（机械设计及理论专业论文）列车振动荷载作用下地铁浮置板轨道动力学特性分析.pdf

摘要 摘要 浮置板轨道是一种新型的减振轨道。针对目前地铁列车通过时引起地面的 振动，给人们工作和生活带来了许多不利影响，浮置板轨道在轨道交通中开始 广泛应用。本文重点研究了浮置板轨道在列车振动荷载作用下的动力学响应特 性，具体分析了浮置板轨道的隔振效果，以及弹簧隔振器参数对浮置板及周围 环境的振动影响。 首先，利用f o u r i e r 逆变换法对轨道不平顺功率谱密度进行了时域数值模拟， 并与常用的三角级数法模拟结果进行比较。模拟出一种能反映不平顺功率谱、 列车行驶速度，以及车辆的簧上、簧f 质量，悬架刚度，阻尼等参数变化的列 车振动荷载。 其次，采用三维浮置板轨道有限元模型，分析了列车载荷作用下，浮置板 轨道结构的力学特性。比较了钢轨铺设在轨枕上与直接固定在浮霞板上的竖向 位移与应力分布，阐述了直接铺设钢轨的合理性。通过模态分析，结合实际施 工特点，分析了浮置板不同长度对施工及结构固有频率的影响，并对系统阻尼 加以分析 通过瞬态动力分析，计算了地铁列车通过时，浮置板的振动情况及 弹簧隔振器刚度、阻尼和扣件刚度对振动的影响。 最后，采用二维隧道结构模型，研究了浮置板轨道的隔振效果及影响因素。 验证了随距离变化，地表振动的衰减规律；分析了不同边界范围对计算结果的 影响；计算了隧道埋深，隔振器刚度、阻尼以及列车行驶速度对浮置板的传递 损失和隔振效率的影响。通过数值计算，得出了浮置板具有较高的隔振效率， 同时提出了弹簧隔振器参数的选择范围。对今后浮景板轨道的设计与施工提供 了理论参考。 关键词：浮置板轨道，弹簧隔振器，列车振动荷载，动力有限元，传递损失 a b s t r a c t a b s t r a c t f l o a t i n g t r a c kb e di san e wk i n do fa n t i v i b r a t i o nt r a c k s y s t e m g r o u n d v i b r a t i o nd u et ot h er u n n i n go fs u b w a yt r a i n sc a nc a u s et r e m e n d o u sd i s c o m f o r tt o p e o p l e sw o r k i n g a n d l i v i n gc o n d i t i o nn e a r b y t h u s t h ef l o a t i n gt r a c kb e ds y s t e mh a s b e e nw i d e l ya d o p t e di nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m st or e d u c et h ev i b r a t i o n i n t h i sp a p e r , t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h ef l o a t i n gt r a c kb e d su n d e rv i b r a t i o nl o a d i n g o f s u b w a y t r a i n sa r ei n v e s t i g a t e da n dp r e s e n t e d t h ee f f e c t so ff l o a t i n gt r a c kb e d so n v i b r a t i o ni s o l a t i o na r es t u d i e di nd e t a i l i t a l s o p r e s e n t s t h ea n a l y z a t i o no ft h e i s o l a t o r s p a r a m e t e r s i n f l u e n c e so nv i b r a t i o no ft h ef l o a t i n gt r a c kb e da n di t s s u r r o u n d i n g s a tf i r s t ，t h ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) o ft r a c ki r r e g u l a r i t i e si ss i m u l a t e di n t h et i m ed o m a i nu s i n gt h ei n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ( i f f t ) a n dt h e n u m e r i c a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo b t a i n e db yu s i n gt r i g o n o m e t r i cs e r i e s b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，at