富水地區短板鋼彈簧浮置板軌道減振效果研究★

王 繼 侯博文 趙聞強

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

1 概述

我國沿海發達地區的大量地鐵都修建在富水地區［1］，富水地區存在大量的飽和軟黏土地層，這些土層的含水率大、壓縮性高、剪切波速小，地鐵列車動力作用對周邊振動環境影響更大，且在中低頻范圍內振動增加明顯。如張燕等［2］通過對濱洲線大慶龍鳳濕地區段列車動荷載引起的地面振動進行觀測發現，在30 Hz～80 Hz頻率范圍內振動加速度級增加。申躍奎［3］在研究地鐵激勵下振動的傳播規律時發現，豎向振動在地鐵隧道附近以40 Hz～80 Hz頻段為主。張波［4］以天津地區某典型飽和土場地為例，對地鐵列車動荷載誘發的地基振動進行研究，得出地鐵列車誘發飽和土體地基振動主要發生在低頻階段。由此可知富水軟土地區的軌道減振，更需要關注中低頻段的減振問題。

目前城市軌道交通已經采用了包括鋼彈簧浮置板、橡膠浮置板、減振扣件等在內的多種減振軌道型式。相對而言，橡膠浮置板、減振扣件等措施自振基頻較高，可能無法滿足富水軟土地區的軌道減振需求。而鋼彈簧浮置板基頻較低，減振效果較好。

丁智等［5］通過對杭州市某地鐵隧道整體道床和鋼彈簧浮置板進行振動監測發現，鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌振級比整體道床小10 dB。但目前采用的鋼彈簧浮置板結構大多以現澆長板式為主，現有研究也較少涉及短板鋼彈簧浮置板軌道的減振性能。短板鋼彈簧浮置板由于其預制質量好、施工便捷等特點，更加符合城市軌道交通預制式、裝配式的發展理念，其在富水軟土地區的減振性能還需進一步分析。

綜上所述，采用短板鋼彈簧浮置板軌道結構是富水地區軌道減振的有效途徑，但目前對該軌道結構減振效果的研究極少，因此，開展富水地區短板鋼彈簧浮置板減振效果研究十分必要。本文基于富水地區的地質環境，結合地鐵盾構隧道的結構特點，采用有限元軟件Abaqus建立了車輛—軌道—下部基礎耦合動力學模型，對新型裝配式鋼彈簧短板浮置板軌道結構的減振降噪特性進行研究，以期為優化裝配式短板鋼彈簧浮置板軌道結構設計和富水軟土地區減振降噪軌道建設提供理論支撐。

2 車輛—軌道—下部基礎耦合模型建立

2.1 車輛模型

將車體、轉向架和輪對視為剛體，各剛體間通過彈簧阻尼元件連接。以地鐵B型車為例，相關參數見表1。

表1 地鐵B型車計算參數

2.2 軌道—下部基礎模型

圖1 鋼彈簧浮置板軌道結構圖

將鋼軌、軌道板、隧道和土體采用實體單元建模，其中，鋼軌為60 kg/m;軌道板為短板鋼彈簧浮置板，結構的平面圖及斷面圖如圖1所示;隧道模型分為基底和襯砌;土體采用Mohr-Coulomb準則?？奂到y采用多根線性三向彈簧—阻尼單元建模。鋼彈簧隔振器按9根三向彈簧阻尼單元建模。本文假設土體與襯砌之間、襯砌與基底之間接觸良好，不考慮結構間相對位移。各部分參數見表2。

2.3 輪軌接觸模型

輪軌法向力采用Hertz理論計算:

其中，G為輪軌接觸常數，m/N2/3;ΔZ(t)為t時刻輪軌間彈性壓縮量，m。

輪軌切向力采用Coulomb摩擦模型進行計算:

其中，μ為摩擦系數，本文取0.3。

輪軌激勵采用美國五級譜。

表2 軌道—下部基礎模型各結構具體參數

2.4 車輛—軌道—下部基礎耦合動力學模型

采用以上思路和方法建立的動力學模型如圖2所示。同時建立整體道床模型用于對比分析。模型長度為75 m。

圖2 車輛—浮置板軌道—下部基礎耦合動力學模型

3 富水地區鋼彈簧浮置板隔振效果分析

3.1 富水軟土地區車致振動傳遞規律

根據富水地區的地質特點設置了土體參數，并與普通硬質圍巖對比，相關參數如表3所示。在整體道床工況下，計算列車經過時兩種土體上表面的加速度Z振級，結果如圖3所示。

表3 不同土體的典型參數

圖3 土體上表面1/3倍頻程加速度Z振級

由圖3可知，在0 Hz～32 Hz頻率范圍內，硬質圍巖的加速度Z振級低于富水軟土;在32 Hz以上頻率范圍，富水軟土地區的Z振級稍低于硬質圍巖。由此可知，富水軟土地區列車引起的振動經過整體道床傳遞至地表后，低頻成分明顯增多，其中，在16 Hz～32 Hz頻段增多最為明顯。我們知道，橡膠浮置板軌道基頻常在20 Hz～30 Hz之間;鋼彈簧浮置板基頻在15 Hz～16 Hz之間。因此，橡膠浮置板軌道基頻無法避開軟土地區的振動放大頻段，在富水軟土地區選擇鋼彈簧浮置板更為合理。

3.2 富水地區鋼彈簧浮置板隔振效果分析

基于車輛—軌道—下部基礎耦合動力學模型對比分析富水地區鋼彈簧浮置板和整體道床的各結構動力學特性，提取板中位置鋼軌、軌道板以及基底的最大位移和加速度有效值見表4。

表4 鋼彈簧浮置板和整體道床的結構動力特性對比

由表4可知，在垂向最大位移方面，采用浮置板后，鋼軌和軌道板的位移顯著增加，但仍小于《浮置板軌道技術規范》［6］規定限值，這是由于鋼彈簧隔振器降低了軌下和板下剛度所致;基底的位移略微減小，這是由隔振器的緩沖作用導致的。

同樣地，在垂向加速度有效值方面，采用浮置板后，鋼軌和軌道板的加速度有效值增加，基底的加速度有效值顯著減小，說明振動主要由鋼軌和軌道板承受，傳遞到下部基礎的振動顯著降低。

為進一步比對其減振效果，提取隧道壁上距鋼軌頂面約1.5 m高處的垂向振動加速度，采樣點位置如圖4所示，計算隧道壁垂向加速度Z振級的插入損失如圖5所示。

圖4 隧道壁垂向加速度采樣點

圖5 隧道壁垂向加速度Z振級插入損失

由圖5可知，采用鋼彈簧浮置板后部分頻段具有明顯的減振效果。當頻率為200 Hz時，減振效果最佳，插入損失為22.18 dB。當頻率在16 Hz附近時，其減振效果較差，但并未出現基頻放大的現象。

根據規范［6］，減振效果的評價指標應對浮置板軌道與整體道床比較分頻振級均方根的差值Δla。頻率范圍取1 Hz～80 Hz，計算總振級后發現減振軌道減振效果為Δla=12.35 dB。由此可知，在富水軟土地區使用短板鋼彈簧浮置板軌道可以明顯減小列車動荷載對下部基礎產生的振動。

4 結語

在富水地區，車輛動力作用經由土體傳遞后在低頻范圍(16 Hz～32 Hz)增加明顯。采用短板鋼彈簧浮置板軌道后，能夠顯著降低列車動荷載對下部基礎的振動響應。板中位置結構變形能夠滿足規范要求，減振效果約為12.35 dB。