（车辆工程专业论文）减振型无砟轨道合理刚度的动力学分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着铁路客运专线的修建和城市轨道交通的快速发展，无砟轨道以稳定性高、刚 度均匀、耐久性好、维修工作量少成为铁路轨道结构的发展方向。许多国家都投入了 大量的人力和财力，对无砟轨道结构开展了长期、系统的研究工作，并已开发出了上 百种无砟轨道结构。但无砟轨道引起的环境振动和噪声问题更加突出，甚至严重影响 了人们的工作和生活，已引起相关部门的高度关注。为此，减振型无砟轨道结构因为 其良好的降噪减振性能被越来越多的国家和地区采用，但结构类型众多、参数不一， 如何从动力学角度释明或确定减振型无砟轨道的刚度合理匹配关系及其减振性能，具 有重要的理论意义和工程应用价值。 首先，论文从减振降噪的角度，本文分析了轨道系统的减振机理，并结合等效三 自由度模型实例分析了力、加速度、位移作为轨道动力学性能评价指标之间的关系， 分析表明采用力作为轨道动力学性能评价指标与加速度、位移作为轨道动力学性能评 价指标对轨道减振效果的评价具有很好的一致性，为减振型无砟轨道合理刚度的动力 学分析提供了理论依据。 其次，本文以减振型板式轨道、无砟梯子形轨道、浮置板式无砟轨道、弹性支承 块式无砟轨道、弹性长枕埋入式无砟轨道和四种减振扣件为研究对象，应用有限元分 析软件a n s y s ，依据实际轨道结构参数建立了各种轨道结构的动力学模型，研究分析 了冲击荷载作用下各种减振型轨道的动力学特性，确定了无砟轨道部件刚度的合理匹 配关系。 最后，在轨道刚度的合理取值范围内，对比分析了各种减振型无砟轨道、减振扣 件的减振性能。结果表明钢弹簧式浮置板无砟轨道的减振效果最好，其余依次是无砟 梯子形无砟轨道、弹性支承块式无砟轨道、弹性长枕埋入式无砟轨道、减振型板式无 砟轨道和减振型扣件。 本论文的相关研究结果对实际工程中减振型无砟轨道的选型以及合理刚度设计具 有参考价值。 关键词：无砟轨道；冲击荷载；动力学；减振性能；合理刚度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 曼皇曼鼍皇曼量曼曼曼曼曼曼曼- - - - 一i i ；一；i i ii 一一 ； o 舅舅 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o no ft h ep a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e sa n dd e v e l o p m e n to ft h eu r b a n r a i l w a ys y s t e m ，s i n c e i t s h i g hs t a b i l i t y , u n i f o r ms t i f f n e s s ，f i n ed u r a b i l i t y , a n dl e s s m a i n t e n a n c e ，b a l l a s t l e s st r a c kb e c o m e st h et r e n do fr a i l w a ys t r u c t u r e m a n yc o u n t r i e si nt h e w o r l dd e p l o yp l e n t yo fm a n p o w e ra n df i n a n c i a lr e s o u r c e so nb a l l a s t l e s st r a c kr e s e a r c h ，a n d h a v ed e v e l o p e dah u n d r e do rm o r et y p e so fb a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r e b u te n v i r o n m e n t a l v i b r a t i o na n dn o i s ep r o b l e m sc a u s e db yb a l l a s t l e s st r a c ka r em o r ee v i d e n t ，a n dh a v e s e r i o u s l yi n f l u e n c e dp e o p l e sw o r ka n dl i f e ，w h i c hh a v ed r a w nm u c ha t t e n t i o no fr e l a t e d d e p a r t m e n t s t h e r e f o r e ，t h el o wv i b r a t i o nt r a c ki sm o r ea n dm o r eu s e di nm a n yc o u n t r i e s b e c a u s eo fi t sw e l lp e r f o r m a n c eo fr e d u c i n gn o i s ea n dv i b r a t i o n , b u tb e c a u s eo fi t sn u m e r o u s s t r u c t u r et y p e sa n dp a r a m e