r a i nv i b r a t i o nl o a d i n gi sd e r i v e dw h i c hi n c l u d e s t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sp a r a m e t e r ss u c ha sp s do ft r a c ki r r e g u l a r i t i e s ，t r a i n v e l o c i t y , s p r i n gm a s s ，w h e e lm a s s s u s p e n s i o ns t i f l h e s s ，d a m p i n go f a v e h i c l e ，a n ds o 0 n s e c o n d l nt h r e e - d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t ( f e ) m o d e l sa r ei n t r o d u c e d f o r f l o a t i n gt r a c kb e d st os t u d yt h es t r u c t u r a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c su n d e r t h e t r a i nv i b r a t i o nl o a d i n g v e r t i c a ld i s p l a c e m e n t sa n ds t r e s s e so far a i lp l a c e do na f l o a t i n gt r a c kb e d a r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo ns l e e p e r st os h o w t h ea d v a n t a g e so f t h e f o r m e rd e s i g n b a s e do nt h ea t t r i b u t e so fd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o na p p r o a c h e s ，m o d e l a n a l y s i si sp e r f o r m e d t oo b t a i nt h ei n f l u e n c eo ft h es l a bl e n g t ho nc o n s t r u c t i o na n d n a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h es t r u c t u r e b yu s i n gt r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s ，v i b r a t i o n o f f l o a t i n gt r a c kb e d sa n d t h ee f f e c t so ft h es t i f f n e s sa n dd a m p i n go fs p r i n gi s o l a t o r s a n dt h es t i f f n e s so ff a s t e n e r so nv i b r a t i o na r ec a l c u l a t e df o rt h ec a s eo fas u b w a y t r a i np a s s i n gb y i na d d i t i o n ，t h ev i b r a t i o ni s o l a t i o ne f f i c i e n c yo faf l o a t i n gt r a c kb e da n di t s a b s t t a c t e f f e c tf a c t o r sa r er e s e a r c h e db ya n a l y z i n gat w o - d i m e n s i o n a lf em o d e lo fat u n n e l t h ev a r i a t i o no ft h ed e c a yo ft h eg r o u n dv i b r a t i o nw i t ht h ed i s t a n c et ot h ec e n t e ro f t h et u n n e li ss t u d i e da n dt h ee f f e c to ft h eb o u n d a r y r a n g eo nt h eg r o u n dv i b r a t i o ni s a n a l y z e d ，m o r e o v e r ，t h ee f f e c t so fv a r i o u sf a c t o r ss u c ha st h eb u r i e dd