市域快線新型鋼彈簧浮置板軌道設計與施工

摘 要：鋼彈簧浮置板軌道是城市軌道交通中常用的振動控制措施之一，具有良好的減振性能。針對時速120km/h、大軸重的市域快線工況，本文提出了一種在單塊預制浮置板中設置內置式隔振器與端部共享隔振器的組合布置方案，并采用數值模擬方法對該方案下車輛運行的安全性、平穩性以及軌道結構的穩定性和減振效果等動力學指標進行評估，結果表明，本文所提出方案能夠滿足設計要求。此外，本文簡述了新型隔振器組合布置方案的施工步驟及設計施工要點，對類似軌道工程項目具有借鑒意義。

關鍵詞：地鐵軌道；鋼彈簧預制浮置板；有限元模型

中圖分類號：U 23" 文獻標志碼：A

隨著城市化進程的加速，城市交通壓力增加，特別是對人口密集且交通需求旺盛的大城市來說，發展快速、高效、環保的公共交通系統顯得尤為重要。市域快線作為連接城市中心與郊區、衛星城的重要交通方式，其快速性和舒適性直接影響城市交通的效率和居民出行體驗。市域軌道交通系統為居民生活提供了極大便利，但同時也衍生出很多問題，例如列車運營產生的振動噪聲愈加嚴重，非常需要一種高效減振措施來解決[1]。目前國內浮置板軌道系統在時速100km及以下的運用已較為成熟，但傳統的鋼彈簧浮置板在市域快線中應用較少，且大多以現澆工法為主。

本文提出了一種適用于時速120km/h市域快線的新型裝配式鋼彈簧浮置板結構方案。通過建立ABAQUS列車-軌道-隧道-土體整體分析模型，研究該新型鋼彈簧浮置板結構方案下車輛的安全性、平穩性、浮置板軌道系統的結構穩定性、減振效果等動力學指標，對該新型浮置板軌道結構設計方案的動力學響應及應用效果進行量化評價。此外，本文還提出了新型鋼彈簧預制浮置板軌道的施工步驟及設計施工過程中的要點問題，以期為城市快速軌道交通線路鋼彈簧浮置板軌道的設計與施工提供依據。

1 鋼彈簧浮置板方案設計

1.1 設計理論基礎

軌道交通中的車輛與軌道是密不可分、相互耦合的復雜系統，而輪軌間的接觸是連接車輛與軌道系統的界面，輪軌系統通過輪軌相互作用形成了一個整體，其相互作用關系如圖1所示。

當設計地鐵軌道鋼彈簧浮置板隔振器方案時，需要利用數值模擬等方法評估該設計方案下車輛與軌道結構的動力響應效果，保證設計方案能夠達到所預期的設計目標。

1.2 設計參數

設計軸重：A型車，軸重17t。最高運營速度：120km/h。軌道結構高度：盾構隧道940mm。

采用1435mm標準軌距，全線設雙線。采用60kg/m鋼軌，鋪設無縫線路。

扣件：WJ-14型，扣件高度最小為35mm，軌底坡1∶40在預制板承軌臺實現，扣件間距600mm。

2 新型鋼彈簧預制浮置板軌道設計

為了適應本條線路的運營條件，在以往地鐵應用設計的基礎上，增加了鋼彈簧預制板隔振器的剛度，優化了隔振器布置方式。浮置板板寬為2600mm，板厚為340mm，板長為4.765m。中間采用4組內置式隔振器，豎向剛度值為7.5kN/mm。板端采用4組共享隔振器，豎向剛度值為27.26kN/mm。預制板之間采用2組上置式剪力鉸連接。布置方案如圖2、圖3所示。

3 鋼彈簧預制浮置板軌道系統仿真分析

3.1 車輛-軌道-隧道耦合動力學分析模型與參數

3.1.1 車輛模型

車輛模型可視為多自由度振動系統，其由車體、轉向架、輪對及彈簧-阻尼器懸掛系統裝置組成。根據A型車情況，設計軸重為17t，在ABAQUS部件模塊中按規定尺寸分別建立車體、轉向架和輪對，通過標志點、笛卡爾梁、MPC梁對各部件進行裝配，并設置各部件的質量、慣量等參數，即可建立車輛模型。建立的車輛模型如圖4所示。

