（道路与铁道工程专业论文）城市轨道交通减振降噪方法的研究.pdf

同济大学硕士学位论文城市轨道交通减振降噪方法的研究 摘要 作为现代化的城市公共运输系统的轨道交通，给居民的出行带来了快捷和方便， 同时也产生了显著的社会效益。城市轨道交通的运行特点不同于大铁路，如行车密度 大、行车间隔短、昼间无法进行维修养护作业以及城市环保要求等，决定了城市轨道 交通优先采用无碴轨道结构。但无碴轨道结构刚性大，整体道床表面反射噪声，而且 城市轨道交通大多穿越或位于闹市区和居民区，因此，降低轨道交通的噪声问题是城 市环保的重要内容。 振动与噪声是同一物理现象的弹性波在不同介质中传播的两个方面，噪声通过空 气传播，振动通过固态结构物传播。一般认为，高架结构的振动而辐射噪声，而地面 传播噪声只存在于地铁中。国外研究表明，当列车速度小于2 5 0 k m h 时，铁路噪声以 轮轨噪声为主，当列车速度大于2 5 0 k m h 时，铁路噪声以空气动力噪声为主。城市轨 道交通一般的运行速度都在6 0 一- - 8 0 k m h 之间，所以轮轨噪声是城市轨道交通噪声的 主要来源。 本文运用翟婉明教授提出的车辆一轨道耦合动力学理论及其提出的车辆一轨道垂 向相互作用的计算机仿真v i c t 程序，以有碴轨道结构为参照，比较车轮及刚性支承 块轨道结构和弹性支承块轨道结构各部件的振动响应，着重研究刚性支承块式轨道结 构轨下垫层刚度和板下垫层刚度对轨道结构各部件的影响，及弹性支承块式轨道结构 块下垫层刚度对轨道结构各部件的影响。再根据国内外对轮轨噪声理论的研究，分析 了城市轨道交通轮轨噪声的产生机理，轮轨噪声功率谱与轮轨振动速度功率谱、轮轨 振动加速度功率谱之间的关系，从而得到增加轨道结构弹性不仅能降低轨道结构的振 动，而且对降低轮轨噪声也有利。最后从振动噪声源、传播途径及噪声接受区三方面 阐述其他治理城市轨道交通振动噪声的措施，为今后我国城市轨道交通体系振动与噪 声控制研究提供参考。 关键词 城市轨道交通，轮轨噪声，减振降噪，支承块承轨台，弹性支承块承轨台 旦塑奎堂堡主堂垡堡壅 丝空垫望奎望堕堑堕堡查垄箜堕壅 a b s t r a c t a sam o d e mm a s st r a n s i ts y s t e m ，t h eu r b a nr a i lt r a n s i tm a k e st h ec i t i z e nt o u r i n gf a s t a n dc o n v e n i e n t l y , a n da tt h es a m et i m e ，i tb r i n g san o t a b l es o c i a lb e n e f i t b u tt h es o m e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fu r b a nr a i lt r a n s i ta r ed i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a lr a i l w a y s ，s u c h a st h et r a f f i cd e n s i t yi sg r e a t e r , t h ei n t e r v a lt i m ei ss h o r t e r , a n di na d d i t i o n ，i tc a n tb e m a i n t a i n e di nt h ed a y i tm u s tm e e tt h en e e d so fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o no fu r b a na r e a a l l o ft h e s es h o w i n gt h a tb a l l a s t l e s st r a c ks h o u l db ec o n s i d e r e di np r i o r i t yt ob eu s e d b u tt h e s t i f f n e s so fb a l l a s t l e s st r a c ki sg r e a t e rt h a nt h a to fb a l l a s tt r a c k ，t h ew h o l et r a c ks u r f a c ew i l l r e f l e c tt h en o i s e b e c a u s em o s to fu r b a nr a i lt r a n s i tc r o s st h r o u g ho rl o c a t ei nd o w n t o w n o rr e s i d e n t i a la r e a ，f o ru r b a ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rd e p r e s s i n gt h e w h e e l r a i ln o i s e v i