e p t ho ft h e t u n n e l i s o l a t o rs t i f f n e s s ，d a n l p i n g ，a n dv e h i c l ev e l o c i t yo i lt h et r a n s m i s s i o nl o s sm a d v i b r a t i o ni s o l m i o nl e v e la r ec a l c u l a t e da n dd i s c u s s e d b a s e do nt h en u m e r i c a lr e s u l t s ac o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tf l o a t i n gt r a c kb e d sh a v eah i g hv i b r a t i o ni s o l a t i o nl e v e l a p p r o p r i a t er a n g e sf o rt h ep a r a m e t e r so fs p r i n gi s o l a t o r sa r ea l s os u g g e s t e di nt h i s p a p e r , w h i c h c a nb eu s e da sg u i d e l i n ei np r a c t i c a ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：f l o a t i n gt r a c kb e d ，s p r i n gi s o l a t o r , t r a i nv i b r a t i o nl o a d i n g ，d y n a m i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t r a n s m i s s i o n l o s s 独创性声明 本人声明所呈交的沦文足我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除厂文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书两使用过的材料。 与我一同 ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作r 明 确的说明并表示了谢意。 签名：盈缉臼期：逊：竖 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文臼( j 规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弛导师签名：缒日期：垒堕型 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 8 6 3 年英国伦敦建成世界上第条地下铁道( 简称地铁) ，标志着城市地下轨 道交通方式的诞生。自此以后不断有新的城市建设地铁，尤其是在第二次世界 大战结束以后，建设地铁的城市如雨后春笋纷纷出现。2 0 世纪6 0 年代以后，这 种发展趋势方兴未艾。一些亚洲、南美洲、非洲的发展中国家大城市也陆续加 入了建设地铁轨道交通的行列。到目前为止，世界上大约有1 1 7 个大城市己经拥 有地铁轨道交通，线路总延长逾40 0 0k m 。 地铁作为一种城市交通方式，其优势是显而易见的。首先，地铁轨道交通 是一种大运量、安全、快捷、准时、方便、舒适的理想交通工具，它在解决城 市交通问题中有着特殊的地位和作用。其次，由于地铁轨道交通无空气污染， 有利于保护人们的生存环境，改善空气质量，这符合了大城市可持续发展的原 则。第三，地铁轨道交通与城市经济和社会发展之间存在良性互动的密切关系， 这一点是其它交通方式无法比拟的。 但是，随着地铁建设的大力发展，一些负面影响也相继产生。其中，由地 铁运行诱发的振动对环境的影响问题尤为显著。地铁隧道一般埋深都相对较浅， 地铁列车运行时产生的振动将通过轨道传递给隧道支护结构，并通过隧道支护 结构以外的岩土介质传播到地面，引起地面建筑物的振动。这种振动会造成很 多不利影响，例如i l 】： ( 1 ) 使机车和客车的运行平稳性降低，达不到规定的舒适度要求； ( 2 1 过大的振动加速度会造成轨道部件，尤其是钢轨和道床的提前损伤，甚 至破坏： f 3 1 钢轨的高频振动产生大量的噪声； 4 ( 4 ) 过大的振动会影响邻近地铁隧道，及直接建在地铁隧道上面的建筑物的 使用性和建筑物寿命。 此外，运营列车通过时产生的振动和噪声，容易引起人疲劳和精力不集中， 给工作和生活带来不利影响。减小轨道交通的振动和降低噪声，是提高沿线居 第一章绪论 民的生活质量，使轨道交通可持续发展的关键问题之一。 当地铁列车以一定的速度通过轨道时，车辆和轨道将产生振动，引起振动 的原因可归结为： ( 1 ) 机车本身的动力作用； ( 2 ) 轮轨的冲击作用； ( 3 ) 轨道几何形位的动不平顺和静不平顺： ( 4 ) 钢轨顶面不均匀磨耗以及车轮踏面的不均匀磨耗； ( 5 、钢轨接缝。 