t e r s ，h o wt od e s c r i b ea n dd e t e r m i n et h er e a s o n a b l es t i f f n e s s m a t c h i n gr e l a t i o n s h i pa n dv i b r a t i o nr e d u c t i o np e r f o r m a n c ei nd y n a m i c si so fg r e a tv a l u ei n b o t ht h e o r ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f i r s t l y , f r o mt h ev i e w p o i n to fr e d u c i n gn o i s ea n dv i b r a t i o n , t h ea r t i c l eh a v ea n a l y z e dt h e m e c h a n i s mo fv i b r a t i o nr e d u c t i o n ，a n dh a v ei n v e s t i g a t e dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gf o r c e ， a c c e l e r a t i o na n dd i s p l a c e m e n ta st h ee v a l u a t i o ni n d e x e so ft h et r a c kd y n a m i cb e h a v i o ru s i n g t h ee q u i v a l e n tt h r e ed o fm o d e l i ti ss h o w e dt h a tt h e r ei sag o o da g r e e m e n tb e t w e e nu s i n g f o r c ea st h et r a c kd y n a m i cb e h a v i o re v a l u a t i o ni n d e xa n du s i n ga c c e l e r a t i o na n d d i s p l a c e m e n t t h i sp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h el o wv i b r a t i o nt r a c kr e a s o n a b l es t i f f n e s s a n a l y s i s s e c o n d l y , t a k i n gv i b r a t i o nr e d u c i n gs l a bt r a c k ，l a d d e rt r a c k ，f l o a t i n gs l a bt r a c k ，e l a s t i c b e a r i n g b l o c kt r a c k ，e l a s t i cl o n g s l e e p e rb u r i e d t y p et r a c k ，d a m p e rf a s t e n e rt r a c ka n d f o u rt y p e so fd a m p i n gf a s t e n e r sa st h er e s e a r c ho b j e c t s ，a n du s i n gf e mp r o g r a ma n s y s ， t h ea r t i c l eh a v em o d e l e de a c hk i n do ft r a c ks t r u c t u r e sb a s e do nr e a lt r a c ks t r u c t u r e d y n a m i c b e h a v i o ro fe a c ht y p eo ft r a c ki st r e a t e du n d e ri m p a c tl o a da n dt h er e a s o n a b l es t i f f n e s s m a t c h i n gr e l a t i o n s h i pa m o n gc o m p o n e n t so ft r a c ka r ed e t e r m i n e d f i n a l l y , t h ev i b r a t i o nr e d u c t i o np e r f o r m a n c eo fe a c hk i n do ft r a c ka n df a s t e n e r sa r ea n a l y z e d a n dc o m p a r e dw i t h i nt h el i m i to fr e a s o n a b l es t i f f n e s s t h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a tf l o a t i n g s l a bt r a c kd o e st