3.1.2 鋼彈簧浮置板軌道模型

鋼彈簧浮置板軌道是在基礎結構上，利用鋼彈簧對鋼筋混凝土道床進行支撐，并通過扣件將鋼軌部件與道床板進行固定。

當建模時，考慮鋼筋作用對浮置板材料密度及強度進行適當調整，浮置板材料為C50混凝土。鋼軌60kg/m采用8節點實體縮減積分單元（C3D8R）模擬。在模型中，鋼軌支承采用離散方式，考慮軌枕的作用，在與軌枕相連的扣件處，采用4個連接點與鋼軌相連，鋼軌的縱向網格尺寸取0.05m。鋼軌通過扣件與道床板連接，為簡化模型，不考慮扣件的非線性，只考慮扣件的線彈性，將鋼軌與道床板間的連接視為彈簧-阻尼連接，通過設置彈簧阻尼單元并在豎向、橫向、縱向方向上分別設置其剛度值和阻尼值，對鋼軌與道床板間連接關系進行模擬。此外，道床板模擬采用實體單元，并約束其端部旋轉。采用豎向、橫向、縱向剛度值及阻尼值的彈簧-阻尼單元進行模擬，可有效模擬隔振器的連接及限位作用。

3.1.3 隧道模型

在隧道與土體模型中，為消除邊界條件影響，建模時選取了150m×100m×60m的大土體結構，隧道斷面為圓形，如圖5所示。基底、管片和土體均采用實體單元模擬，土體采用巖土工程中應用十分廣泛的Mohr-Coulomb模型，管片和基底采用線彈性模型。本文假設土體與管片之間、管片與基底之間接觸良好，不考慮結構間相對位移。

3.2 列車運行安全性分析

列車與軌道間的輪軌垂向、橫向作用力、輪重減載率、脫軌系數是評價車輛運行安全性的重要指標。

本次分析基于120km/h運營速度線路進行運行安全性分析。可以通過輪軌垂向及橫向力這兩個指標評估列車運行安全性，基于仿真模型計算，其結果如圖6、圖7所示。根據圖6及圖7可知，新型浮置板軌道結構設計方案下計算的最大輪軌垂向力為99.40kN，最大橫向力為16.12kN。本文中的列車型號為A型車，軸重為17t，因此輪軌橫向力限值取68kN（一般采用軸重的0.4倍），說明輪軌橫向力小于限值，滿足規范要求。

輪重減載率和脫軌系數亦可用于評估列車運行安全性。輪重減載率是評價運行列車因單側車輪減載而產生的脫軌風險的安全性指標。脫軌系數為輪軌橫向力和垂向力之比，數值越大表明列車脫軌風險越大。脫軌系數時程曲線如圖8所示，輪重減載率時程曲線如圖9所示，計算最大脫軌系數和輪軌減載率分別為0.212和0.418，均滿足《機車車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（GB/T 5599—2019）[2]中的限值要求，車輛運行安全性可以得到保障。

3.3 列車運行平穩性分析

車輛的運行平穩性是評估其動力學性能的關鍵指標，其中，Sperling指標可以有效評估列車本身的運行舒適度，是國內常用的平穩性評估方法[3]。基于建立的數值仿真模型，計算列車行車速度120km/h條件下的車體垂向加速度及車體橫向加速度時程曲線，如圖10、圖11所示，其中，車體垂向加速度和橫向加速度峰值分別為0.282m/s2和0.140m/s2。計算的垂向和橫向Sperling指標W分別為1.717和1.461，小于相關規范[2]中的限值（平穩性Ⅰ級，W≤2.5），說明列車行車平穩性指標評價為優，可滿足乘客的舒適性需求。

3.4 軌道結構穩定性分析

軌道的動力響應選用鋼軌垂向位移和浮置板垂向位移作為評價指標[4]。基于圖12及圖13的鋼軌位移和浮置板位移時程曲線可知，本文工況下計算的對應鋼軌最大豎向位移為3.49mm，浮置板最大豎向位移為2.67mm，各指標均滿足《浮置板軌道技術規范》（CJJ/T191—2012）[5]中的限制要求，說明在120km/h的市域快線列車作用下，本文所述的新型鋼彈簧預制浮置板軌道系統具有足夠的穩定性。