轨道结构既作为振源，也是振动传播途径中一个重要环节，直接影响最终 的振动效应。从振源、传递因素的角度出发，研究轨道交通的减振性能是降低 振动噪声，提高轨道交通运行品质最为合理，也是最有效的方法。 正确设计轨道结构，有必要深入硬究列车对轨道结构的动力响应。只有根 据其静力和动力特性选择合理的参数，才能减小轮轨相互作用；提高乘坐舒适 性：降低列车通过时对周围建筑所产生韵振动和噪声；延缓轨道变形及各元件 的损伤；延长轨道寿命，保证行车安全。 浮置板轨道结构是一种新型的减振轨道，对其结构的研究目前主要拘泥于 施上前浮置板的强度校核以及运营后实际的振动衰减测量，缺乏系统的理论研 究和定量的评价方法，因此不能在建设前有效的指导设计和施工，这对于浮置 板轨道建设的发展无疑是一个大的障碍。目前轨道力学的研究大部分分析模型 主要是针对钢轨进行分析，常常将道床简化为质量块，甚至不考虑道床，或直 接将其与地基连为一体考虑，且主要针对有碴轨道。对板式轨道的研究在国内 外大部分囿于静力学，对动态特性的研究比较少，而且模型大部分对机车车辆 较为详细，而对轨道部分过于简单，对轨道和路基常简化成质量块，这与实际 情况有较大出入，同时也不能反映道床的受力与振动情况。本文对轨道的研究 重点放在对浮置板道床的研究，建立了浮置板轨道的有限元模型，分析其在列 车振动荷载作用下的力学特性及隔振效果，以及隔振器参数对隔振效果的影响， 以期对浮置板轨道系统的设计和施工提供理论指导。 1 2 轨道结构理论研究发展现状 第一章绪论 1 ，2 1 轨道静力学研究发展现状 轨道静力学的研究分析模型主要有两种：一种是以w i n k l e r 假设为基础，将 钢轨视为连续弹性基础上无限长粱模型；另一种为小野一郎提出的将钢轨视为 弹性点支撑上无限长梁的模型。 两种模型都假定轨道支撑为线弹性，连续弹性基础梁模型理论计算比较简 单，弹性点支撑无限长梁模型理论计算求解十分复杂，但后者更接近于轨道结 构的实际情况。基于这两种模型，研究主要集中在计算方法的简化和轨道支撑 状态的模拟两个方面。 2 0 世纪6 0 年代，爱林顿提出应用差分法求解弹性点支撑无限长梁问题。7 0 年代，谢天辅1 2 j 系统地研究了弹性点支撑无限长梁的静力计算问题，并在1 9 7 9 年编制了铁路轨道强度计算方法和数表。 根据大量实测资料分析【3 4 】，轨下垫层、道床及路基的支撑力与弹性变形关 系实际上是非线性的。刘尚文【5 i ( 1 9 8 1 卿究了非线性弹性点支撑连续梁的静力计 算；邢书珍【6 】( 1 9 8 5 ) 针对新型轨下垫板与扣件装配体系的特点，提出了双向非线 性弹性点支撑连续粱静力计算模型；t o r b y l 7 f 采用有限元方法，对钢轨、轨槐、 道床和路基整体作了非线性分析。 12 2 轨道动力学研究发展现状 2 0 世纪4 0 年代，铁木辛柯1 8 l 和沙溯年慈网已经开始探讨单自由度集总参数 轨道模型分析正弦及余弦荷载作用下的轨道位移响应问题。六、七十年代，佐 藤裕和佐藤吉彦】对轮轨动力分析傲了大量有价值的工作。他们曾经采用集 总参数模型和连续弹性基础梁模型研究了轨道的动力效应。其中比较有代表的 是所谓s a c o f l2 j “半车孰道模型。为模拟新干线板式轨道，日本学者还提出 了双层连续弹性基础上无限长梁模型1 3 j 。美国a h l b e c l l 4 1 也曾提出与s a t o 模型相 仿的“半车一轨道”集总参数模型，所不同的是轨道部分增加了一个基础参振 质量，并且考虑了钢轨接头因轮轨冲击变形而引起的刚度削弱影响。邢书珍 s 1 ( 1 9 8 0 ) 提出了求解钢轨与轨枕质量分开的连续弹性基础上无限长梁模型振动 的方法，并计算在理想平直轨道上垂向动力效应和l 临界运行速度。在这些模型 中，车辆均以移动载荷表示。 第一章绪论 周宏业”6 j 和叶翔( 1 9 6 3 ) 采用单自由度集总参数轮轨碰撞模型计算轮轨冲击 力；时庆佟i j “( 1 9 7 8 ) 和徐实儒8 ”1 ( 1 9 8 5 ) 都采用了这一模型并各自做了相应的改 进；吴章江p 叫( 1 9 8 2 ) 提出了包含摩擦阻尼力的轮轨集总参数三自由度模型来计算 轮轨冲击力。这些集总参数模型的计算方法都以轨道不平顺作为激励源，具有 模型简单、计算方便的优点，但计算参数不易确定，计算功能较少，其讨、算结 果与实际有一定的差距。 2 0 世纪7 0 年代，为防止和整治钢轨接头区病害，英国d e r b y 铁路研究中心 对轮轨相互作用力进行了大量的理论与试验研究，以轨道不平顺作为激励源并 将机车车辆和轨道的相互关系引入模型中。l y o n 圳和j e n k i n s 2 2 1 等( 1 9 7 2 ) 建立了 低接头轨道动力分析模型，并由此定义了轮轨冲击振动中所客观存在的两神特 殊类型的作用力一高频冲击力p ，和低频响应力b ，并推荐了简化计算公式。这 一基本模型是将轨道描述成连续弹性基础支撑的欧拉( e u l e r ) 梁，将车辆简化为簧 下质量，并考虑一系悬挂特性，轮轨接触采用h e r t z 非线性弹簧模型。19 7 9 年 n e w t o n 【2 3 1 对该模型作了局部改进，以t i m o s h e n k o 粱代替e u l e r 梁描述钢轨，从 而可以考虑梁的剪切变形和截面旋转惯性对轮轨垂向力的影响。