市域快軌鋼彈簧浮置板減振道床設計研究

謝 龍 王羽杰

(1.青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266021； 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

我國軌道交通工程減振設計是軌道系統設計的重點和難點。一般情況下，減振等級按照環評預測超標量分為中等減振，高等減振和特殊減振三個等級。鋼彈簧浮置板減振道床廣泛地應用于高等減振和特殊減振。傳統地鐵工程的鋼彈簧浮置板減振道床設計技術方案成熟可靠、運營養護維修也積累了相當豐富的實踐經驗，國家住建部和部分城市的地鐵公司業已頒布了鋼彈簧浮置板相關技術規范和標準。但是我國在市域快速軌道交通工程方面，減振方案很少采用鋼彈簧浮置板道床減振結構設計，較多地則采用了減振墊等其他減振結構設計。

2 國內外快軌交通鋼彈簧浮置板設計簡介

日本筑波快線，連接東京市秋葉原站與筑波市筑波站之間的通勤快軌交通，線路全長58.3 km,設計時速160 km，列出軸重15 t。個別段落采用了鋼彈簧浮置板減振軌道，位于明挖結構范圍，軌道結構高度設計值為850 mm。浮置板寬度2.625 m，厚度536 mm，單位長度質量3.38 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，左右對稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2×0.625)=10.6 kN/mm。

韓國首爾—釜山高速鐵路，采用法國TGV列車，線路總長420 km，設計速度為350 km/h。天安站站臺層坐落于高檔物業建筑的頂層，為避免列車運行時的振動對建筑物及室內人員的影響，設計采用鋼彈簧隔振器將整個軌行區與建筑結構進行了隔振處理，該鋼彈簧減振結構為現階段鋼彈簧隔振器應用的最高運營速度案例。

國內地鐵設計速度120 km/h且正式投入運營、采用鋼彈簧浮置板減振設計的有上海地鐵16號線、廣州地鐵機場線、東莞地鐵2號線、青島地鐵13號線等；市域快軌交通工程設計速度為140 km/h、采用鋼彈簧浮置板減振設計的有成都地鐵18號線，暫未開通運營。國內市域快軌或市域鐵路工程未見設計速度大于140 km/h且采用鋼彈簧浮置板減振設計的線路。

3 市域快軌鋼彈簧浮置板設計方案研究

鋼彈簧浮置板軌道系統可提供最佳的隔振性能和橫向穩定性。系統固有頻率7 Hz～10 Hz，分頻振級插入損失達20 dB～30 dB，Z振級減振效果15 dB～25 dB。

3.1 鋼彈簧浮置板軌道參數影響分析

利用解析法和有限元方法對浮置板系統的振動模態進行了分析，并研究了主要參數對其振動模態影響規律，可以得到以下結論：

1)浮置板垂向振動主要表現為剛體浮沉、軌道板垂向彎曲和軌道板翹曲，隨著軌道板長度增加，軌道板的一階彎曲會與剛體浮沉發生耦合。因此對于短浮置板和中型浮置板應關注其剛體模態，連續型浮置板應主要關注其低階彎曲模態。

2)浮置板系統的模態頻率隨著垂向支承剛度的線性減小呈二次下降趨勢，隔振器間距的變化會直接影響軌道板的平均支承剛度，因而間距增大會使浮置板軌道系統低階模態頻率呈二次下降趨勢。但間距增大會增加浮置板結構受列車荷載作用時的撓曲變形，對結構安全、耐久性可能會產生不利影響。

3)浮置板系統的模態頻率隨浮置板質量增加而減小，隨浮置板彈性模量減小而減小，較大幅度提升其配筋率來滿足增加浮置板質量的做法比簡單增加混凝土等級更易降低浮置板系統的固有頻率。

4)扣件剛度，隔振器橫向剛度對浮置板軌道系統的垂向振動模態影響不顯著。

3.2 鋼彈簧浮置板設計思路

《浮置板軌道技術規范》規定浮置板軌道固有頻率宜為6 Hz～16 Hz，固有頻率與質量及單位長度支承剛度有關，具體表達如下：

浮置板固有頻率與支承剛度及浮置板軌道質量的關系如圖1所示。

從圖1可知，要達到浮置板軌道系統某一要求的固定頻率，可以通過降低支承剛度或增大單位長度質量解決。針對市域快軌工程，降低支承剛度不利于行車，首先應將浮置板單位長度質量盡最大可能做到最大，同時，為保證浮置板系統的安全性，必須考慮支承剛度對道床板安全性的影響。

