境惡劣等許多問題[1-3]。為適應地鐵在各大城市大規模建設，急需克服現有地鐵軌道施工技術瓶頸。基于高速鐵路無砟軌道施工的便捷性，越來越多高速鐵路無砟軌道設計和施工技術應用于地鐵中[4]。板式無砟軌道由于整體性強、質量精度易保證、養護少、維修方便等優點[5-6]，成為地鐵軌道結構發展的新方向。但地鐵軌道結構不同于高速鐵路，其應用技術及減振降噪方面存在很大差異。其技術能否應用于地鐵線路中，尚需通過試驗驗證其應用效果。對此，國內外學者進行了相關研究，Gharighoran以伊朗地鐵為例對地鐵板式軌道在不同荷載和不同運行條件下特性進行了分析[7]；高文虎等以廣州地鐵4號線為例，闡述了板式道床的鋪設工藝、施工工法及工序[8]。既有研究對板式軌道分析較少，對于地鐵板式軌道的現場試驗分析更是尚屬空白。

本文選取天津地鐵5號線板式軌道進行實車測試，對地鐵板式軌道和現澆整體道床的輪軌力、動位移和加速度等進行了全面的測試，以檢驗其實際應用效果。建立地鐵車輛-軌道-隧道耦合動力學模型，對軌道各結構的振動加速度以及減振效果進行了研究分析。

1 地鐵減振板式軌道

地鐵板式軌道由鋼軌、彈性扣件、預制軌道板、減振墊層、自密實混凝土及混凝土基底組成，采用單元式復合結構。鋼軌為60 kg/m鋼軌，扣件剛度取30 kN/m。軌道板為雙向預應力混凝土結構，混凝土強度等級C60，軌道板尺寸為3.5 m×2.2 m×0.2 m。減振墊層彈性模量為2.0 MPa，密度為800 kg/m3，使軌道結構上下層隔離，便于特殊情況下的養護維修，并起到主要的減振作用。自密實混凝土層為單元結構，混凝土強度等級為C40，長度和寬度同軌道板，厚60 mm。自密實混凝土主要起支承和調整作用，對下部基礎適應性強，能消除部分施工誤差。基底采用單元結構。減振墊和自密實混凝土對應軌道板凸臺位置設置凹槽，通過凸臺與凹槽咬合進行軌道限位，凸臺周圍設彈性墊板及泡沫隔離材料。地鐵板式軌道結構組成如圖1所示。

圖1 地鐵板式軌道結構

2 測試儀器及測點布置

天津地鐵5號線設計速度80 km/h，列車為6節編組的B型車，軸距2.2 m，軸重14 t。隧道主要考慮襯砌管片和土體，襯砌采用C30混凝土。針對天津地鐵5號線鋪設板式軌道路段進行測試，并與同等條件下現澆整體道床斷面進行對比。測試斷面為中醫一附院站附近的直線地段，地鐵板式軌道結構測試斷面如圖2所示。

圖2 地鐵板式軌道結構測試斷面

圖3為測點平面布置示意，分別選取板式軌道和現澆整體道床典型斷面進行軌道動力特性測試，測試包括輪軌橫、垂向力，鋼軌橫、垂向位移以及鋼軌垂向振動加速度。

圖3 測點平面布置示意

測試系統由應變片、動態位移計、加速度傳感器、數據采集儀以及數據處理服務器等組成。參照TB/T2489—94《輪軌水平力、垂直力地面測試方法》，輪軌橫、垂向力采用全橋剪應力法進行測試。動位移測試時，將應變片粘貼于等強度梁正反面，組成半橋橋路，將位移指針抵在測點位置。加速度測試采用壓電式加速度傳感器，并根據測試需要選擇合適的量程與靈敏度。數據采集儀為德國IMC-CS系列采集儀，采集方式為多臺采集儀聯合觸發采集，并根據測點位置不同選擇適當的采集頻率[9]。

3 動力結果和分析

3.1 輪軌力分析

動力特性測試中各測試斷面均至少需20組數據[10]，以保證數據的可靠性。本文測試針對2個斷面的輪軌橫、垂向力進行測試，統計列車運行時段24組數據，繪制板式軌道的輪軌橫、垂向力時程曲線如圖4所示，輪軌力和安全性指標如表1所示。