h eb e s ti nr e d u c i n gv i b r a t i o n , f o l l o w e db yl a d d e rt r a c k ，b e a r i n gb l o c k t r a c k ，e l a s t i cl o n gs l e e p e rb u r i e d t y p et r a c k , v i b r a t i o nr e d u c i n gs l a bt r a c k ，d a m p i n g f a s t e n e r s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to ft h i sa r t i c l ei so fr e f e r e n c ev a l u ef o r t h et y p es e l e c t i o no fl o w v i b r a t i o nt r a c ka n ds t i f f n e s sd e s i g n m e n ti np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c k ；i m p a c tl o a d ；d y n a m i c s ；v i b r a t i o nr e d u c t i o np e r f o r m a n c e ；r e a s o n a b l e s t i f f n e s s 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 本文以减振型板式轨道、无砟梯子形轨道、钢弹簧式浮置板无砟轨道、弹性支 承块式无砟轨道、弹性长枕埋入式无砟轨道和四种减振扣件为研究对象，以有限元分 析软件a n s y s 为平台，根据实际轨道结构参数建立各种轨道系统的动力学模型，研究 分析了各种减振型无砟轨道的合理刚度和最优减振扣件类型； 2 在确定了减振型无砟轨道的合理刚度和最优减振扣件类型后，运用振动加速度 等级对比分析了几种减振型无砟轨道的减振性能。结果表明：钢弹簧式浮置板无砟轨 道减振性能最好，无砟梯子形轨道次之，其余依次为弹性支承块式无砟轨道、弹性长 枕埋入式无砟轨道、减振型板式无砟轨道和减振扣件。本论文的相关研究成果对工程 实际中的减振型无砟轨道的合理刚度取值和采用何种减振扣件具有一定的应用参考价 值。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 吼函勿 繁是 毛j | 弓 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密面，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指导老师签名： 日期 辽移10 乡，3 粟专杏幻 镪 坳 姑 b 豁 a 作 玑 刘 瑚 幻 日 位等 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 无砟轨道技术发展现状 根据我国中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年我国铁路将建设“四纵四横”快速通 道及三个区域城际快速客运系统。高速度、高密度、长距离跨线运输是我国客运专线 主要运营特点。为满足行车安全、乘车舒适和准点行车的要求，铁路线路必须具有结 构连续、平顺、稳定、耐久和少维修的性能。无砟轨道在国外高速铁路己得到广泛应 用，并已在上述性能方面显示出明显的优越性，取得了良好的技术和经济效益。我国 铁路对无砟轨道也进行了大量的研究与应用，特别是在桥上及隧道内已铺设过若干试 验段，积累了一定的经验，这些都为在我国客运专线上继续研究、开发和推广无砟轨 道打下了技术基础【m 】。 从世界铁路运营情况来看，轨道结构按其轨下基础形式的不同可分为两大类；有 砟轨道与无砟轨道结构。从实践经验看，两种轨道结构都可以运行时速o , - 一3 0 0 k m 的列 车，但是随着轴重和时速的增大，有砟轨道结构破坏严重，平稳性、安全性及舒适性 达不到要求，因而在高速铁路换铺无砟轨道的呼声很高。 1 1 1 无砟轨道的技术特点 无砟轨道是以混凝土或沥青混合材料等取代散粒道砟道床而组成的轨道结构形 式。随着高速铁路的诞生，由于有砟轨道道砟无法长时间的保持良好的工作状态，合 理而经济的无砟轨道的开发及应用成为一种必然趋势，在一些国家已把无砟轨道作为 轨道的主要结构形式进行全面推广，取得了显著的经济效益和社会效益【4 1 。 无砟轨道之所以能取代有砟轨道成为新世纪各国争相铺设的轨道结构形式，主要 取决于无砟轨道的特点： 1 ) 良好的结构连续性和平顺性。无砟轨道的下部基础、底座、道床板等均为现 场工业化浇注或为工厂预制件或标准产品，可以保证其性能有较好的均一性，比有砟 轨道有更好的结构连续性和弹性均匀性，为提高轨道的平顺性，改善乘车质量提供了 有利的条件； 2 )良好的结构恒定性和稳定性。无砟轨道的轨道横向阻力、轨道纵向阻力不再 依赖于材质和状态多变的有砟道床，其整体式轨下基础能提供更高和更恒定的轨道纵 向、横向阻力，具有更好的耐久性和更长的使用寿命； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 3 )良好的结构耐久性和少维修性能。