b r a t i o na n dn o i s ea r et h et w od i f f e r e n ta s p e c t so fs a m ep h y s i c a le l a s t i cw a v e p r o p a g a t i n gi nd i f f e r e n tm e d i u m s n o i s ep r o p a g a t e sb ya i r , a n dv i b r a t i o np r o p a g a t e sb y s o l i ds t r u c t u r e g e n e r a l ，v i a d u c tr a d i a t e sn o i s eb e c a u s eo fi t sv i b r a t i o n ，b u tt h eg r o u n d p r o p a g a t i n gn o i s eo n l yo c c u r si nm e t r o i th a sb e e ns t u d i e dt h a tt h ew h e e l r a i ln o i s ei st h e m a i nc o m p o n e n ti nt h es y n t h e s i sn o i s ew h e nt h et r a i ns p e e di sl e s st h a n2 5 0k m h w h e n t h et r a i ns p e e di sg r e a t e rt h a n2 5 0k m h ，t h ea e r o d y n a m i cn o i s ei sm a i nc o m p o n e n t t h e v e l o c i t yo fu r b a nr a i lt r a n s i ti sb e t w e e n6 0a n d8 0k m h ，s ot h ew h e e l r a i ln o i s ei st h em a i n s o u r o ei nu r b a nr a i lt r a n s i tn o i s e t h i sp a p e ru s e st h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ev i c tc o m p l i e db yp r o f e s s o rz h a iw a n m i n go f s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y , c o m p a r i n gw i t ht h eb a l l a s tt r a c k , t h ev i b r a t i o nr e s p o n s e so f t r a c ks t r u c t u r eo f r i g i d i t ys u p p o r tb l o c ka n d e l a s t i cs u p p o r tb l o c k ( l o wv i b r a t i o nt r a c k ) a r e a n a l y z e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n ts t i f f n e s so fr a i lp a d ，b a s e p l a t ep a da n ds u p p o r t b l o c kp a d ，t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h er i g i d i t ys u p p o r tb l o c ka n de l a s t i cs u p p o r t b l o c kt r a c ka r ea n a l y z e d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fw h e e l r a i ln o i s es t u d i e db y r e s e a r c h e r si nt h ew o r l d ，t h em e c h a n i s mo fw h e e l r a i ln o i s eo fu r b a nr a i lt r a n s i ta n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o l l i n gn o i s ea n dv i b r a t i o n a r ea n a l y z e d ，t h i s p a p e ru s e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea c c e l e r a t i o ns p e c t r u md e n s i t yf u n