李 子 杰

(武汉市第二中学,湖北 武汉 430010)



·道路·铁路·

160 km/h市域快线钢弹簧浮置板轨道研究

李 子 杰

(武汉市第二中学,湖北 武汉 430010)

针对市域快线实际运营条件，优化了钢弹簧浮置板轨道方案，并建立了钢弹簧浮置板轨道有限元模型，分析了振动性能和减振效果，计算结果表明，优化后钢弹簧浮置板方案减振效果达18 dB以上，钢轨动态下沉量满足相关规范的要求，市域快线特殊减振地段采用钢弹簧浮置板是可行的。

市域快线，减振效果，钢弹簧浮置板，有限元模型

0 引言

钢弹簧浮置板是一种道床类轨道减振结构，主要由混凝土道床板和钢弹簧隔振器等组成，可用于特殊和高等级减振地段。由钢弹簧和阻尼组成的隔振系统具有减振效率高、寿命长、养护维修方便等特点。通过钢弹簧隔振器弹性支撑混凝土道床板与钢轨扣件系统，组成质量—弹簧隔振系统，减少列车经过时传递到隧道结构的振动，对地铁沿线城市环境区域起到很好的保护作用。截至目前，钢弹簧浮置板已成功应用于我国20多个城市，在地铁和轻轨中取得了丰富的应用经验，能够适用于设计速度100 km/h、轴重14 t的线路。

我国正在规划和建设的部分市域快线(如温州和台州)最高设计速度160 km/h，最大轴重17 t，并开行市域动车组。市域快线穿越人口密集的地段时，经环境影响评价后需要采用特殊减振措施。目前国内外在市域快线采用钢弹簧浮置板的经验非常有限，与市域快线运行条件接近的几条运营线情况：北京地铁14号线浮置板地段时速80 km，轴重17.5 t，开通运营时间为2015年；上海地铁16号线浮置板地段时速120 km，轴重16 t，开通运营时间为2014年；日本筑波快线浮置板地段时速160 km，轴重15 t，开通运营时间为2005年。市域快线采用钢弹簧浮置板的关键技术问题是其减振效果和钢轨动态下沉量能否同时满足要求。钢弹簧浮置板能否适应市域快线这种速度快、轴重大的运营条件，迫切需要在基础理论和结构设计上进行深入研究。

1 市域快线钢弹簧浮置板设计方案

某市域快线设计速度160 km/h，轴重17 t，为了适应以上运营条件，在以往地铁应用经验基础上拟定了钢弹簧浮置板轨道方案，较以往普通地铁工况增加了浮置板厚度和宽度，提高单位长度重量，优化了隔振器刚度和布置方式。浮置板宽度3 400 mm，厚度510 mm，单位长度重量4.335 t/m；隔振器刚度6.6 kN/mm，间距采用2-2布置，单位长度刚度为11.0 kN/mm。浮置板布置方案如图1～图3所示。

2 方案减振效果分析

2.1 有限元模型及参数

建立市域快线弹簧浮置板轨道有限元模型如图4所示，模型为三块浮置板通过剪力铰相连。

有限元模型的组成：

浮置板：单块浮置板长度24.97 m，材料为C40混凝土，采用Shell单元。

钢轨：钢轨断面使用我国标准60 kg/m钢轨断面，断面积、断面尺寸与惯性矩等与标准60 kg/m钢轨一致，采用Frame单元。

扣件：扣件连接钢轨与浮置板，垂向刚度35 kN/mm，采用Link单元。

隔振器：浮置板通过隔振器与隧道壁相连，隔振器布置见相关图纸，隔振器采用Damper单元，输入隔振器的等效刚度与阻尼，隔振器下部约束X，Y和Z方向位移。

剪力铰：浮置板之间由四组剪力铰连接，剪力铰铰棒为直径45 mm钢棒，采用Frame单元。

2.2 模态分析

通过对浮置板有限元模型进行模态分析，了解隔振系统的振动性能。市域快线钢弹簧浮置板各阶模态固有频率如表1所示。

表1 钢弹簧浮置板模型固有频率

通过钢弹簧浮置板模态分析，可知钢弹簧浮置板模型竖向固有频率为7.81 Hz，如图5所示。

2.3 浮置板插入损失计算

对钢弹簧浮置板有限元模型进行稳态计算，将浮置板系统1 Hz～200 Hz的1/3 倍频程的浮置板系统分频插入损失如图6所示。

市域快线钢弹簧浮置板从11 Hz左右开始有减振效果。在激振频率30 Hz以上是浮置板系统计算隔振效果可达20 dB以上。

2.4 隔振效果计算

根据多次地铁测试的结果，计算出1/3倍频程的普通整体道床隧道壁的分频加速度级。利用1 Hz～200 Hz的1/3倍频程的浮置板系统分频插入损失，对普通整体道床隧道壁的加速度的减振效果进行隔振效果分析。

根据标准GB/T 13441.1—2007机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分——一般要求，计算普通整体道床系统、钢弹簧浮置板系统隧道壁计权加速度分频振级如图7所示，总计权加速度的振级如表2所示。分析结果表明，钢弹簧浮置板系统总振级插入损失即减振效果可达18 dB以上。

表2 隧道壁计权加速度总振级

道床形式总计权加速度/m·s-2总振动级/dB总振级插入损失/dB整体道床0.008178.1—钢弹簧浮置板0.0007357.220.9

2.5 钢轨动态下沉量计算

分别计算了北京14号线、上海16号线、日本筑波线、市域快线在列车通过时钢轨动态下沉量如表3所示。

表3 钢轨动态下沉量

根据计算结果可知，市域快线计算的钢轨动态下沉量为1.7 mm，优于已运营线路北京14号线与上海16号线的钢弹簧浮置板，与日本驻波快线的动态下沉量相当。钢轨水平位移为0.5 mm，优于已运营线路北京14号线、上海16号线的钢弹簧浮置板与日本驻波快线。四种条件下浮置板动态下沉量满足不宜大于3 mm的要求[1]。

3 结语

1)市域快线钢弹簧浮置板系统方案理论计算的总振级插入损失即减振效果18 dB以上。钢轨动态下沉量满足相关规范不宜大于3 mm的要求。

2)结合已运营线路北京14号线、上海16号线的钢弹簧浮置板与日本驻波快线时速160 km/h弹簧浮置板轨道既有工程案例，通过市域快线与以上既有线对比分析，市域快线特殊减振地段采用钢弹簧浮置板是可行的。

[1] CJJ/T 191—2012,浮置板轨道技术规范[S].

Study on steel-spring floating slab track of 160 km/h urban expressway

Li Zijie

(Wuhan2ndMiddleSchool,Wuhan430010,China)

In light of actual operation conditions of urban expressway, the paper optimizes steel-spring floating slab track scheme, establishes finite element model of steel-spring floating slab track, and analyzes vibration performance and damping effect. Results show that: the damping effect of the optimized steel-spring floating slab scheme is over 18dB; dynamic steel track settlement meet demands; applying steel-spring floating slab in special urban expressway damping section.

urban expressway, damping effect, steel-spring floating slab, finite element model

1009-6825(2017)10-0141-03

2017-01-18

李子杰(2000- )，男，学生

U213.2

A