无砟轨道的整体式轨下基础，不会产生道 砟颗粒磨耗、粉化、相对错位等问题，在列车的荷载作用下也不会造成变形积累，从 而大大降低了轨道几何尺寸的变化速率，减少了养护工作量，延长其寿命等； 4 ) 工务养护、维修设施减少。由于维护工作量减少，可以减少维修部门的数量， 和维修机械等维修设施的数量； 5 ) 免除高速条件下有砟轨道的道砟飞溅； 6 ) 有利于适应地形选线，减少线路的工程投资。无砟轨道的纵横向稳定性较之 有砟轨道大大增加，这样可以在保证舒适度的前提条件下，适当放宽曲线超高等限制， 减少工作量； 7 ) 减少客运专线特级道砟的需求。 但是它也有不足之处，主要表现在： 1 ) 无砟轨道弹性较差。无砟轨道弹性的降低会增加轴重对轨道破坏、失效和轨 道状态恶化的影响，也会随着轴重的增加加剧环境振动和噪声等； 2 ) 无砟轨道修复困难。在轨道损坏后，无砟轨道由于其整体式，结构稳定性高， 一旦发生破坏修复较之有砟轨道更为困难。 1 1 2 国外无砟轨道的发展现状 国内外铁路无砟轨道的发展，从数量上经历了由少到多、从技术上经历了由浅到 深、从品种上经历了由单一到多种，从铺设范围上经历了由桥梁、隧道到路基、道岔 的过程。高速铁路的轨道结构更是首选无砟轨道，成为高速铁路的发展趋势。如日本 新干线的板式、德国高速铁路的雷达( r h e d a ) 型、英国的p a c t 型、英吉利海峡隧道 的弹性支承块式( l v t ) 等【5 刁】。 1 日本 日本是发展无砟轨道较早、较快的国家。继1 9 7 1 年日本山阳新干线后，无砟轨道 在日本获得迅速发展，并得到广泛应用，2 0 世纪8 0 年代以来修建的新干线，无砟轨道 比例都在8 5 以上。板式无砟轨道具有线路稳定性好、降低隧道和高架桥的造价、外 观整洁美观、噪声低等优点，板式轨道技术经济合理，是轨下基础发展的方向。世界 各国己先后致力于板式无砟轨道的研究并取得了许多设计、施工、制造和运营方面的 经验p j 。 日本定型的轨道板有适用于隧道或高架桥上的a 型( 图1 1 ) 、框架型轨道板( 图 1 2 ) 、适用于土质路基上的r a 型轨道板及特殊减振区段用的防振g 型轨道板等，构 成了适用于各种不同使用范围的轨道板系列，其中带有凸型挡台的a 型轨道作为标准 型式在国内推广应用。日本的板式轨道由轨道板、水泥沥青砂浆( c a 砂浆) 和混凝土 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 基础三大部分组成，钢轨铺设在轨道板上，下面为混凝土底座，中间灌注c a 砂浆作 为轨道板 的弹性垫层，并对轨道板进行一定程度上的调整。混凝土基础上每间隔一定距离布置 凸型挡台，以承载轨道的纵向力和横向力。2 0 世纪7 0 年代，板式轨道作为日本铁路建 设的国家标准进行推广，使板式轨道成为日本新干线无砟轨道的主要结构型式。到目 前为止，其板式轨道累计铺设里程己达到2 7 0 0 多公里。近几年，随着北陆等新干线的 建设，板式轨道又有了较大发展，主要在以下几个方面： ( 1 ) 可用于露天地段使用的土路基上板式轨道； ( 2 ) 为节约混凝土用量、降低造价，发展了框架型板式轨道； ( 3 ) 为了提高c a 砂浆的灌注效率，节约模板用量，发展了c a 砂浆的编织袋灌 注方法： ( 4 ) 在人口稠密的居民区，为了降低噪声的干扰， 铺设2 5 m m 厚的橡胶垫层，发展了防振型板式轨道。 轨道板 在轨道板和c a 砂浆垫层间 瓤鼍疑 图1 1 普通a 型板式轨道图1 - 2 框架型板式轨道 2 德国 德国是世界上研究开发无砟轨道较早的国家之一。德铁、高校研究所以及工业界 自2 0 世纪7 0 年代起就一直进行无砟轨道的研究，目前正式批准的无砟轨道结构型式 有5 种，包括b o g l 、r h e d a 型、z t i b l i n 、a t d 、g e t r a c 、b e r l i n 型。 b 6 西板式无砟轨道的前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德一达豪的一种预制板 式无砟轨道。如图1 3 ，通过对其进行预应力结构、结构尺寸、纵向连接等方面的优化 改进；采用先进的数控磨床来加工预制轨道板上的承轨槽；使用快速方便的测量系统， 使其精度容易满足高速铁路对轨道几何尺寸的高要求。高性能沥青水泥砂浆垫层可以 为轨道提供适当的刚度和弹性。博格板式无砟轨道已获得了德国联邦铁路管理局颁发 的许可证，可用于3 0 0 k m h 的高速铁路，目前正在德国纽伦堡至英戈尔施塔特的新建 高速线上铺设。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 r h e d a 型无砟轨道于1 9 7 2 年在德国r h e d a 车站铺设并由此命名。r h e d a 型无砟 轨道由u i c 6 0 钢轨、v o s s f o h 3 0 0 扣件、整体式轨枕( 或双块式轨枕) 、道床板、支承层 底座( h s b ) 组成。最新的r h e d a 型无砟轨道结构型式为r h e d a 一2 0 0 0 ( 图l - 4 ) 其支 承层宽度一般为34 38 m ，结构高度为4 7 2 m m 。