c t i o no ft r a c kc o m p o n e n t v i b r a t i o na n dt h ew h e e l r a i lr o l l i n gn o i s es p e c t r u md e n s i t yf u n c t i o nt ok n o wt h a tt h ee l a s t i c t r a c ka r ea d v a n t a g e o u sn o to n l yf o rr e d u c i n gt r a c kv i b r a t i o n , b u ta l s of o rd e p r e s s i n g 同济大学硕士学位论文城市轨道交通减振降噪方法的研究 w h e e l r a i ln o i s e a tl a s t , t h em e a s u r e so fd e p r e s s i n gw h e e l r a i ln o i s ea r ed i s c u s s e d t h i s p a p e rp r o v i d e sar e f e r e n c et ot h er e s e a r c ho fc o n t r o l l i n gv i b r a t i o na n dn o i s ei nu r b a nr a i l t r a n s i ts y s t e m k e y w o r d s u r b a nr a i lt r a n s i t ，w h e e l r a i ln o i s e ，d e p r e s s i n gv i b r a t i o na n d n o i s e ，s u p p o r tb l o c kb a l l a s t l e s s t r a c k , e l a s t i cs u p p o r tb l o c kb a l l a s t l e s st r a c k 城市轨道交通减振降噪方法的研究 1 绪论 1 绪论 1 1 前言 随着社会的进步、运输业的发展，铁路客运高速化、货运重载化，尤其是城 市轨道交通的出现，轨道交通产生的振动与噪声污染问题越来越引起人们的关 注。过量的振动与噪声不仅影响人们的正常工作和休息，损害人们的身心健康， 降低工作效率，同时将引起受振物体的疲劳损坏，降低使用寿命，甚至因振动影 响精密仪器和仪表的失灵。因此，如何有效地减少轨道结构振动和噪声对沿线环 境的影响，已经显得十分必要。 目前国内外对传统铁路振动噪声的研究比较多。传统铁路通常采用有碴轨 道，这是因为有碴轨道的道碴能提供很好的弹性，且可以吸收部分噪声，对减振 降噪有利。但这种轨道结构最大的缺点就是养护维修工作量太大，不适合用于城 市轨道交通，因为城市轨道交通有其特殊的运营特点，如行车密度大、行车间隔 短、运营时间长、工作环境狭隘等，所以少维修、高稳定性的无碴轨道的开发与 应用是城市轨道交通轨道结构发展的必然趋势。但无碴轨道结构刚性大，同时反 射部分噪声，因此，减振降噪又是无碴轨道结构必须解决的问题。 1 2 无碴轨道结构的类型 无碴轨道按照与基床的连接型式可分为以下几种型式： ( 1 ) 整体灌筑式，采用就地连续灌筑混凝土基床或纵向承轨台，简称p a c l 型轨道。这种型式结构简单，减振性能也较好，但施工时需采用刚度较大的模架， 施工较复杂。 ( 2 ) 轨枕式，把预制好的混凝土枕与混凝土道床浇筑成一整体。其最大的 优点是可采用轨排施工，施工进度快，施工精度也容易保证。 ( 3 ) 支承块式，把预制的钢筋混凝土支承块与混凝土道床浇筑成一体。支 承块式整体道床的施工方法主要采用钢轨支撑架法，即首先采用专用支撑架将钢 轨就位。采用这种方法施工的整体道床及其铺设的轨道精度容易保证，但其减振 性能较差。 ( 4 ) 弹性支承式，弹性支承块式无碴轨道结构由钢轨、扣件、弹性支承块 域市轨道交通减振降嗥女法的研宄 ( 包括块下弹性太垫板和橡胶套靴) 、钢筋混凝土承轨台组成。弹性支承块轨道 结构与一般的支承块轨道结构的区别是在钢筋混凝土支承块下多了一层大橡胶 垫板，并以橡胶套靴包裹之，使这种无碴轨道在承载、动力传递和振动能量各方 面接近坚实均匀基础上的碎石道床轨道，从而达到减振降噪的目的。弹性支承块 的结构示意图见图11 f ”。对于减振降噪要求特别高的地段，还可以在弹性支承 块式轨道结构的轨下设置高弹性的橡胶垫层。 一轨道基床：2 豫胶支座；3 _ 轨道板；4 一混凝土板 图12 浮置板结构示意图 1 3 无碴轨道在世界各国的使用情况“1 在国外，日本是应用无碴轨道结构形式比较多的国家 城市轨道交通减振降噪方法的研究 1 绪论 1 9 2 5 年，日本铁路室兰正线古别隧道首先修建了混凝土整体道床，此后进 行了不断的研究改进，并研制了弹性扣件，为整体道床的大量应用提供了条件， 截止1 9 7 0 年，日本铁路隧道内修建的整体道床达1 0 0 1 a n 。1 9 6 5 年以后，日本铁 路在山阳、上越和东北新干线等新建的高速线上大量采用了板式轨道，除了由于 当时整体道床的施工速度不能适应之外，有一个重要的因素就是日本新干线中桥 梁、隧道和高架桥结构的总长度占铁路总延长的比例很高。