圖4 板式軌道斷面輪軌力時程曲線

項目輪軌橫向力/kN輪軌垂向力/kN脫軌系數輪重減載率現澆整體道床板式道床左軌6.8480.40右軌5.9875.90左軌6.7876.82右軌5.5570.680.0890.0680.0830.058

由表1可知，現澆整體道床斷面左右軌輪軌垂向力分別為80.40，75.90 kN，輪軌橫向力分別為6.84，5.98 kN。鋪設地鐵板式軌道后，由于減振墊層的作用，軌道結構整體剛度降低，輪軌橫、垂向力降低了0.88% ～ 7.19%，說明應用效果良好。

脫軌系數和輪重減載率由輪軌力計算可得，其是列車安全和平穩運行的評價指標。安全性指標根據每輛列車所有輪對的平均值進行統計，從平均值中選取24輛列車輪重減載率的最大值。現澆整體道床和板式軌道的輪重減載率分別為0.068和0.058，脫軌系數分別為0.089和0.083，遠小于規范限值0.6和1.0[11]。鋪設地鐵板式軌道后，車輛的安全性評價指標稍有降低，說明地鐵板式軌道在一定程度上能改善輪軌關系，保證列車平穩運行。

3.2 鋼軌動力特性分析

本次測試主要對鋼軌的橫、垂向位移和鋼軌垂向加速度進行測試，選取現澆整體道床典型鋼軌垂向位移、鋼軌加速度時程曲線，如圖5所示。

圖5 鋼軌動力特性時程曲線

測試所得的鋼軌動力指標對比情況如圖6所示。由圖6可知，現澆整體道床和板式軌道鋼軌橫向位移分別是0.32 m m和0.34 mm，鋼軌垂向位移分別是0.90 mm和0.94 mm，鋼軌垂向加速度分別為23g和17g。鋪設板式道床后鋼軌橫向位移增大了6.25%，垂向位移增大了4.44%，垂向加速度減小了26.09%。這說明鋪設板式道床后，鋼軌橫、垂向位移稍有增加，但明顯減小了鋼軌振動，應用效果良好。

圖6 鋼軌動力指標對比

4 結構振動特性分析

為進一步揭示地鐵板式軌道振動特性及減振效果，基于車-軌耦合動力學和有限元理論，建立車輛-軌道-隧道動力學模型，對比分析了整體道床和板式軌道的振動情況。

4.1 模型建立

地鐵車輛模型是由車體，轉向架，輪對，一系、二系懸掛組成的多剛體系統。建模時充分考慮了車體和轉向架的橫向、垂向、側滾、搖頭和點頭5個自由度，輪對的橫向、垂向、側滾及搖頭4個自由度，共31個自由度。模型中一系、二系懸掛視為彈簧-阻尼單元，可以考慮縱、橫、垂三個方向的剛度和阻尼。車輛結構參數及運動方程見文獻[12-14]。

軌道-隧道模型中各結構均采用實體單元，按照實際幾何參數、物理參數及連接方式進行建模，扣件簡化為彈簧-阻尼單元。輪軌關系采用Hertz接觸模型和庫倫摩擦模型[15-17]，選用實測的北京地鐵15號線不平順作為輪軌系統激勵。考慮邊界效應影響，整體模型全長100 m，前50 m為整體道床結構，后50 m為板式軌道結構，非過渡段區域作為數據提取點。最終建立的車輛-軌道-隧道動力學模型如圖7所示。

圖7 車輛-軌道-隧道動力學模型

列車以速度80 km/h通過地鐵隧道時，地鐵板式軌道鋼軌垂向加速度測試與仿真結果時程曲線對比如圖8所示。由圖8可知，有限元模型仿真結果與現場實測數據波形基本一致，量值大致相同。此外，輪軌橫、垂向力和鋼軌垂向位移等動力學指標仿真結果與實測結果具有很好的一致性，總體來說模型可靠、結果可信，可用來分析結構振動特性。

圖8 鋼軌振動加速度時程曲線

4.2 仿真結果

本文分析比較了鋼軌、軌道板、自密實混凝土、基底各軌道結構與現澆整體道床相對應位置垂向振動加速度變化情況，并以隧道壁為研究對象，從時域與頻域角度研究了板式軌道的減振情況。