r h o d a 一2 0 0 0 型中的特殊双块式轨枕 只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土，其余为拆架式的钢筋骨架，使之与现 场灌注混凝土的新、老界面减至最少，有利于提高施工质量和结构的整体性。建筑高 度的下降，对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。r h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道己应用 在纽伦堡一英戈尔施塔特、荷兰、我国台湾高速铁路的道贫区上。 固1 - 3 博格板式无砟轨道 r i 【 l ：p 图1 4 r h e d a 型无砟轨道 z i i b l i n 型无砟轨道是1 9 7 4 年在z i i b l i n 铺设的一种轨枕埋入式无砟轨道结构型式。 z t i b l i n 型无砟轨道的结构组成与r h e d a 型无砟轨道相同。其研发初衷是寻求一种高度 机械化的施工方法，以解决p , h e d a 轨枕埋入式无砟轨道传统的手工施工带来的进度慢、 成本高等问题。z i i b l i n 与r h e d a 的主要差异在施工方式上。后者是在底座浇注完成后， 将预制轨枕组合的轨排放置在底座上，绑扎好钢筋后浇注混凝土，使轨枕与道床板成 为一个整体：前者是在现场混凝土道床板浇注咀后，通过振动方式将轨枕“振入”到 新浇注的混凝土中，使轨枕与道床板成为个整体结构。此时的混凝土必须具有一定 的密度，只能将轨枕“振”入其中，而不允许轨枕靠重力“沉”入其中。从1 9 8 8 年至 今，z i i b l i n 型无砟轨道在德国铁路铺设了8 18 0 7 l c r a ，其中在高速铁路铺设了7 0k m 。 3 法国 法国是以有砟轨道为代表的高速铁路国家之一，一直以在有砟轨道上能够以2 7 0 3 0 0 1 d n h 运营而感到骄傲。但后来发现早期建造的东南线、大西洋线道砟粉化严重， 西南交通丈学硕士研究生学位论文第5 页 使轨道几何尺寸难于保持，维修周期缩短，维修费用大大增加，甚至影响正常的运营， 结果使用不到1 0 年不得不全面大修，更换道砟。法国开发的无砟轨道v s b s t e d e t 是双块式无砟轨道，属l 型无砟轨道。 4 英国 i ) l v t 型无砟轨道 l 型无砟轨道是在双块式轨枕( 或两个独立支承块) 的下部及周围设橡胶套靴， 在块底与套靴间设橡胶弹性垫层，而在双块式轨枕周围及底下灌筑混凝土而成型，为 减振型轨道。其最初由r o g e rs o n n e v i l l e 提出并开发，瑞士国铁于1 9 6 6 年在隧道内首 次铺设，1 9 9 3 年开通运营的英吉利海峡两单线隧道内全部铺设了独立支承块式l v t 型 无砟轨道。 2 ) p a c t 型无砟孰道 p a c t 型无砟轨道为就地灌筑的钢筋混凝土道床，钢轨直接与道床相连接，轨底与 混凝土道床之间设连续带状橡胶垫板，钢轨为连续支承。英国自1 9 6 9 年开始研究和试 铺，到1 9 7 3 年正式推广，并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国重载和高速线的桥、 隧道结构上应用，铺设总长度为$ 0 k m ，结构示意图如图1 - 5 。 圈1 - 5p a c t 型无砟轨道 5 其它类型的无砟轨道结构 其它无砟轨道结构有：b t d 型( 图1 6 ) 、s a t o 型( 图1 7 ) 、f f y s 型( 图l 一8 ) a t d 型及g e c r a c 型等。 图l 巧b t d 型无砟轨道 堑蜜圣鎏銮耋堡圭墼至兰茎堡尘三薹! 圣 图1 7s a t o 型无砟轨道 图1 - 8f f y s 型无砟轨道 l1 3 国内无砟轨道的发展现状 我国对无砟轨道的研究始于2 0 世纪6 0 年代与国外的研究几乎同时起步。初期 曾试铺过支承块式、短枕式、整体灌注式等整体道床及沥青道床等几种型式。2 0 世纪 8 0 年代曾试铺过沥青整体道床、由沥青混撮土铺装层与宽枕组成的整体道床以及由沥 青灌注的固化道床等，在大型客站和隧道内试铺，总长约1 0k m 8 ， 。 “九五”国家科技攻关专题“高速铁路无砟轨道设计参数的研究”提出了适用于 高速铁路桥、隧道结构上的三种无砟轨道型式( 长枕埋入式、弹性支承块式和板式) 及其设计参数。1 9 9 8 年铁道部立项开展”高速铁路高架桥上无砟轨道关键技术的试验研 究”，在此课题中，对次三种结构型式的无砟轨道进行了试验研究。在此基础上在秦 沈客运专线选定了三座特大桥作为无砟轨道的试铺段。包括沙河特大桥( 铺轨1 3 8 4 m ) 铺设了长枕埋入式无砟轨道：狗河特大桥( 铺轨1 4 8 2 m ) 直线和双何特大桥( 铺轨1 4 8 0 r n ) 曲线上试铺了板式轨道。2 0 0 1 年和2 0 0 2 年立项的“瑜怀线隧道内长枕埋入式无砟轨道 的试验研究”和“赣龙铁路隧道内扳式无砟轨道的试验研究”，为完善新型无砟轨道 结构和运营条件完成试点无砟轨道的设计和施工技术条件的编制提供了依据，并分 别于2 0 0 3 年、2 0 0 4 年完成渝怀线鱼嘴2 号隧道、赣龙线枫树排隧道的试铺。2 0 0 4 年 国务院审议通过国家中长期铁路网规划，2 0 0 8 年在此规划的基础之上，明确了全国 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 曼皇皇鼍曼鼍曼曼曼曼皇曼毫- - - - - l = m = m = m 皇曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼! 