板式轨道的主要部件 是钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土预制板。它在桥梁、隧道和高架桥上都适用。 在法国，新建的城市轨道交通也多采用无碴轨道，如巴黎r f , r 在市内的地下 铁道中采用了整体道床。 英国铁路自1 9 6 0 年以来，试铺了多处整体道床( 简称p a c r 型轨道) ，主要 铺设在隧道内。它适用于高速、重载线路，为解决就地灌筑钢筋混凝土的机械化 工艺和机具问题，英国采用了滑模铺路机联动设备，包括可移动的混凝土拌合给 料斗、带输送机、铺设钢筋网及焊接装置和混凝土凿孔机，以及在铺设机上安装 了控制铺设标高的光学检测装置和动力装置等，成功地解决了整体道床的机械化 施工问题，使施工进度达到一组铺设机每小时可铺4 0 - - - , 5 0 m 。 新西兰、西班牙和澳大利亚等国铁路在隧道内也铺设了p a c t 型整体道床轨 道。 前苏联在1 9 0 9 年曾经试用过整体道床，1 9 3 2 年以后才在莫斯科地下铁道内 大量应用。 联邦德国在柏林和汉莎的地下铁道中也采用了整体道床。 1 4 无碴轨道在我国的使用情况 新中国成立前，我国铁路仅在牡图线北老松岭隧道和沈安线福普岭隧道两座 隧道中修建了整体道床，但缺乏应有的各项技术资料。1 9 6 5 年，在京广铁路易家 湾明峒和贵昆铁路水城附近的三座隧道内铺设了整体道床并进行了测试，取得了 一些经验和技术资料。1 9 6 6 年，成昆铁路建设部门决定在长逾1 0 - - , 1 5 k m 地质 良好的隧道内大量采用整体道床。在成昆全线隧道中，有3 0 座修建了整体道床， 计长6 4 m 。这些整体道床线路运营以来，大多数运营状态良好，充分体现了它的 优越性。 3 城市轨道文减振降方皓的日兜 目前我国的城市轨道交通多采用无碴轨道。如上海市地铁一号线、二号线除 地上部分采用有碴轨道外，地下部分均采用长轨枕式轨道结构，而明珠线一期全 部采用剐性支承块式轨道结构。上海市地铁一号线北延伸即共和新路高架工程在 一般地段采用了刚性支承块承轨台式轨道结构高架桥上采用了弹性支承块承轨 台式轨道结构，见图13 和图1 4 。我国第一次采用浮置板式轨道结构的城市轨 道交通线路是广州地铁一号线然后南京地铁也应用了这一技术，目前正在旌工 的上海市轨道交通明珠线二期工程在高架及地下段也铺设了钢弹簧浮置板式轨 道结构，见图l5 。深圳地铁一期工程购物公园站至香蜜湖站也铺设了浮嚣板式 轨道结构。 图l3 正在安装的弹性支承块图1 4 上海菇和新路弹性支承块轨道结构 图l5 正在铺设的上海明珠线二期工程钢弹簧浮置板式轨道结构 l - 5 本文完成的主要工作 l 、分析城市轨道交通振动和噪声来源，为提出相应的减振降噪措施提供依 据。 2 、根据现有的轨道结构振动模型和轨道结构类型，计算仿真计算时所需的 城市轨道交通减振降噪方法的研究 l 绪论 轨道结构参数，为计算不同轨道结构条件下轨道结构各部件的动力响应， 分析其减振降噪性能打下基础。 3 、分析相同激励条件下，有碴轨道结构、刚性支承块式轨道结构和弹性支 承块式轨道结构等三种轨道结构的动力特性。 4 、研究刚性支承块式轨道结构轨下垫层刚度和板下垫层刚度对轨道结构各 部件动力响应的影响，从而提出合理的轨道结构设计参数。 5 、研究弹性支承块式轨道结构轨下垫层刚度、板下垫层刚度及块下垫层刚 度对轨道结构各部件动力响应的影响，并分析弹性支承块式轨道结构块 下垫层刚度对承轨台激扰力的影响。 6 、利用国内外已有的轮轨噪声理论研究成果，分析了城市轨道交通轮轨噪 声的产生机理，轮轨噪声功率谱与轮轨振动速度功率谱、轮轨振动加速 度功率谱之间的关系，从而迸一步研究轨道结构弹性对城市轨道交通减 振降噪的意义。 7 、从城市轨道交通的振动噪声源、传播途径及振动噪声接受区三方面阐述 其他的减振降噪措施。 1 6 本章参考文献 【1 王午生铁道线路工程上海科学技术出版社1 9 9 8 2 h t t p ：嗍s o n n e v ill e c o m s o n n e v ill e l v t p a g e h t m 5 城市轨道交通减振降噪的方法 2 城市轨道交通的振动噪声源 2 城市轨道交通的振动噪声源 2 1 城市轨道交通的振动源 当列车通过轨道时，如果轨面和车轮踏面绝对平顺，则轮轨之间就不会产生 振动，噪声也就处于极微弱状态。但是轨面和车轮踏面都存在各种类型的不平顺， 列车通过时轨道结构和车体都会产生振动。轮轨表面越不平顺，轮轨的振动强度 也就越大。 当列车以一定速度通过轨道时，车辆和轨道都要在空间各个方向产生振动， 引起轨道交通振动的原因有很多： l 、列车的运行速度。一般情况下，列车运行的速度越大，轨道交通的振动 和噪声就越大。 2 、轮轨不平顺。它是引起轮轨振动的主要原因，轮轨不平顺包括车轮的不 平顺和轨道的不平顺。车轮不平顺如车轮踏面擦伤、车轮踏面不圆顺、车轮偏心 等；轨道不平顺如轨面几何不平顺、轨下基础不平顺、钢轨顶面波浪形磨耗、及 轨面擦伤等。轮轨表面越不平顺，轮轨振动的强度越大，由此引起的噪声也就越 大。 