（环境工程专业论文）有碴轨道结构的隔振分析.pdf

j 匕京交通大掌硕士掌位论文 v 8 7 9 2 7 3 摘要 近年来，随着经济的发展，城市轨道交通在我国各大城市快速发展，与 此同时由城市轨道带来的振动和噪声问题越来越引起人们的重视。城市轨道交 通对振动噪声问题有较高的要求，因此，对城市轨道的减振研究就很有必要。 本文首先叙述了轨道结构振动的产生原因及环境振动的评价指标。通过对 国内外资料的分析，认为轮轨噪声是城市轨道交通噪声的主要组成部分，要 对轨道交通减振降噪，降低轨道结构的振动是关键。之后，介绍了有碴轨道的 使用情况及隔振垫层的原理。 根据轨道结构及振动的理论，建立了在移动荷载作用下有碴轨道结构振 动简化模型。在一系列假定和考虑轨道不平顺的基础上，利用a n s y s 语言编 制了移动荷载作用的程序，得到了钢轨、轨枕、道床加速度以及基础反力等。 其中轨道不平顺是以外部激励的形式输入的。通过增加轨枕垫和道碴垫，最终 得出轨枕垫和道碴垫对钢轨、轨枕和轨下基础的影响。利用a n s y s 软件，研 究了在不同车速，不同垫层刚度的情况下，轨道结构的动力响应变化，从而确 定合理的取值范围。 然后，用有限元法分析列车、轨道、桥梁结构的动力相互作用。研究了 不同隔振垫层刚度的情况下，轨道结构的动力响应。 本文最后总结了本文的主要工作内容，通过对仿真计算结果的分析，对 有碴轨道的设计提出了建议。 关键词：有碴轨道；垫层；隔振；a n s y s ；有限元法 ! 兰竺兰竺塑竺! 苎竺竺 1 i ir e c c n ty c a r s ，w i mt h ed e v c i o p 哪e n to fe n o m i c s ，m e o1 i 眦sd c v e l o p q u i c l 【l yi nm 趾yb 追c i t i c s a tt l l em 啪t i i n c ，t h ev i b m t i 曲卸dn o i s ea r o u s e db y m n w a yt r a c kw e f ca c c u s e db yp e o p l e t h cr c q u i r e m e mt of o rl a w e rv i b r a t i 仰锄d n o i i nt l l eu r b a nr a j l t r 柚s i ti ss t r i d 柚dh i g h s o ，i ti sn e c c s s a r yt og c tf l l 】曲c r r e s e a r c hi nv i b f a t i o n a t f i r s t ，t h j s p a p c r d e s c t i b e d t i l c u s eo f i n d u c i o g t h e v j b f a t i o n o f 仃a c k s t n i c t u r c 柚dt h ei d i c c so fe v a l u a t i n ge n v i r o 姗e tv i b r a t i o n a f t e r 柚a l y z i n gt l i c d a t af r o mh o m ea i l da b m a d ，i ti sp o i n t c do u tt h a tt l l ew h e e v r a nn o i s ci st l l em a i n c o m p o s i t i o ni nt l l eu r b 柚m i lt r 柚s i t j s e ，柚dt h ek e yi st or e d u c et h cv i b m t i o f t h et r a c ks t m c t u r c t h e n ，t h i sp a p e rj n t r o d u c c st h eu s eo f b a l l a s t e dt r a c ka n dt h e p r i n c i p l eo fi s o l a t j o n1 e v e l s o nt h eb 勰i so ft l l et h e o r yo ft r a c ks t 九l d u 如dv i b r a t i o n ，as i m p l em o d e l b a l l a s t e dt r a c kv i b r a t i o ni se s t a b l i s h e du n d e rm o v j n gl 彻d a c r d i n gt oas e d a lo f a s s u m p t i o nw j t hc o n s i d e r i n gt r a c ki e g u l a r i t y ，t h ea c c e l e r a t i o n 柚db a s i s - r c a c t i o n a r eg a i n e d b ym e a i l s o ff i n j t e e l e m e n t 卸a l y s i 8p r o 掣啪a n s y s t h ei n p u t i 曲：g l l l a r i t i e so ft r a c ka r ej nf o 咖so fe x t c m a le x c i t a t i o n f i n a l l y ，t h ei n n u e n c eo f s l e 。p e rp a d sa n db a 儿a s tm a t st ot h eb a s i sj s0 b t a i n e dt h r o u g l la d d i n gs l e e p e rp a d s a i i db a u a s tm a t si nt h ep r o 酽a m t h 。