3.3 鋼彈簧浮置板減振性能分析

利用車輛—軌道耦合動力學方法建立連續型浮置板軌道—列車系統動力學模型。其中軌道板考慮為彈性體，利用有限元方法建立浮置板模型，并通過模態分析創建軌道板的子結構文件。為了準確反映浮置板間的相互作用，消除邊界效應，采用3塊浮置板相連模型，利用彈簧力元來模擬相鄰浮置板間剪力鉸的作用，將中間板及隔振器作為研究對象。列車考慮為多剛體系統，每節車包括1個車體、2個構架、4條輪對和8個軸箱，共計15個剛體。為了能準確反映車輛載荷特征，且保證有足夠的計算速度，故考慮為兩節編組。

建立有限元模型分析以下三種方案鋼彈簧浮置板的鋼軌動力學位移。動力學位移為列車通過時的軌面絕對位移扣減靜軸重所產生的軌面下沉量后的剩余值。

方案一：普通地鐵鋼彈簧浮置板設計。

鋼軌為60 kg/m、扣件為彈性分開式扣件，剛度35 kN/mm，軌枕間距0.625 m、鋼彈簧浮置板厚度340 mm，單位長度重量2.5 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-3-2布置，即5個軌枕間距布置兩對隔振器，左右對稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2.5×0.625)=8.5 kN/mm。

方案二：板厚370 mm鋼彈簧浮置板設計方案。

本方案鋼軌為60 kg/m、扣件為彈性分開式扣件，剛度35 kN/mm，軌枕間距0.6 m，鋼彈簧浮置板厚度370 mm，單位長度重量3.39 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，左右對稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2×0.6)=11 kN/mm。本方案與日本筑波線基本相當。

方案三：板厚420 mm鋼彈簧浮置板設計方案。

本方案為方案二的改進方案，鋼軌為60 kg/m、扣件同樣為彈性分開式扣件，剛度35 kN/mm，軌枕間距0.6 m，鋼彈簧浮置板厚度420 mm，單位長度重量3.8 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，左右對稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2×0.6)=11 kN/mm。

列車通過時鋼軌動力學位移如表1所示。根據表1分析得知，若采用方案二進行設計，鋼軌動力學位移為1.51 mm，優于普通地鐵鋼彈簧浮置板，若采用方案三進行設計，浮置板單位長度質量增加12%，鋼軌豎向動力學位移由1.51 mm減小至1.44 mm，減少4.6%，行車條件將進一步改善。

表1 三種不同板厚對應的鋼軌動力學位移表

對比以上三種方案，推薦在市域快軌交通工程中鋼彈簧浮置板設計采用方案三，保證鋼軌動態下沉量的同時，達到規范要求的固頻，從而保證浮置板減振效果可滿足要求。具體建議為鋼軌采用60 kg/m、扣件采用彈性分開式扣件(剛度30 kN/mm～35 kN/mm)、軌枕間距0.6 m、鋼彈簧浮置板厚度420 mm，浮置板寬度根據盾構管片直徑調整為4.2 m，單位長度重量4.17 t/m，隔振器剛度6.6 kN/mm，間距采用2-2布置，左右對稱，單位長度剛度為：2×6.6/(2×0.6)=11 kN/mm。較普通地鐵鋼彈簧浮置板軌道剛度增加29.4%，浮置板質量增加67%，見圖2。

4 結語

市域快軌交通工程列車運行速度較高，列車軸重與地鐵A型車相當，如何在保證鋼軌動態位移與結構安全性的同時，又能兼顧鋼彈簧浮置板的減振性能是設計的關鍵所在。降低隔振器的支承剛度雖然可以起到較好的減振效果，但同時會增加鋼軌的動態下沉量，影響行車安全；增加浮置板質量亦可達到較好的減振效果，但又會增加土建投資和影響接觸網的安裝空間。本文綜合考慮了隔振器支承剛度、浮置板單位質量等因素，提出了推薦方案，其他市域快軌工程可根據其自身特點，綜合比選后進行設計參考。