3 、钢轨接头及无缝线路焊缝凸台的影响，列车通过钢轨接头和焊缝凸台时 将引起作用于车轮上的附加动压力。 4 、车辆动力系统振动参数。如机车车辆的簧下质量对轮轨垂向动力作用 的影响很大，具体表现在机车车辆对轨道的中低频作用力将随簧下质量的增加而 迅速增大。 5 、轨道结构组成部件的参数值。轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础所 组成，根据振动理论，轮轨之间的振动与轨道结构各组成部件的质量、刚度以及 阻尼有关，因此通过合理优化轨道结构参数，可以降低轨道结构的振动，从而达 到减振降噪的目的。 6 、轨道交通所处位置的地质情况和周围建筑物的地质情况，对轨道交通的 振动也有一定的影响。 由于车辆和轨道这两个系统的振动是一种耦合关系，这种耦合振动最终要通 过轨道结构传递形成输出。对于高架结构，通过桥梁墩台传递到地面；对于地铁， 6 城市轨道交通减* 降嗓的方# 2 城市轨道变通的矩动噪声口 通过隧道周围的土介质传递到地表。因此轨道结构既作为振源，也是振动传播 途径中个重要环节，直接影响最终的振动教应。从振源、传递因素的角度出发 研究轨道交通的减振性能是较为合理，也是最有效的方法。 2 2 城市轨道交通噪声源 轨道交通噪声源有：轮轨系统噪声、动力系统噪声、结构噪声和空气动力 噪声。其中动力系统噪声包括牵引设备噪声和辅助设各噪声( 如发动机、压缩机 及通风、空调设备引起的噪声) 。结构噪声是由于轮轨表面相互作用产生的振动 通过轨道、桥粱、地基等的传递导致桥粱、地下结构、附近建筑墙壁、楼板等振 动而辐射的噪声。空气动力噪声是指列车运行时列车车体与空气摩擦而产生的噪 声。随着列车行驶速度的变化，主要噪声源也随之变化。 日本通过研究认为如当列车运行速度为2 1 0 k m h 时( 其中一例) ，轮轨之间 噪声为7 8 d b ，集电弓噪声为7 4 d b 桥梁结构振动噪声为7 1d b ，车体空气动力 噪声为7 0 d b ，四种噪声综合为8 0d b 。研究结果表明，对于不同的列车运行状态， 综合噪声的组成也不一样。荷兰学者mgd i t t r i c h 通过研究认为：当列车速度 小于6 0 k m h 时，列车牵引电机及辅助设备噪声占主要成分：当列车速度在6 0 2 0 0 k m h 时轮轨噪声占主要成分，当列车速度大于2 0 0 k m h 时，空气动力噪声 占主要成分，如图2l 所示“1 。我国轨道交通列车的最高运行速度一般为8 0 l 佃h ， 区间运行速度6 0 k m h 。因此，轨道交通的噪声主要为列车运行时的稳定噪声， 也即轮轨噪声。 速度 k m l h 图21 速度与噪声之间的关系 城市轨道交通减振降噪的方法 2 城市轨道交通的振动噪声源 轮轨噪声可分为三种主要类型：滚动噪声( r o l l i n gn o i s e ) 、撞击噪声( i m p a c t n o i s e ) 和啸叫噪声( s q u e a ln o i s e ) 。滚动噪声通常是指没有擦伤的车轮在连续焊 接、状态良好的直线钢轨或大半径曲线上滚动时所产生的噪声，这是由于轮轨接 触表面细微凹凸不平顺引起的。当轮对在轨道上滚动时，这种不平顺导致轮轨结 构产生弹性振动，这种弹性振动向空气中辐射而产生滚动噪声。一般说来，列车 运行速度越大，轮轨系统噪声也越大；轮轨不平顺级越大，滚动噪声越大。如果 轮轨不平顺级表示为一2 0 1 0 9 r g ，其中，为某一给定频率( ；力肛，v 为列车运行速度，a 为不平顺波长) 的轮轨不平顺波深，厂0 为参考值，通常为1 m ，研究表明口1 ，当不平顺波长在l o - 3 0 0 m m ，不平顺波深在0 1 - - 3 0 m 时， 滚动噪声的声压级与轮轨不平顺级之间有线性关系。对于不平顺波深超过3 0l lm 的波磨来讲，不平顺波深增加，轮轨振动增加的速率更大，由此引起的滚动噪声 增加的速率也越大，这时候，滚动噪声与轮轨不平顺之间的关系是非线性的。因 此钢轨波磨引起的噪声更大，危害也更大口】。 撞击噪声是指车轮或钢轨表面存在局部不连续表面，如钢轨接头、车轮扁疤、 辙又等，当车轮通过这些部位时，由于车轮瞬时转动中心的突然改变，致使车轮 对轨道产生一个垂直向下的冲击速度，一旦车轮离开这些部位时，这一冲击速度 即刻消失，其作用效果是使轮轨系统形成突发的冲击与振动，由此而产生的噪声。 车辆通过钢轨接头和道岔时发出的“卡嗒一卡嗒 声是典型的撞击噪声。 啸叫噪声是指当车辆通过小半径曲线及进入道岔时，车轮受钢轨的制约在钢 轨项面产生横向滑动，结果使轮轨间出现粘着和滑行，从而产生强烈的窄带高频 噪声。一般认为，车辆经过曲线时产生的横向蠕滑是导致啸叫噪声的主要原因。 另外，当列车制动时轮轨间出现的粘着和滑行，也会产生啸叫噪声。由于人们对 高频噪声的反应最为敏感，因此它是轮轨噪声治理的主要对象。 