在此基础上， 英国d e r b y 中心【2 4 i 的研究入员进一步采用了弹性点支承连续梁模拟轨道，并考 虑了轨枕的振动影响。 2 0 世纪8 0 年代后，轮轨动力学理论研究进一步深入。李定清瞄w ( 1 9 8 4 ) 采用 阻尼和弹簧系统来等效轨下基础，考虑接头区几何不平顺，采用有限元和直接 积分的方法，应用弹性点支撑理论模型，分析作用力和部件的动力响应。陈道 兴i 2 6 】( 1 9 8 4 ) 在其基础上又建立了包括车辆悬架、轮轨接触、轨道支撑弹性非线性 影响的轮轨动力分析模型。张丁盛又从研究垫板隔振的角度出发，考虑轨下垫 板和道床的影响，建立了轮轨系统的有限元模型，分析了垫板的减振效果。 c l a r k 2 7 1 f 1 9 8 2 ) 等为研究车辆在波浪型磨耗钢轨上行驶的动态效应，采用了弹性 点支撑连续梁模拟轨道，并单独考虑轨枕的振动影响，使模拟更趋于实际。 2 0 世纪9 0 年代，翟婉明m 啦! 从车辆轨道耦合动力学角度出发，以轨道不平 顺为激励源，应用大系统的思想，综合考虑机车车辆、轨道线路及轮轨界面三 个方面的影响，研究轨道结构的动力响应。其研究突破了传统子系统简化的局 限性，将轨道结构动力学的研究提高到一个新的层次。 目前对于轨道结构理论的研究基本上都是以翟婉明的研究成果为基础，对 模型进行缅化，修正以及确定参数选择范围，同时拓展其研究成果的应用范围。 第一章绪论 雷晓燕 3 3 - 3 6 等利用有限元法建立了包含钢轨、轨枕、弹性垫层、道床和路 基为一体的轨道空间结构分析模型。机车和车辆对轨道的作用通过轮对模型求 得。在轮对模型中，车体总质量平均分配到每个轮对上，轨道结构采用广义梁 单元划分。 谢伟平口7 | 等推导了移动载荷作用下，基于e u l e r 梁和t i m o s h e n k o 梁的轨道 系统动力响应的积分表达式，利用g r e e n 函数计算了车轮、轨道、枕木的相互作 用引起的振动，提出了基于其相互关系的离散化算法。李成辉 3 8 1 计算了轮轨接 触力功率谱和轨下基础动力及加速度功率谱，并对轨道一车辆系统的竖向振动 模态进行了分析。梁波，蔡英日9 】采用有限元的方法，将轨道视为子结构分析了 车一路耦合系统的动力特性。加拿大c a i t 4 0 i 和瑞典n i e t s e n 4 1 1 等为研究车辆与轨 道相互动力作用问题，采用了“转向架一轨道”分布参数模型，轨道为二层离 散支撑连续粱，并分布用此模型分析了车轮擦伤引起的轮孰冲击作用问题。 1 ，3 轨道结构的计算模型 随着人们对轨道系统的研究不断深入，轨道结构的计算模型演变也越来越 复杂，模型中考虑的因素也越来越多。但总的来说，常用的轨道结构模型基本 上可以分为三类：集总参数模型、连续弹性支撑梁轨道模型、弹性点支撑梁轨 道模型。下面分别进行介绍。 1 3 1 集总参数模型 等效集总参数模型是依据一定等效性原则，把一个具有复杂分散参数体系 的轨道结构，变换成为一个具有少数自由度的质量一弹簧一阻尼集总参数的简 化模型，简单的集总参数模型如图1 一l 所示。常用的等效变换原则有两种。一种 是由轨道结构的实测自振频翠推算等效质量和等效弹簧刚度，由轨道结构的实 测幅频响应的对数衰减推算等效阻尼系数；另一一种变换原则是在确定等效质量 时，要求弹性基础粱分布质量的动能与集总质量的动能相等，而在确定等效弹 簧刚度时，要求载荷作用点下弹性基础梁的静挠度与集总参数模型的静挠度相 等。比较有代表性的是日本的s a t o “半车一轨道模型，如图1 2 所示。 思然，集总参数模型结构简单。计算参数少，计算方便，且一般采取解析 法求解，普遍应用于定性分析结构的基本特性。然而，由于其结构简单，集总 第一章绪论 参数简化所导致的数值误差与分布参数模型相比难免较大4 2 1 。所以集总参数模 型在轮轨动力分析中，只适合轨道参数均匀分布的情况下。 慧胃麓考亏 謦i 兰- - 1泛羹荃 钢轨 轮轴撂能l 上上上 轨道支撑 幸中支撑弹簧毋 ) 1 32 连续弹性支撵梁轨道模型 连续弹性支撑梁轨道模型是把钢轨视为一根支撑在连续弹性基础上的无限 长梁，轨下基础则被视为一层或多层连续弹簧或连续弹簧一阻尼结构，如图1 3 所示。连续弹性支撑梁轨道模型是研究轨道动力特性中使用较早的一种模型。 相比于弹性点支撑梁模型，这种模型也具有结构简单，计算参数较少，计算简 单、方便的优点，所以也曾经广泛的应用于轨道结构分析 2 8 o 但在实际轨道结 构中，轨枕是离散的分布于钢轨下面，并由扣件将钢轨与轨枕联系在起，特 别是接头区，轨枕的支撑是非等问距的。也就是说，真实的轨下结构并非像连 续弹性支撑梁模型所描述的均匀轨下支撑结构。 m 。e i 图卜3 连续弹性支撑粱轨道模型 1 3 3 弹性点支撑梁轨道模型 6 第一章绪论 弹性点支撑梁轨道模型是把钢轨视为一根支撑在有限个弹性点上的连续粱。 适合于有轨枕的轨道结构。图1 - 4 , 为双层弹性点支撑梁轨道模型。它能够反映轨 道不同位置处离散支撑的刚度差异引起的对机车车辆一轨道系统振动的影响。 同时，这种模型可以有效地用于分析轨下支撑失效问题。弹性点支撑模型结构 复杂，一般采用数值计算方法。 图卜4 双层点支撵梁轨道模型 连续弹性支撑梁轨道模型和弹性点支撑梁轨道模型又可以分为单层、双层 和三层模型。