皇曼皇曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼舅曼曼皇曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼 铁路营业里程达到1 2 万公里以上的路网结构与布局方案，提出了要基本形成布局合理、 结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要， 主要技术装备达到或接近国际先进水平的规划目标。具有代表意义的高速铁路主要有 京津高速、京沪高速、郑西客运、武广高速等。 2 0 0 8 年8 月，中国第一条高等级城际高速铁路京津高速铁路开通运行，如图1 - 9 为京津城际高速无砟轨道截面图。京津高速铁路一端是北京，一端是天津，1 2 0 公里长 的铁路线将北京和天津两个举足轻重的城市连在了一起。京津高铁直接提升了城市间 的交通能力。为了确保京津城际每小时3 5 0 公里的设计时速，减少维护、降低粉尘、 美化环境和保证路面平顺性能好，列车在上面行走时蛇形运动不激烈，京津城际采用 了当今世界上最先进的德国博格板无砟轨道技术，这在我国尚属首次。京津高速铁路 其中1 1 3 5 公里路段为无砟轨道，采用了从德国博格公司引进的板式轨道技术。全线共 使用了3 6 0 9 2 块( 一说3 4 5 3 5 块) 博格式轨道板 1 们。 图1 - 9 京津城际高速无砟轨道截面图 2 0 0 9 年6 月，郑西客运专线已全线铺通，它也是我国中长期铁路规划中1 0 条客运 专线中徐兰客运专线( 徐州一郑州西安宝鸡兰州) 最先开工的一段。郑西铁路客运专 线为双线，全长4 8 4 5 1 8 公里( 其中正线长4 5 6 6 3 9 公里) ，桥梁和隧道长度占全长的 5 9 7 5 ；最大年输送能力8 3 4 0 万人，其中近期约3 7 0 0 万人；设计行车速度：线下为 3 5 0 公里时、线上为2 0 0 公里时；无砟轨道采用的是c r t si i 型双块式无砟轨道，源 自德国2 0 0 0 轨道技术，是我国首次引进的德国铁路施工技术，具有工艺新、质 量精度高，轨道平顺性、耐久性较好、抗恶劣环境好及养护维修工作量少等特点。【l l 】 2 0 0 9 年1 2 月，武汉、长沙、广州三地同时首发中国国产时速3 5 0 公里和谐号高速 列车。至此，经过4 年半的建设，这条世界上一次建成最长、运营时速最高的武广高 速铁路正式投入运营。武广客运专线采用的是无砟轨道主要有c r t s i 型板式无砟轨道 ( 小部分区段铺设) 、c r t s i 型双块式无砟轨道( 大部分路段采用) 和日本的板式轨道。 为了今后中国高铁建设，武广线上多处使用这两种轨道技术，以便积累经验，以确定 适合中国地质地理情况的轨道技术【1 2 , 1 3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 中a m 图1 1 0 武广高铁一路基上雷达无砟轨道截面图 计划于2 0 1 0 年投入运营的京沪高速铁路是我国中长期铁路网规划中投资规 模最大、技术含量最高的一项工程，也是我国第一条具有世界先进水平的高速铁路，正 线全长约1 3 1 8 公里，与既有京沪铁路的走向大体并行，全线为新建双线，设计时速3 5 0 公里，初期运营时速3 0 0 公里，最高车速度可达3 8 0 公里。全线铺设无砟轨道正线约 1 2 6 8 公里，占线路长度的9 6 2 。有砟轨道正线约5 0 公里，占线路长度的3 8 。京 沪高铁采用了世界先进的轨道结构，如c r t s i i 型无砟轨道板是目前世界生产工艺最先 进的铁路轨道板，将严格按出厂编号“对号入座”铺到京沪高铁全线并连成一体，从 而确保时速3 5 0 公里以上高速列车行驶的平稳度与低噪音。 从京津城际铁路、郑西高速铁路、武广高速铁路到京沪高速铁路，中国高速铁路 不断发展和进步，对于进一步扩大中国铁路国际知名度，推出中国铁路技术和标准体 系，打造中国铁路品牌，以中国铁路的技术优势和竞争实力，大力开拓国际市场，加 快实施铁路“走出去 战略，取得批国际合作成果，将产生重要而深远的战略意义。 1 2 减振型无砟轨道和减振扣件的主要类型 1 2 1 减振型无砟轨道的主要类型 1 8 6 3 年世界上第一条地铁在英国伦敦建成，但由城市轨道交通所引发的噪声和振 动问题是在2 0 世纪6 0 年代才开始引起人们的重视的。传统的轨道结构体系对附近地 面建筑物产生较大的振动和噪声影响。6 0 年代开始使用橡胶垫板作为轨道的弹性连接 件，但起初的橡胶垫板设计还不能满足一些敏感的大型建筑物对减振的要求。7 0 年代 以来，日本和欧洲高速铁路研究人员开始关注共振和噪声问题。8 0 至9 0 年代，联邦德 国工业技术大学、慕尼黑大学、英国d e r b y 铁路技术中心曾对无砟轨道的减振降噪性 能进行了大量的研究和试验。城市轨道交通减振降噪技术主要从车辆、轨道结构、道 床及其它关联设备方面着手进行研究。其中车辆方面着眼于车辆轻型化、采用弹性车 轮、阻尼车轮及对车轮踏面进行打磨处理、车辆弹性悬挂系统等。