2 3 本文主要参考文献 1 】刘加华、练松良城市轨道交通振动与噪声交通工程运输学报v 0 1 2n o 1 2 0 0 2 ， ( 3 ) ：2 9 - 3 3 2 t h o m p s o ndj o nt h er e f a t i o n s h i pb e t w e e nw h e e la n dr a i ls u r f a c er o u g h n e s sa n d r o l l i n gn o i s e j o u r n a lo fs o u n da n dv i b r a t i o n ，1 9 9 6 ，1 9 3 ( 1 ) ：1 4 9 - 1 6 0 8 城市轨道交通减振降噪的方法2 城市轨道交通的振动噪声源 3 t h o m p s o ndj w h e e l - r a i ln o i s eg e n e r a t i o n ，p a r ti ：i n t r o d u c t i o na n di n t e r a c t i o n m o d e l j o u r n a lo fs o u n da n dv i b r a t i o n ，1 9 9 3 ，1 6 1 ( 3 ) ：3 8 7 4 0 0 9 城市轨道交通减振降噪方法的研究 3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 3 1 轨道结构振动模型的选取 为了比较不同轨道结构条件下( 有碴轨道、刚性支承块式轨道和弹性支承块 式轨道等) 轨道结构各部件的动力响应，刚性支承块式轨道结构轨下垫层刚度和 板下垫层刚度对轨道结构各部件的动力响应影响及弹性支承块式轨道结构块下 垫层刚度对轨道结构各部件的动力响应影响，本论文参考翟婉明教授提出的车辆 一轨道垂向耦合动力学模型中的模型i ，并运用相应的计算机仿真v i c t 程序进 行计算。 车辆一轨道垂向耦合动力学模型i 见图3 1 ，车辆采用二系悬挂，钢轨被 视为连续弹性离散点支承上的无限长e u l e r 梁，轨下基础沿纵向被离散。离散以 各轨枕支点为基元，每个支承单元采用双质量( 轨枕和道床) 三层( 钢轨一轨枕 一道床一路基) 弹簧一阻尼振动模型。为了考虑相邻道床块之间的耦合作用，在 模型中引入了道床剪切弹簧和剪切阻尼元件。在振动过程中，道床被看成是一个 整体参加振动。 图3 1 具有二系悬挂的车辆一轨道模型( 有碴轨道结构) 1 0 塑壹塾鲎奎通蕊塑堕燮塑堕壅 ! 塾望箜塑堑垫堡型：盐簦查墨墨生竺叁墼笪垄墼 _ _ - i _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - - - - _ - _ _ - - _ _ l _ - _ _ _ 一 一车体( 包括载客或货物) 质量( k g ) d , 车体点头惯量( k g 一) ； 毛转向架簧 上质量( k g ) d , 转向架点头惯量( k g 玉) ；m 0 转向架簧下质量( k s ) ；m ，钢轨 单位长质量( k m ) ；m - 轨枕质量( k g ) ；盹道床离散块质量( 1 唔) ；k l 车辆一 系悬挂尉度( n 缸) ；c d 车辆一系悬挂阻尼( n s m ) ；k 2 一车辆二系悬挂剐度 ( n m ) ；c 正一车辆二系悬挂阻尼( n s m ) ；j 珏鞔下垫层尉度( m ，m ，；g 轨下 垫层阻尼( n 蜘) ：凤道床离散刚度( n m ) ；q 道床离散阻尼( n s m ) ； k 疗路基离散刚度【n 1 1 1 ) ；c 疗一路基离散阻尼( n s | m ) ；k _ 道床剪切刚度( n m ) ；q 。道床剪切阻尼( n s m ) ；日帮孰抗弯刚度( n 一) ；z ：f ( f ) 一系统部件位 移( m ) ；詹( f ) 系统部件角位移( 糟d ) ；乃( z ，i ，锕轨位移( m ) ；乙( ) 轮轨 不平顺位移( m ) ；a ( 1 ) 轮孰作用力( n ) 。 图3 2 为一个轨枕支点下的道床模型。这里应用了一个荷载向下作锥体分布 的假设，泊松比效应由“内摩擦角一( y n q 扩散角) a 来表征，它表示锥体各面 和铅垂线之间的倾角，这样就可定出荷载向下传播时的分布范围。 蚝。磊2 t g 嘲a ( 1 , - l b ) 毛 i 屯l + 2 h 6 培ai 式中瓦道床弹性模量( n m 2 ) ； 毛荷载面积的宽度，即轨枕底面宽度( m ) 。 相应地，路基刚度等于道床接触面上的的锥体底面积与路基的模量之积： 城市轨道交通减振降噪方法的研究 3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 k ，一e f ( i 。+ 2 h 6 t g a ) ( 1 6 + 2 h b t g a ) 式中层，为路基的k 3 0 模量( p a m ) 。 道床模型的锥体体积为： v b - - h b 1 。1 b + h d g a u 。+ 厶，+ ； ：增2 a 因此，一个轨枕支点下道床的参振质量为 m 6 = p 6 圪 式中p 6 为道床密度( k g m 3 ) 。 3 2 计算方案的选取 本论文选取上海市轨道交通明珠线共和新路高架工程在一般地段采用的刚 性支承块承轨台式轨道结构和高架桥上采用的弹性支承块承轨台式轨道结构的 动力响应进行分析，并与传统有碴轨道结构的动力响应进行分析比较。 