4.2.1 軌道結構振動特性

圖9為板式軌道與現澆整體道床垂向振動加速度對比情況。由圖9可知，除軌道板位置外，現澆整體道床的振動加速度均大于板式軌道加速度，板式軌道結構軌道板振動加速度為4.56g，現澆整體道床軌道道床振動加速度為1.01g。這是由于對于現澆整體道床，列車振動在向下傳遞時無砟道床的參振質量大，故無砟道床的振動幅值較小。而對于板式軌道，軌道板與底座之間采用減振墊層和自密實混凝土連接，且相鄰軌道板之間存在100 mm的空隙，列車振動向下傳遞時，僅軌道板結構參振，參振質量小，故其振動加速度較大，但并不影響列車運行安全。

圖9 軌道結構各監測點加速度時程曲線

板式軌道鋼軌加速度最大值為17.69g，整體道床最大值為23.06g，板式軌道鋼軌加速度較小的原因是，板式軌道整體剛度有所減小，降低了輪軌沖擊作用。板式軌道自密實加速度和基底加速度最大值分別為0.18g和0.15g，現澆整體道床所對應位置處的加速度最大值分別為0.48g和0.44g，板式軌道自密實加速度和基底加速度減小是由于彈性墊層的減振吸振作用，從而大幅度減小了減振墊以下結構的振動效應。

圖10 軌道結構加速度最大值

圖10為板式軌道與現澆整體道床由上至下加速度最大值變化情況。由圖10可知，兩種軌道結構由上至下加速度都依次減小，現澆整體道床軌下各結構振動加速度相差不大，這是由于現澆整體道床為連續均質材料且為整體結構。板式軌道由于減振墊層的作用軌道結構依次往下減小幅度更為顯著，說明“層狀夾心”結構起到了較好的減隔振作用。

4.2.2 隧道結構減振分析

圖11為現澆整體道床與板式軌道的隧道壁垂向加速度時程曲線。

圖11 隧道壁振動加速度

由圖11可知，板式軌道隧道壁處加速度小于現澆道床加速度，現澆整體道床為0.13g，板式軌道隧道壁加速度最大值為0.08g，減小了38.5%，說明在減振墊層作用下，時域上板式軌道減振效果較好。

為分析隧道壁處振動加速度頻域特性，采取Z計權因子法得到1/3倍頻程各中心頻率的振級[18-20]，如圖12所示。

圖12 隧道壁加速度級

由圖12可知，板式軌道不影響隧道壁的振動在頻域上的變化趨勢，在中心頻率0～250 Hz，振動加速度級均先增大后減小。最大振動加速度級均發生于10 Hz中心頻率附近處，現澆整體道床和板式軌道對應的最大振動加速度級分別為76.60 dB和65.07 dB。對比兩工況下的振動加速度級可以發現，使用板式軌道后，振級在全頻域上均有所減小，對應的插入損失均大于0。這表明板式軌道相比于現澆整體道床在全頻域內均有減振效果，振動加速度級最大減小16.92 dB，對應中心頻率40 Hz。總之，板式軌道不僅可以提高施工質量，加快施工進度，還可有效減小地鐵列車造成的環境振動，降低振動對沿線居民的影響。

5 結論

本文針對地鐵板式軌道進行了動力學測試和仿真分析，對輪軌力、軌道結構動力特性以及板式軌道減隔振性能進行了研究。具體結論如下。

(1)現場測試結果表明，地鐵板式軌道與現澆整體道床相比，降低了輪軌橫、垂向力，脫軌系數和輪重減載率；會增加鋼軌垂向位移，但不會影響列車運行安全性。

(2)仿真分析表明，減振板式軌道與整體道床結構振動由上至下依次減小，且板式軌道減小幅度更為顯著；板式軌道與現澆整體道床相比，板下其他位置振動均減小，說明板式軌道結構起到了較好的減隔振作用。

(3)板式軌道相較于現澆整體道床減振效果良好，時域上隧道壁振動減小38.5%，頻域上全頻域減振且最大為16.92 dB。

(4)減振板式軌道作為新型軌道結構形式，結構安全可靠，動力學性能優良，是一種理想的減振措施。