在轨道结构方面的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 减振研究包括采用重型钢轨、埋入式钢轨、钢轨粘贴阻尼材料及无缝线路等；采用高弹 性扣件、钢轨下铺设的橡胶垫板、弹性支承垫、道砟垫、铁垫板下加设橡胶垫板等。 其他方面包括采用声屏障、隔振沟、消振壁、缓冲带、围栏桩、超重型隧道结构、隧 道内壁上采用吸声材料、高架桥采用叠层高阻尼橡胶支座或铅芯叠层橡胶支座等【1 4 1 。 本文主要从轨道结构的减振降噪措施方面考虑，主要有以下几种类型： 1 弹性支承块式无砟轨道 弹性支承块式无砟轨道，即常说的轨枕嵌入式无砟轨道、短轨枕整体道床型轨道 和l v t ( l o wv i b r a t i o nt r a c k ) 轨道。1 9 9 3 年开通运营的英吉利海峡两单线隧道内全 部铺设独立支承块式l 、，t 型轨道( 见图1 1 1 ) 。其最初由r o g e rs o n n e v i l l e 提出并开发， 美国成立的s o n n e v i l l e 国际集团公司提供该轨道系统成套的技术咨询服务。瑞士国铁于 1 9 6 6 年在隧道内首次试铺该种无砟轨道。这种轨道系统还在哥本哈根、亚特兰大等城 市地铁内推广应用。法国开发的v s b s t e d e t 系轨道也属此类，在地下铁道内使用居 多。至今l 、吓轨道的铺设总长度约3 6 0 k m 。国内从1 9 9 5 年开始对弹性支承块式无砟 轨道的研究，1 9 9 6 年、1 9 9 7 年先后在陇海线白清隧道和安康线大瓢沟隧道铺设试验段。 在秦岭隧道一线、秦岭隧道二线正式推广使用，一、二线合计无砟轨道长度3 6 8k m ， 并先后于2 0 0 1 年、2 0 0 3 年开通运营。以后又陆续在宁西线( 南京一西安) 、兰武复线、 宜万线、湘渝线等隧道内及城市轨道中得到广泛应用，已经铺设和正在铺设的这种无 砟轨道累计近2 0 0k m 。 图1 - 11 弹性支承块式无砟轨道结构 弹性支承块轨道结构由弹性支承块、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，弹性支承块式 轨道结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供，可使轨道纵向弹性点支承 刚度趋于一致。通过双层弹性垫板刚度的合理选择，使轨道的组合刚度接近有砟轨道 的刚度。此外，在支承块外设橡胶靴套提供了轨道的纵、横向弹性变形，使这种无砟 轨道在承载、动力传递和振动能量吸收诸方面更接近坚实基础上的碎石道床轨道，这 样便使得这种轨道结构的振动和噪声减少到较低程度。由于这种轨道结构减振降噪的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 | ! ! ! ! 目! ，! ! i 目e _ 日_ i i ! 111 自自l 自e l l l 日| l | ! ! ! l _ - 效果较为明显，适用于城市轨道交通中对振动和噪声较敏感的地段。目前在上海、北 京、广州地铁等地都已铺设：北京地铁在东十四条站铺设了这种轨道，现场测试较一 般整体道床振动加速度降低3 0 ，减振效果较好。 2 弹性长枕埋入式无砟轨道 弹性长枕无砟轨道是在轨枕下部及周围设置橡胶套靴，在轨枕底与套靴间设置橡 胶弹性垫层，在轨扰周围及底下灌筑混凝土而成型，为减振型轨道。弹性长枕埋入式 无砟轨道结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供，可使轨道纵向弹性点 支承刚度趋于一致。通过双层弹性垫板剐度的合理选择，使轨道的组合刚度接近有砟 轨道的刚度。此外，在长枕辨设橡胶靴套提供了轨道的纵、横向弹性变形，使这种无 砟轨道在承载、动力传递和振动能量吸收诸方面更接近坚实基础上的碎石道床轨道， 这样便使得这种轨道结构的振动和噪声减少到较低程度。如图1 1 2 所示为弹性长枕埋 入式轨道实景图与示意图。 图1 1 2 弹性长枕埋入式轨道实景图与示意酗 3 减振型板式轨道 减振型板式轨道由钢轨、扣件、预制混凝土轨道板、轨道板下橡胶垫层、乳化沥 青水泥砂浆调整层、混凝土凸形挡台和混凝土底座等组成。减振型板式轨道的垂向弹 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 性主要由轨下胶垫、轨道板下微孔橡胶垫板和c a 砂浆调整层提供，通过选择两层刚 度的合理匹配，可使轨道结构组合刚度接近有砟轨道。图1 1 3 为减振型板式轨道截面 图。 为了解决板式无砟轨道的噪声振动问题，逐渐发展了减振板式无砟轨道结构。国 内外的应用实践表明：减振板式无砟轨道具有良好的安全性能，可以满足列车安全 运营的要求；在减振效果方面，减振型板式无砟轨道的钢轨振动加速度和轨道板振 动加速度要大于普通板式无砟轨道，但减振型板式无砟轨道结构在1 0 0 0 - 4 0 0 0 h z 频 带范围内，从钢轨传递到高架桥中央的振动衰减明显；对比减振型板式无砟轨道与 普通型板式无砟轨道的降低噪声方面的效果，减振型板式轨道使结构物( 桥梁) 的噪声 降低4 - - 5 d b 。减振型板式轨道因其减振效果好，在日本和我国都有广泛使用，在日本 的山阳、东北、上越、新干线和北陆等的桥梁、隧道和部分路基区段上都有采用这种 轨道结构。在我国内地和台湾省也采用了减振型板式轨道，并取得了很好的经济效益 和社会效益。 