单层梁模型将轨下结构如扣件、轨枕、道碴、道床合成为一种弹 簧元件或弹簧一阻尼元件，这就无法考虑它们各自的力学特性。而且弹簧或弹 簧一阻尼元件的参数难以确定。为克服这种模型的不足，研究工作者将轨枕从 钢轨中分离出来，作为独立的一层加以考虑，同时可以考虑到扣件在整个轨道 中所起的作用。三层梁模型除了考虑轨枕的振动性能之外，还考虑了部分道床 参振质量对轨道系统振动的影响。三层梁模型能够较好的反映轨道结构的真实 情况，但计算比较复杂，尤其是考虑扣件和各种垫层的非线性时。实际工作中， 要根据分析问题的目的和精度要求，选择合适的模型。 1 4 城市轨道交通中的典型减振轨道结构 14 1减振轨道结构的设计原则 在城市轨道交通中，轨道结构应根据环境要求来设计，既要经济合理，又 要注意保护环境。在研制轻轨和地铁减振降噪型轨道结构时，应遵循下列原则 a 3 - 4 s ： ( 1 ) 轨道结构应有足够的承载力强度储备和使用耐久性； ( 2 1 结构简单，便于快速施工，并要考虑到局部损坏修复的可能性： 7 第一章绪论 ( 3 ) 轨道结构振动系统的质量、刚度和阻尼要合理匹配，使之具有最大的减 振降噪效果； ( 4 ) 为了适应各种因素引起的轨面标高改变，配套的扣件应有足够的调整量 和可行的调整方法； ( 5 ) 减振型无碴轨道的造价不易过高，宜控制在刚性无碴轨道的1 5 倍左右， 才有推广应用的价值； ( 6 ) 减振材料要经济、耐久，并易于更换。 根据日本铁路的研究经验，轨道结构( 包括基础) 所产生的振动量占全部振动 的3 5 左右，因此应主要考虑如何降低由结构体产生的振动和噪声。对此，采 用以下儿种对策比较有效： ( 1 ) 提高钢轨顶面的平顺度： ( 2 ) 采用高弹性扣件： ( 3 ) 轨道面消音； f 4 1 增加弹性垫层； ( 5 ) 采用特殊隔振元件。 1 4 2 典型减振轨道结构 轨道结构按其轨下基础型式的不同可分为两大类：有碴轨道与无碴轨道结 构。 有碴轨道的突出特点是养护维修量大。有碴轨道道床由松散的碎石组成， 在列车荷载作用下，道碴的磨损、坍塌、局部陷入路基以及钢轨和轨枕的变形， 都会引起轨道的残余变形，产生轨道不平顺。而道碴的变形是引起轨道不平顺 的主要原因，占轨道变形的8 0 队上。整治道床占养护维修工作量的8 0 以上， 从长远来看，其维修费用较高。此外，有碴轨道道床的清筛粉尘也给城市环境 造成污染。但有碴轨道具有造价相对低、施工速度快、维修方便，产生噪声小 及弹性好等优点，目前一些国家仍然采用。如1 9 8 5 年建成通车的菲律宾马尼拉 轻轨铁路，全长1 4 5k m ，为高架线路，采用双块式预应力混凝土枕，潘得罗尔 扣件，硬质碎石道床。无碴轨道相比于有碴轨道，具有稳定性、平顺性、刚度 均匀性好，维修工作量少、简洁易清洗等显著优点。随着人们对环境要求的不 断提高，无碴轨道逐渐被得到公认。目前它已成为城市轨道交通的主要轨道结 构型式，其主要缺点是产生的冲击噪声大，初期投资大。 一r 一 第一章绪论 142 1 板式无碴轨道( b a l l a s t l e s ss l a bt r a c k ) 板式无碴轨道是由预制轨道板、 乳化沥青水泥砂浆垫层以及混凝土 基础底座( 含凸型挡台) 和钢轨、扣件 组成( 图1 5 ) 1 4 6 , 4 7 。是一种新型轨道 结构，具有轨道整体性好( 强度与稳 定性) ，养护维修工作量少，轨道高 度低、自重轻等特点。在国外高速 铁路建设中，无碴轨道己成为轨道 圈卜5 板式无碴轨道结构 结构的技术标准之一，其中日本的板式无碴轨道比重占其高速铁路总里程的6 0 以卜。目前在我国秦沈客运专线建设中也开始进行板式无碴轨道工程试验研究。 乳化沥青水泥砂浆( 简称c a 砂浆) 是板式无碴轨道结构弹性调整层的关键组 成部分。主要由乳化沥青、水泥、砂、水和其它辅助材料组成。c a 砂浆是利用 水泥吸水水化加速乳化沥青破乳，由水泥水化物和沥青交织裹覆砂形成一种立 体网络，它是轨道结构弹性调整层的主要组成部分。c a 砂浆在施工时具有很好 的流动性，可以充满轨道板与基底的空隙：同时硬结后具有足够的强度、耐久 性和稳定性以及相应的弹性；另外在运营若干年后，可再次使用该材料注入来 调整修复轨道状态，价格低廉，适合于有一般减振要求的场合。 142 2 嵌入式钢轨结构( e m b e d d e dr a i ls t r u c t u r e ) 嵌入式轨道是把钢轨用弹性体置入混凝土( 或钢) 轨道槽内，埋入深度至轨头 下部，通过弹性体的弹性变形来获得减振降噪性能。其结构特点是将轮轨振动 能量转化为热能并予以吸收，从而降低轮轨噪声，如图1 - 6 所示1 4 。 凹槽( 处1 一般为钢筋混凝土或者钢材料，取决于轨道的结构。弹性填充材 料一般由橡胶和填充的软木组成( 处) 。橡胶与钢轨有较好的粘结性，大约2h 左右即可相互吸附，1 0 一2 0h 强度达到最高。为节省弹性填充材料，可考虑在钢 轨两侧添加p v c 管或混凝土块( 处) 。为获得较高的垂向刚度，可在底部填充 橡胶或软木条( 处) 。嵌入式钢轨结构主要缺点是造价高，使用寿命受橡胶填充 物质寿命的限制。 为了降低列车通过时轨道结构引起的噪卢，荷兰在开发研究板式轨道时， 研制了轨头形状与u i c 5 4 相似的s a 4 2 型矮轨( 图1 ，7 ) ，并采用e r s 轨道结构技 一。 