钢轨嵌入式轨道结构及其设计优化

1 / 6钢轨嵌入式轨道结构及其设计优化摘要在对现有轨道结构类型进行分析的基础上, 论述了嵌入式轨道结构的设计理念,对其设计优化进行了初步研究,并分析了减振降噪的原理,提出了合理的下部基础形式。关键词轨道结构,整体道床轨道,嵌入式轨道轨道结构按其轨下基础型式可分为有碴轨道和无碴轨道。有碴轨道作为传统的轨道结构,其主要的缺点是养护维修费用较高。与有碴轨道相比, 无碴轨道具有少维修、结构整体性和稳定性好的优点,因此很适用于城市轨道交通。且已成为城市轨道交通中轨道结构的主要型式。然而,由于无碴轨道下部基础采用混凝土结构,与有碴轨道相比较, 会产生更大的振动和噪声。因此,有必要发展新型的无碴轨道或对现有轨道结构进行改善,即发展低噪声少养护的轨道结构。嵌入式钢轨技术的发展和应用,代表着轨道结构设计的巨大进步。1 嵌入式轨道结构传统的轨道结构,其钢轨和轨枕(或整体道床) 是通过扣件连接的,钢轨的支撑和固定都是离散的,钢轨完全暴露在空气中。嵌入式轨道结构则采用连续的固定和支撑方式,其基本做法是:用一种叫 Corklast 的弹性体将钢轨固定在钢2 / 6筋混凝土板整体道床的凹槽内,整个钢轨几乎完全埋置在弹性体中,除了必要的信号电缆和牵引供电电缆外,在钢轨和混凝土之间以及两条钢轨之间没有任何的机械联结(图 1) 。嵌入式轨道结构具有以下优于传统非连续支承轨道结构的优点: 减小了轨道结构的厚度,厚度只有 200 mm ; 不仅在设计上有很大的自由度,而且由于钢轨是连续支撑的,减少了钢轨疲劳的发生; 不需要轨距拉杆、混凝土轨枕和钢轨联结部件; 由于周围的线路路基可以和钢轨面齐平,对平交道口和库内工作很理想; 具有良好的减振降噪性能和少养护维修的特点。图 1 嵌入式轨道结构横断面图嵌入式轨道结构的减振降噪原理主要体现在以下 3 个方面: 钢轨完全由槽内弹性体和轨下弹性条连续固定和支承,优化了整个轨道结构在水平和竖向的刚度;其垂向弹性由轨下弹性条和槽内弹性体共同提供,很大程度上模拟了传统有碴轨道结构的受荷响应。 传统轨道结构采用离散的钢轨支承方式,在列车的反复荷载作用下,导致钢轨产生不平顺性,增加了轨道结构的振动响应;而嵌入式轨道结构采用连续的弹性支承,大大降低了钢轨的不平顺性,从而减少了轨道结构的振动。 由于钢轨几乎完全埋置在弹性体内,减3 / 6少了噪声源,也减少了噪声的反射面积,起到了降噪的作用。荷兰的实验研究表明,同样采用 U IC 54 钢轨,嵌入式轨道结构的噪声只比传统的有碴轨道结构高 2 dB (A) ,其减振效果在 10 dB (A) 左右。2 嵌入式轨道结构的设计优化对嵌入式轨道结构的进一步发展就是优化其减振降噪性能,降低其造价。由于嵌入式轨道结构比较简单,没有扣件等连接零件,因此,其优化的着眼点应该是钢轨本身和弹性体。为了降低列车通过时轨道结构引起的振动和噪声,荷兰在开发板式轨道时,研制了轨头形状与 U IC 54 相似的SA42 型矮轨,并采用嵌入式轨道结构技术(图 2) 。这种新型低噪声嵌入式轻型钢轨,每米仅重 42 kg , 高 8 cm , 其相应的凹槽体积要小的多,从而可以节约多达 60 % 的弹性体,减少了轨道结构的高度,降低了工程造价。由于这种钢轨矮胖,车辆通过时引起钢轨腹板的振动频率较低,提高了轨道结构减振降噪效果,与采用 U IC 54 钢轨的有碴轨道结构比较, 可以减少噪声约 57 dB (A) 。图 2 新型低噪音嵌入式钢轨3 嵌入式轨道结构的下部基础4 / 6嵌入式钢轨的调整定位是一项复杂精密的工作,而且钢轨定位以后就不能做横向和竖向调整。因此,对其下部基础提出了严格的要求。一般来说,有以下两种类型的下部基础适合于嵌入式轨道结构: 混凝土板式道床,这是最典型的嵌入式轨道结构,道床采用预应力加强混凝土板,沿线路的纵向和横向分别施加了比例高达 1. 5 % 的预应力。这种类型的轨道结构在荷兰的铁路干线和轻轨线路上,尤其在桥梁和平交线路上,都有很大程度的使用,其结构如图 3 所示。 采用箱型梁作为下部基础。在这种轨道结构中,箱型梁直接放在土路基上,路基的沟槽形状和梁体相吻合;整个梁的重量不大于挖出的土体的重量,这样梁下的土体不会发生大的沉降和变形(图 4) 。箱梁具有和桥梁相当的挠曲刚度,能够保证轨道结构正确的几何形位, 因此非常适合于嵌入式轨道结构。 图 3 采用板式轨道结构图 4 采用箱型梁轨道结构4 结语伴随着城市轨道交通的大规模发展,轨道交通沿线噪声5 / 6和振动问题越来越引起人们的重视。嵌入式轨道结构作为一种新型的减振降噪型轨道结构,在荷兰至德国的运输干线上已经有 17 年的运营经验,另外在欧洲很多地方的车站和桥梁上也得到了广泛的应用。由于嵌入式轨道结构采用连续的弹性支承,钢轨内部的疲劳应力很小,减少了钢轨的磨耗,改善了车辆的运行性能,并一定程度上提高了列车运行的舒适度,轨道结构非常安全。在使用寿命方面,嵌入式轨道结构比传统的有碴轨道结构长 50 % 。荷兰的研究表明,嵌入式轨道结构不仅少振动低噪声,而且其养护维修费用很低,总体造价比较经济,符合未来轨道结构的发展要求。但是由于其施工工艺复杂,而且我国还没有生产这种弹性体的厂家,因此,目前我国还不宜大规模铺设。目前宜先进行室内实验研究,并在一些对噪声和振动比较敏感的地段,考虑铺设嵌入式轨道结构,以开展相应的试验工作。参考文献1 Jelte Bos. Low Noise Track. Rail International , 1999 , (1) :1722 2 Jelte Bos ,Herke Stuit ,Deck Track. Rail Interational , 2000 ,(1) :3037 3 Valeri Markine ,Amy de Manm , Stasha Jovanoovic , Coenraad Esveld. Modelling and Optimization of an Embedded Rail Struc2 ture. 2000