微孔橡胶垫 c a 砂浆调整 泡沫聚乙 图1 1 3 减振型板式轨道截面图 图1 1 4 钢弹簧式浮置板横截面示意图 4 浮置板式轨道 浮置板式轨道结构是基于改善道床结构形式而采用的一种减振型轨道。传统的轨 道结构是由钢轨、轨枕、联结零件、道床及道岔等主要部件组成，而浮置板式轨道结 构主要由浮置板、板下弹性阻尼元件、侧向垫板和纵向垫板组成 1 7 3 5 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ie i i ：= ； ：i i i i i i 鼍曼曼鼍皇曼蔓舅曼皇曼量曼曼皇曼曼曼皇蔓曼曼皇曼曼 该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上，浮置板置于可调的弹性支座 上，浮置板两侧用弹性材料固定，形成一种质量一弹簧隔振系统。这种系统有各种设 计：包括有道砟和无道砟的、预制混凝土底座和现场浇注的、可更换支座和固定支座的、 橡胶支座和弹簧支座的等。浮置板式轨道1 9 6 5 年在德国首次使用。最先开发的为有道 砟的浮置板式轨道结构，在多特蒙德的一座轻轨铁路隧道内铺设了试验段。此后，在 科隆地铁以及波鸿至穆尔海姆轻轨和迪塞尔多夫的轻轨上铺设了无砟浮置板式轨道。 广州地铁1 号线是国内首次采用橡胶浮置板式轨道的线路，其后北京城市轨道西直门、 东直门段，上海轨道交通明珠线也采用了钢弹簧浮置板式轨道。目前，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，并取得了较好的效果。浮置板式轨道按照 支撑条件不同主要分为：橡胶支座浮置板式轨道和钢弹簧浮置板式轨道两种。另外，在 俄罗斯还采用过纵向浮置板，如图1 1 4 钢弹簧式浮置板横截面示意图。 5 无砟梯子型轨道结构 无砟梯子型轨道是日本铁道综合技术研究所开发的，曾在美国的f a s t 线上进行 了3 6 2 吨大轴重考验试验，并取得成功。这种轨道结构形式是基于钢筋混凝上轨枕、 法国双块式轨枕、普通板式轨道、框架式板式轨道这四种轨下基础结合开发出来的一 种新型轨道结构形式，既能在有砟轨道上铺设，也能与基础结合在一起成为无砟轨道。 实验表明，梯子型轨道具有很好的承载能力和横向、纵向稳定性【1 9 , 2 0 】。 无砟梯子型轨道、特别是高架桥上无砟梯子型轨道具有自重轻、振动低、易维修、 造价低等优点，是无砟轨道技术的重大突破。 6 其它减振型无砟轨道 德国博格公司开发的具有减振系统的特殊预制轨道板，可用于有隔振要求的地段。 该系统是根据不同的隔振要求，加工不同厚度的预制轨道板，以提供相应减振系统所 需要的大质量。这种特殊预制板的底面有一层弹性支承，能够起到缓冲振动的作用。 当线路附近有降噪要求时，可在博格轨道板上铺设预制的吸声材料，振动最多可降低 5 d b 。r h e d a 隧道减振轨道因最早铺设于德国的r h e d a 车站而命名，目前此种轨道已经 在路基、桥梁和隧道内进行了统一，以便在设计、铺设和养护方面更加方便和节省费 用，并取得了良好的减振降噪效果【2 。 1 2 2 减振型扣件的主要类型 扣件是联接钢轨与道床的重要部件，高速铁路大多铺设的是无砟轨道，扣件除必 须具有足够的、稳定的扣压力及纵、横向阻力，保证行车安全外，还应提供一定的弹 性和绝缘性，以满足地铁减震、减噪和自动驾驶、防杂散电流的需要。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 高速铁路列车运行速度高、行车密度大，对轨道平顺性有极高的要求，这些特性 主要表现在轨道的减振性能上，提高减振性能的具体措施有多个方面，比方说使用减 振型轨道结构，如减振型板式轨道、无砟梯子形轨道、浮置板式无砟轨道、弹性支承 块式无砟轨道、弹性长枕埋入式无砟轨道等减振型轨道，此外还可以应用减振型扣件， 如单趾弹簧扣件，轨道减振器，v o s s h o l 3 0 0 ，v a n g u a r d 等减振型扣件。随着高速铁路的 发展，这几种扣件类型应用越来越广泛，单趾弹簧扣件在广州地铁的使用，v a n g u a r d 扣件在广州地铁1 号和2 号线的使用，德国的科隆蛋在香港西铁的使用等等。 1 单趾弹簧扣件 单趾弹簧扣件为无挡肩分开式弹性扣件，它采用单趾弹簧作为扣压件，通过单趾 弹簧的弹性变形产生扣压力，其扣压力稳定，不受扣件其它零部件松动的影响，从而 提高了地铁运营的安全性。扣件具有调距、减震、减噪、绝缘及弹簧止退等功能，如 图1 1 5 所示。 2 轨道减振器 轨道减振器具有体积小、隔振效果好、疲劳寿命长等优点。根据受载特性，轨道 减振器的基本结构可分两类：一类是利用橡胶的剪切变形来提供弹性的剪切型结构， 适合在载荷不大但隔振要求较高的地段使用；另一种是利用橡胶的压缩变形来提供弹 性的压缩型结构，适用于载荷较大但隔振要求不高的地段使用。从2 0 世纪3 0 年代开 始，轨道减振器就已经在国外发达国家的地铁、轻轨上大量使用，取得了较好的隔振 及承载效果，如图1 1 6 所示。 图卜1 5 单趾弹簧扣件立、平面图图1 - 1 6 轨道减振器 3 v o s s h o l 3 0 0 扣件 v o s s h o l 3 0 0 钢轨扣件系统，主要有f f 3 0 0 承轨槽式和d f f 3 0 0 承压基板式2 种。扣 件结构为双层弹性结构，即具有轨下垫层和弹性基板两层弹性层。一般设置承轨槽( 挡 西南交通大学硕士研究生