第一章绪论 纵向基础结构凹槽中心填充物 弹性填充材料底部填充材料 图1 6u i c 5 4 型嵌入型钢轨结构 术，将钢轨用e d i l o nc o r k e l a s t 材料埋起来，轨下基础也采用板式轨道。由于这 种钢轨矮胖，车辆通过时引起钢轨腹s a 4 2 钢轨 板的振动频率较低，提高了轨道结构 的减振降噪效果。资料表明，这种轨 道结构降噪效果为5d b 。 与之类似的另一种减振型钢轨是 在钢轨腰部粘贴防振吸音材料，如橡 胶。其减振效果也比较显著，适合于 高架铁道需特殊降噪的地段。 图1 - 7s a 4 2 型钢轨结构 1 4 2 3 弹性支撑块式轨道( e l a s t i cs u s t a i n e dt r a c k ) 弹性支承块式轨道结构是一种低振动轨道结构。其结构如图1 8 所示1 4 9 - 5 0 。 弹性支承块式轨道结构主要由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣 件构成。弹性支承块由橡胶靴套包裹的钢筋混凝土支承块以及块下大橡胶垫板 组成。橡胶靴套与块下大橡胶垫板具备一定的厚度，大橡胶垫板为沟槽形，其 设置是根据所需刚度设计而定。轮轨振动经钢轨轨下胶垫得到第一次减振，再 经支承块下胶垫得到第二次减振，这样，振动的高频成分及其幅值得到了相当 大的衰减后才传给基础。根据不同的减振要求可以通过对两层胶垫不同的刚度 组合来达到。这种轨道结构在国内应用较多，技术也相当成熟。铁道部科学研 究院早在1 9 9 5 年就开始对这种结构进行研究，已铺设了两个试验段，其中宝天 一1 0 第一章绪论 线自清隧道试验段已经运营了两年，目前正在1 8 4k m 的秦岭双线隧道内全线铺 设。 通过双层弹性垫板刚度的合理选择，可使轨道的组合刚度接近有碴轨道的刚 度，弥补了无碴轨道弹性不足的缺陷，适应了环保对低振动、低噪音的要求。 同时由于结构简单，旋工相对容易，其造价相对其他减振轨道也较低。但由于 采用橡胶靴套和块下大橡胶垫板，橡胶易老化，故运营一定时间后必须更换。 弹性支承块式整体道床轨道结构一般用于有一般减振要求的敏感地区，如医院、 古建筑、居民区、商业区域等。 幽叫l 退床 基底 l； 道床 l膏 图卜8 弹性支承块式轨道结构 囤卜9d 型可更换式弹性轨枕直接轨道 与之类似的是日本d 型可更换式弹性轨枕直接轨道。其结构形式如图1 - 9 所 示 5 q ，轨枕与一般混凝土轨枕相同，只是在其两端的枕下、枕端和两侧三个方 向设置弹性垫板，构成减振箱。其特点是：可以不破坏周边混凝土，方便地进 行轨枕下胶垫的更换及高低调整，并且可以根据不同要求来选择各胶垫的弹性 系数。该结构减振效果良好，结构简单， 的。 14 2 4 纵向轻枕式浮置板( l e n g t h w a y s s l e e p e rs t r u c t u r e ) 在各种减振型无碴轨道中是最为经济 纵向轨枕式浮置板轨道是出原苏联学者克 拉夫钦科建议在隧道中使用的新型轨道结构 5 2 5 3 1 。这种结构的特点是把钢轨置于沿线路纵向 排列的钢筋混凝土纵向轨枕上，纵枕与基础间放 置防振垫板( 如图1 1 0 所示) 。由于纵向轨枕的 重量较大，有助于振动的衰减。这种轨道于1 9 8 3 ，： 眶。 - 锕 l _ 1 仨 e =三 乒一 一 = 1 一 _ _ _ r 一 图卜1 0 纵向轻枕式浮置扳 第一章绪论 年丌始铺设，经数年的使用证明：线路状态良好，减振效果明显，与木枕混凝 土整体道床相比：隧道衬砌表面垂向振动频率在1 2 5 8 0h z 范围内，可减振 1 0 2 0d b 。与板式浮置板轨道相比，其最大优点是容易维修，纵枕下防振垫板易 于更换。 142 5 浮置板式轨道( f l o a t i n gs l a bt r a c k ) 浮置板轨道结构主要由弹性支撑的钢筋混凝土台板，以及台板下安装的弹簧 隔振器组成，如图1 - 1 1 所示。列车通过时引起的振动经过隔振器后才传到地基。 浮置板道床的钢轨利用扣件直接铺设在浮置板上，浮置板具有足够的重量和强 度。列车运行引起的动载荷通过浮置板质量惯性来平衡，而仅有静载荷和没有 平衡掉的动载荷才通过弹簧元件传到路基。浮置板道床隔振效果的好坏取决于 隔振器和板结构参数的选取。从声学角 度考虑，浮置板和隧道仰拱间的适合间 距为4 0 6 0m m 。目前所采用的弹簧隔振 器主要有钢弹簧和橡胶弹簧两种，由于 其设计结构特点，其减振性能是目前所 有减振形式中最优越的。 1 5 浮置板轨道结构 图卜1 1 浮置板轨道系统 浮置板在国外已有4 0 多年的历史，先后有几十个有轨道床和6 0 多座邻近 建筑采取了浮置板式隔振措施，隔振效果都比较理想。根据德国实测资料和中 国铁道科学研究院的模型试验结果，减振效果可达2 0 5 0d b ，缺点是造价较高。 国内外有2 0 个以上的城市地铁采用了浮置板式轨道结构。浮置板式轨道结构的 减振降噪效果显著，可用于有特殊减振降噪要求的地区，如心脏病医院、音乐 厅、重要办公区、文教区域等。 151 浮置板轨道结构的分类 各国采用的浮置板轨道结构型式较多，大体可分为2 判5 4 1 ：橡胶支承和弹 簧支承浮置板。