城市轨道交通减振降噪方法的研究3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 3 3 计算参数的选取 3 3 1 车辆参数 车辆参数选取典型的地铁车辆( 见表3 1 ) 表3 1 地铁车辆参数表 类 名称符号单位参数值 型 车体质量 m c k g 5 0 1 6 0 转向架质量 m tk g 4 6 1 8 轮对质量 m 。 k g 1 5 1 0 车体惯量 j c k g m 2 1 8 9 7 2 5 0 转向架惯量 j tl ( g m 2 3 9 4 0 车 一系悬挂刚度 k l n m2 9 e 6 辆 二系悬挂刚度 k a n m 0 4 8 e 6 参 一系悬挂阻尼 g l n s m 0 数 二系悬挂阻尼q n s m1 e 5 车辆定距之半km7 8 5 固定轴距之半lm 1 2 5 车轮半径ri n0 4 2 车速v k m h8 0 车轮踏面型式k w f s1 ( 标准踏面) 1 3 城市轨道交通减振降噪方法的研究3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 3 3 2 有碴轨道结构参数 有碴轨道结构的参数见表3 2 表3 2 有碴轨道结构参数表 类 名称符号单位参数值 型 钢轨弹性模量en m 22 0 5 9 e 1 1 钢轨截面惯量 i r m 4 3 2 1 7 e - 5 钢轨单位长质量 m r k g m 6 0 6 4 半根轨枕质量 m 5 k g 1 2 9 3 3 道床密度 p bl g 1 1 1 3 1 - 9 e 3 轨下垫层刚度 k n m 7 e 7 轨下垫层阻尼 q n s m1 2 4 e 5 道床阻尼q n s m 1 7 5 e 5 路基阻尼 c f n s m 3 1 1 5 e 4 轨 道 道床剪切刚度k n m 7 8 4 e 7 参 道床剪切阻尼c 。 n s m8 e 4 数 轨枕间距 l l m0 5 9 5 有效支承长度( 半枕)l c mo 9 5 轨枕底面宽度 l bm o 2 6 2 道床厚度 h b m0 3 0 道床扩散角 q 度3 5 道床弹性模量e b n m 21 2 e 7 路基弹性模量e f n m 2 3 5 e 7 x o m1 0 钢轨模态阶数n m9 0 1 4 城市轨道交通减振降噪方法的研究3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 3 3 3 刚性支承块轨道结构参数 由于城市轨道交通的运行特点不同于大铁路，如行车密度大、行车间隔短、 昼间无法进行维修养护作业以及城市环保要求等，因此城市轨道交通大多采用无 碴轨道结构。如上海市轨道交通明珠线在共和新路高架工程在一般地段采用的刚 性支承块承轨台式轨道结构和高架桥上采用的弹性支承块承轨台式轨道结构。弹 性支承块式无碴轨道结构由钢轨、扣件、弹性支承块( 包括块下弹性大垫板和橡 胶套靴) 、钢筋混凝土承轨台组成。弹性支承块轨道结构与一般的支承块轨道结 构的区别是在钢筋混凝土支承块下多了一层大橡胶垫板，并以橡胶套靴包裹之， 使这种无碴轨道在承载、动力传递和振动能量各方面接近坚实均匀基础上的碎石 道床轨道，从而达到减振降噪的目的。本文采用同一种车辆类型，并以相同的谐 波型激励，运用车辆一轨道垂向耦合动力学中的模型1 分别计算三种不同的轨道 结构( 有碴轨道结构、一般的支承块承轨台式轨道结构和弹性支承块轨道结构) 各组成部分的动力响应。 共和新路高架工程中一般的支承块轨道结构和弹性支承块轨道结构在高架 桥上均配套使用w 卜2 型扣件，见图3 3 z 1 。其中w 卜2 型扣件有一橡胶垫板， 其静刚度为4 0 - 6 0 k n m m ，取5 0 k n m m ，铁垫板下面有一块绝缘缓冲垫板，其 静刚度1 0 0 0 k n m m 。 图3 3w j 2 型扣件 对于支承块式轨道结构，如果把铁垫板看作有碴轨道中的轨枕，把支承块看 作道床，那么离散以各铁垫板支点为基元，每个支承单元仍然可以采用双质量( 铁 垫板和支承块) 三层( 钢轨一铁垫板一支承块一承轨台) 弹簧一阻尼振动模型。 由于车辆一轨道垂向耦合动力计算模型中道床的刚度磁是通过式( 3 1 ) 计算 得到，道床的参振质量是通过式( 3 4 ) 和( 3 _ 3 ) 得到的，因此对于刚性支承 1 5 城市轨道交通减振降噪方法的研究 3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 块式轨道结构和弹性支承块轨道结构需要根据k b = k 板下蛭= i e 9 n m 和式( 3 1 ) ， 反算得到：e b = 1 0 7 5 e 9 n m 2 ， 根据m b = 7 5 k g 和式( 3 1 ) 、式( 3 4 ) ， 反算得到：pb = 1 7 e 3 k g m ， 对于弹性支承块轨道结构，还需要根据k f k 块下垫层- 3 e 7 n m ， 通过式( 3 2 ) 反算得到e f = 6 8 7 e 7 n m 2 。 由于相邻支承块之间的耦合作用非常小，因此在模型中道床的剪切刚度和剪 切阻尼可近似为零。