3.5 減振效果分析

選取隧道壁處作為計算點，以該處振動加速度來計算浮置板軌道系統的垂向振動指標。基于本文工況及所建立的仿真計算模型，可以得到圖14所示的普通道床和鋼彈簧浮置板的隧道壁1/3倍頻程振級曲線。

根據圖14可知，在12Hz附近（與系統固有頻率接近），浮置板軌道與普通道床的總振級十分接近，說明當外界激勵頻率與鋼彈簧浮置板系統固有頻率趨于一致時，鋼彈簧浮置板并不能起到較好的減振效果。當頻率較高時，浮置板軌道與普通道床的總振級相差較大，減振效果較好。

分別對鋼彈簧浮置板道床與普通道床的各頻率段振級進行計權計算，可得出普通道床與鋼彈簧浮置板道床的總振級分別為80.55dB和65.32dB，從而可計算出鋼彈簧浮置板的減振效果為兩者差值15.23dB。

綜上可知，在新型鋼彈簧浮置板軌道系統的固有頻率處，系統的減振效果較為一般，且軌道系統在高、低頻段的減振效果有明顯差異，表現為高頻段減振能達到更好的效果。通過計權計算得到的浮置板系統整體減振效果可以達到15dB以上，符合預期設計目標要求（≥15dB）。

4 新型鋼彈簧預制浮置板軌道施工

本工程軌道的作業施工具有施工周期緊、精確度和作業質量要求高、不同工種同時施工、高環保性等特點。為了能夠高效完成新型方案的工程，并達到預期的質量標準，施工步驟如圖15所示。

5 設計與施工中應重視的問題

軌道工程涉及多工種、多專業且存在接口和施工干擾大等問題。基于各專業方向的設計進度不完全一致，且設計存在變更、疏漏等客觀情況，因此需要在設計、施工過程中，對全過程進行管控。

當施工時，各類專業管線如信號、電力通信、給排水等須預埋于道床中，其預埋點位、尺寸、數量等需要各相關專業在施工開始前確定。

在設計開始前，結構專業須考慮軌道結構高度差異，在軌道結構竣工后，應基于實測數據，對調線調坡進行設計，使其符合軌道結構高度。

在浮置板地段，施工時要嚴格控制基底的高程，將施工誤差控制為0～-5mm。一般位置平整度要求±2mm/㎡。尤其注意曲線段基底為斜線，中心水溝模板處由于混凝土自流性，因此外側容易高，內側容易低。在澆筑完成后按規范要求進行灑水養護。

在頂升過程中，所有工具、配件必須妥善放置，嚴禁雜物掉入浮置板周邊縫隙，若發現則須及時清出。如果與浮置板道床相接的整體道床在浮置道床頂升后進行施工，就不能讓澆筑的混凝土進入浮置板道床頂升后形成的間隙內。

6 結語

本文提出的時速120km/h市域快線新型鋼彈簧預制浮置板軌道設計方案合理可行，計算分析結果滿足車輛運行的安全性和平穩性、軌道結構穩定性要求，理論計算的總振級插入損失即減振效果達到15dB以上，符合設計要求。

本文簡述新型鋼彈簧預制浮置板軌道的施工過程，并針對軌道工程設計、施工涉及專業面廣、設計施工對接不同步等特點，對設計與施工過程中的重難點問題進行總結歸納，為類似工程項目提供了借鑒。

參考文獻

[1]張啟樂，劉林芽，李紀陽.地鐵鄰近建筑環境振動預測及傳遞規律分析[J].鐵道科學與工程學報，2015，12（3）：502?508.

[2]中國國家標準化管理委員會.機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范：GB/T 5599—2019[S].北京：中國標準出版社，2019：8-9.

[3]熊蘊遠，王加里，吳濤濤，等.列車運行平穩性評估及

Sperling公式運用過程中的問題梳理[J].中國新通信，2022，24（19）：32-34.

[4]李秋義，高自遠，楊榮山，等.160km/h市域鐵路裝配式浮置板軌道研究[J].鐵道科學與工程學報，2022，19（10）：2893-2902.

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.浮置板軌道技術規范：CJJ/T 191—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2013：5-6.