浮置板的设计要综合考虑列车走行安全性( 含轨道结构的强度) 、 乘坐舒适度和减振效果( 主要是其固有频率) 3 个方面的因素。在浮置板式轨道结 一1 2 第一章绪论 构和普通整体道床的过渡段需考虑支承刚度的渐变。在浮置板连接处和浮置板 与隧道内壁之间的间隙处应安装橡胶挡碴条，以防止沙石、尘土进入浮置板与 隧道底板之间的缝隙，造成振动“短路”。 1 5 11 橡胶支承浮置板f 5 6 。9 】 橡胶支承浮置板按混凝土施工方式可分为2 类：一是连续现浇浮置板，华 盛顿地铁采用：二是轨枕板式预制浮置板，多伦多、亚特兰大、洛杉矾、旧金 山、新加坡、广州地铁采用，最早是由多伦多地铁采用。 橡胶支承浮置板按橡胶支承方式可分为整体支承、线性支承、分布式3 种。 3 种支承方式要求的轨道结构高度和隧道开挖深度均不同。 整体支承目前在瑞士的日内瓦，法国的格勒诺布尔、南特、鲁昂、斯特拉 斯堡，西班牙的巴伦西亚、马德里，意大利的米兰、罗马，德国的慕尼黑地铁 和德国、比利时、意大利、奥地利、瑞士铁路中采用，其优点是构造简单，施 工速度快，施工误差小，隧道仰拱( 基底) 和道床受力均匀，支承面积大，可以很 好地抵抗轨道纵向力和横向力；缺点是橡胶材料用量大，可维修性差。其减振 效果约为2 0d b 。 线性支承目前在德国的波恩、多特蒙德、埃森、慕尼黑地铁中采用，其优 点是较整体支承节省材料，轨道结构的固有频率较低。其减振效果约为2 5d b 。 分布式支承目前在德国的波恩、汉堡、慕尼黑、纽伦堡，美国的亚特兰大， 加拿大的多伦多，新加坡，我国香港、广州和深圳地铁中采用。其特点是抵抗 轨道纵向力和横向力能力差，为了限制变形，必须使剪切模量、弹性模量、垫 板厚度、挚板大小十分匹配。如果设计合理，则轨道结构的固有频率低，减振 效果较好，维修方便。采取凹槽对橡胶垫板进行定位，能有效地提高浮置板的 稳定性。其减振效果约为3 0d b 。 1 5 1 2 钢弹簧支承浮置板 德国柏林地铁、科隆地铁、比勒菲尔德市有轨电车、法兰克福一曼茵茨国 际机场乘客运输系统，韩国p u c h o n 火车站、高速铁路c h o n a n 段，巴西圣保罗 地铁，英国伦敦d l r l e w i s h a m 地铁延长线和北京地铁1 3 号线都采用了弹簧支 承浮置板。 与橡胶支承浮置板相比，弹簧支承浮置板的主要优点： f 1 1 减振频率低；橡胶的刚度基本固定，如果通过添加软化剂和增大沟槽来 一1 1 第一章绪论 降低橡胶元件刚度，必然影响橡胶的耐久性和稳定性。因此橡胶支承浮置板一 般采用增加浮置板厚度( 这常常受轨道结构高度的限制) 和高密度混凝土来增大 浮置板的质量，从而降低浮置板的固有频率。目前各国地铁普遍采用的轨枕板 式预制浮置板的空载固有频率为1 2 1 6h z ，而连续现浇浮置板空载固有频率为 1 6h z 。而钢弹簧浮置板的固有频率通过调整弹簧间距，可以做的相当低，空载 固有频率一般小于1 0h z ，可以隔离1 4 2 0h z 的振动，这个频率范围的振动也 是人容易感觉到的p ”。 ( 2 ) 可维修性好；早期橡胶支承浮置板维修较为困难，给使用带来不便。改 进后的橡胶支承浮置板在板中央开孔( 检修井) ，需要更换橡胶支座时，可将小型 千斤顶由检修井放f ，顶起浮置板后更换检修井相邻的橡胶支座。弹簧支承浮置 板轨道结构的维修比橡胶支承浮置板要方便许多，通常只需打开顶盖更换隔振器 即可。 1 5 2 钢弹簧隔振器的类型 1 5 2 1g s i ( v ) 型钢弹簧隔振器 g s i ( v ) 型钢弹簧隔振器常用于浮置板两侧 没有多余边槽的情况。弹簧元件主要由三部分 组成 6 1 , 6 2 l ：外套筒，弹簧，高度调整垫片。外 套筒嵌在混凝土板中，下部由一个底座支撑， 上部加盖子以防止灰尘和其他杂质进入。真正 的弹性元件，螺旋钢弹簧是固定在下部结构上 图卜1 2g 8 i ( v ) 型钢弹簧隔振器 ( 如仰拱) 。用液压缸压缩弹簧进入外套筒，从而使浮制板与下部结构脱离。这种 隔振器的优点是可以减小浮置板的宽度，提高隧道的净空度。但在浮置板上大 量开孔，会削弱板的强度，且造价约为k y 型钢弹簧隔振器的1 5 倍。 1 52 2k y 型钢弹簧隔振器 k y 型钢弹簧隔振器安装在浮置板两侧提 前留出的凹槽里。先用千斤顶将板抬升7 0 1 0 0 m m ，在将弹簧放进凹槽。这种结构要求隧道 内净空度较大。一般适合于车站附近。 两种类型的弹簧元件都便于检修，无论是 4 图1 - 1 3k y 型钢弹簧隔振器 黧 _ 篡爨瓣。 謇 第一章绪论 从上部还是从一侧。还可以通过加减薄的垫片进行重新调平。弹簧部分亦可增 加阻尼元件以提高低频时的传递损失。由于弹簧具有较高的承载能力，两弹簧 之间的距离可达l 巧i 1 ，这主要取决于浮置板的刚度。弹簧隔振器中套筒、垫片 等钢制件采用镀锌保护，弹簧涂镀环氧树脂以防腐。弹簧的设计要求不受任何 疲劳破坏，弹簧应力保持在允许的疲劳应力范围内。 153 钢弹簧浮置板轨道结构的主要特点 ( 1 】系统的固有频率低，而且隔振效率固体传声控制效率较高。 ( 2 ) 浮置板与隧道底板问只需要极小的空隙，节约隧道空间。 ( 3 1 由于弹簧系统的水平刚度很大，隧道与道床之间不需要限位装置，以防 止不允许的水平位移。隧道和道床之间的间隙可随意盖上橡胶板或钢板。 f 4 ) 可借助