在振动过程中，道床被支承块取代之后的整体性更加好。刚 性支承块轨道结构的参数见表3 5 。 1 6 城市轨道交通减振降噪方法的研究 3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 表3 5 刚性支承块轨道结构参数表 类 名称符号单位参数值 型 钢轨弹性模量e n m 22 0 5 9 e 1 1 钢轨截面惯量 i | m 43 2 1 7 b _ 5 钢轨单位长质量 m r k g m 6 0 6 4 一块铁垫板质量 m k g 1 2 支承块密度 p bl ( g m 3 1 7 e 3 轨下垫层刚度 l ( p n m5 e 7 轨下垫层阻尼 q n s m1 e 5 板下垫层阻尼c b n s ml e 5 承轨台阻尼 c f n s m0 轨 道 支承块剪切刚度k n m0 参 支承块剪切阻尼c 。 n s mo 数 铁垫板间距 l m 0 5 9 5 有效支承长度( 铁垫板长)l c m 0 3 7 铁垫板宽度 l bm 0 1 9 5 支承块厚度 l l b m 0 1 9 2 道床扩散角 q 度4 5 支承块弹性模量e b n m 21 o 7 5 e 9 承轨台弹性模量e f n m 23 3 e 1 0 x o m1 0 钢轨模态阶数 n m9 0 1 7 城市轨道交通减振降噪方法的研究3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 3 3 4 弹性支承块式轨道结构的参数 弹性支承块式轨道结构的参数选取见表3 6 。 表3 6 弹性支承块轨道结构参数表 类 名称符号单位参数值 型 钢轨弹性模量 en m 2 2 0 5 9 e 1 1 钢轨截面惯量 i r m 43 2 1 7 e - 5 钢轨单位长质量 m rk g m 6 0 6 4 一块铁垫板质量m 5 k g 1 2 支承块密度 pb k g m 3 1 7 e 3 轨下垫层刚度 砩 n m5 e 7 轨下垫层阻尼 q n s m1 e 5 板下垫层阻尼c - b n s m1 e 5 承轨台阻尼 c f n s m1 e 5 轨 道 支承块剪切刚度k 。 n m 0 参支承块剪切阻尼 c 。 n s m0 数 铁垫板间距 l i m0 5 9 5 有效支承长度( 铁垫板长)l c m0 - 3 7 铁垫板宽度 l b m0 1 9 5 支承块厚度 h b m0 1 9 2 道床扩散角 a 度4 5 支承块弹性模量 e b n m 2 1 0 7 5 e 9 承轨台弹性模量 e f n m 26 8 7 e 7 x o m 1 0 钢轨模态阶数n m 9 0 3 3 5 激励参数 本文采用同一种车辆类型，并以相同的激励型式，运用车辆一轨道垂向耦合 动力学中的模型1 分别计算三种不同的轨道结构( 有碴轨道结构、一般的支承块 承轨台式轨道结构和弹性支承块轨道结构) 各组成部分的动力响应。 轮轨系统的激励型式可分为确定性激励和非确定性激励两大类。其中非确定 1 8 城市轨道交通减振降噪方法的研究3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 性激励主要是指轨道几何随机不平顺，而确定性激励又可分为脉冲型、谐波型和 动力型三类。脉冲型激励是指当车轮通过低接头、错牙接头、接头轨缝及轨面剥 离时，由于车轮瞬时转动中心的突然改变，致使车轮对轨道产生一个垂直向下的 冲击速度，而当车轮驶离这些部位之后，这一冲击速度即刻消失，其作用效果是 使轮轨系统形成突发的冲击和振动。谐波型激励的情况，如因焊接接头轨端淬火 工艺不良，在车轮反复作用下造成的轨头局部压陷；钢轨的波浪形磨耗；当车轮 质心与几何中心偏离时给轮轨系统造成的周期性激扰；轨道几何不平顺等。动力 型激励指由于轨下基础缺陷所引起的轨道沿纵向的弹性不均匀现象，包括轨枕失 效或扣件松脱、道床暗坑或空吊板、道床板结或松敖、以及轨道过渡段( 路桥、 路涵、路隧、道岔) 支承刚度变化等。 由于城市轨道交通多采用无缝线路，因此钢轨接头较少，由钢轨接头引起的 脉冲型激励也就要比传统的铁路小得多。又由于城市轨道结构大多采用整体道 床，因此，除了轨道过渡段外，其余部分的基础刚度比较均匀。因此，城市轨道 交通轮轨系统激励多以谐波型激励为主。对于单一的谐波激扰( 见图3 4 ) ，可以 简单地用余弦函数来描述其轨面外形： z 。( t ) - - 三1 口( 1 一c o s 耐) ( 。fs 軎) ( 3 5 ) 式中 。2 z r v l 其中：l 为不平顺波长； a 为不平顺波深。 图3 4 单一谐波激扰 一些典型谐波不平顺的波长l 和波深a 的范围如下：1 1 】对于轨头压陷， l = 2 0 0 - - 5 0 0 m m ，a - - - o 5 1 o m m ；对于车轮不圆顺，l = 4 0 0 一- 8 0 0 m m ，a = o 5 2 0 m m 。本文的激励模型参数采用典型的不平顺轨面，波长l = 2 0 0 m m ，波深 a = 1 o m m 。 1 9 城市轨道交通减振降噪方法的研究 3 轨道结构振动模型、计算方案及计算参数的选取 3 4 有碴轨道结构的动力响应 1 5