p 8 p e rs t u d j e dt h ed y n a m i cr c s p o n s eu n d e rt h ei n n u e n c e so fs o m ef a c t o r s ， s u c ha st h e 8 p e e do ft h ev e h i c l e ，t h es t 珀h e s so ft h e t r a c kp a d s b yu s i n g a n s y s c o n s e q u e n t l yt h er a n g eo fr c a s o n a b l en u m 甜c a lv a l u ej sa i s oo b t a i n e d t h ed y n a m i ci n t e r a c t i o n sa m o n gam o v i n gt r a j n ，i t s s u p p o r t i n gr a i l w a yt r a c k s t 兀l c t u r ea n db r i d g es t n l c t u r eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gv e h i c l e t m c k _ b r i d g e i i j 匕京交通大国n 炙士掌位论文 e l e m e n t 髓ep a p c rs t u d i e dt h ed y n 枷i cr c s p o n s eu n d e rt l i ej i l f l u c n c c so ft h e s t i f i l e s so ft h et r a c kp a d s f i n a l l y t i l i sp a p 盯s u m m a r i z e st h em a i nw o r ko ft 量l ep a p e lt h ea d v i c e sa b o u t t l l ed e s i g no ft l l eb a l l a s t c dt m c ka r e 垂v e na f t e r a l l a l y z i n gt h ee m u l a t o r 1 【e yw o r d s ：b a l l 勰t c dt n c k ；p a d s ；i s o l a t i o n ；a n s y s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 1 i l ：i 匕京交通大掌硕士掌位论文 1 1 引言 第一章绪论 本章阐述了我国近年来城市轨道交通的发展状况及其带来的噪声与振动 问题，并介绍了国内外针对轨道结构的减振降噪所采取的措施。重点介绍了有 碴轨道的减振措施，同时简要说明了本论文的主要研究内容。 1 2 研究背景及意义 城市轨道交通极大地方便了人民群众的出行，产生了显著的社会效益， 但同时也不可避免地给城市环境带来了诸如噪声、振动、电磁辐射、景观以及 r 照等方面的负面影响，其中以运营期的噪声、振动影响尤为突出。文献 1 中提到随着城市空间利用率的提高，多层高架道路、地下铁道、轻轨交通、高 速公路交通正日益形成一个立体的空间交通体系。如日本东京市内的交通道路 已多达5 7 层，离建筑物最短距离小到只有几米，加上交通密度的不断增加， 使得振动问题日益突出。过量的噪声和振动将严重影响人们正常的工作和休 息、损害身心健康、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。因此，在修建轨道交通的同时，如果不注意在敏感区段采取相应的减 振降噪措施，就难以达到国家的环境标准，影响沿线居民的生活质量。 在我国，随着现代化步伐的加快，交通系统大规模发展的趋势极为迅速。 由于城市轨道交通系统( 包括地下铁道和城市高架轻轨) 具有运量大，速度快， 安全可靠，对环境污染小，不占用一般道路等优点，已成为解决城市轨道交通 拥挤和减少污染的一种有效手段。国内已经拥有和正在建设的地下铁道系统的 城市越来越多，不少城市还在筹建轻轨交通系统。振动和噪声是城市轨道交通 一1 有硅轨道结构的隔报分析 影响环境的主要方面。随着近几年城市轨道交通的发展，列车速度不断提高、 轴重不断加大，铁路运营产生的振动与噪声对周围环境与居民的影响日渐加 大。而穿越市区的城市有轨交通和地下铁道产生的振动和噪声对居民的影响则 更加严重，人们对此问题也越来越重视。如北京、上海、广州这样的大城市， 铁路线离建筑物的距离小到只有几米，已有许多沿线居民对其引起的环境干扰 向有关部门投诉。因此，噪声和振动的污染防治成为城市环境保护的重要内容 之一。减小轨道交通的振动和降低噪声，是提高沿线居民的生活质量，使轨道 交通可持续发展的关键之一。 文献 2 中讲到国际上已把振动列为七大环境公害之一，并开始着手研究 振动产生的原因、污染规律、传播途径、控制方法以及对人体的危害等。在日 本，由于振动环境污染非常严重，在其“公害对策基本法”中，在明确振动为 七大典型环境公害之一的同时，规定必须采取有效措爨篓篱蕊誊i x j 匕京交通大粤明甄士掌位论文 高速铁路的噪臻星毕出吸裂；斟掣 箸馨露萝蔷蝌。沸壁阿疆湛隔童i 随；h 雕囊酵商蕊浦逼籀浩薹时j 溥哩噬氇薹 垮：峰谬1 0 l 讲音鞘淄涵捌 i i ；缫社船翼p 驯缪；刭匿移眦酬剽到趣，螂贫垫劈犁 丕臻一；辐嚣蕉塌。需挟荪毹辗酾鹱匪澎誊割j 酬剧蜊掣( 羹冀锄露雾霾酾；猷 勘鲆鹏鳕黼翮刃黝j 坩霪嘤燃结 构的振动措施方面可以采用增加阻尼 垫层的方法。阻尼垫层包括轨下垫层、枕下垫层、道碴下垫层。 轨下减振措施是在轨下直接放入减振的垫板或垫条。枕下减振措施是在枕 下安装弹性垫层，轨枕下垫层安放在既有线和新建线有碴轨道的轨枕下，用于 隔离由机车车辆引起的振动。隔振层多由微孔的弹性材料制造，通过调整材料 的类型与垫层的厚度可以调整垫层的刚度。道床下的减振即在道床下放入相应 性能的减振垫层。道碴垫安装在有碴轨道的路基面上，一般是由微孔弹性体制 成，同样地，调整材料的厚度和类型也可改变垫层的刚度。 2 2 隔振中振动的传递 对于单自由度隔振系统，主动隔振系统的运动微分方程式： ，”茗+ c量+ k x 一，0 s i n “ ( 2 - 1 ) 式中，c _ 一弹性支承的阻尼系数( n s m ) ： 肛一弹性支承的刚度( n h ) ； f 0 s i n 。f 扰动力。 方程式( 2 1 ) 的全解为： _ ( 割十c o s 需卜嘲n 需+ 忆国 + 工o 8 s i n 【6 甜一口) 1 3 x j 匕京交通大掌硕士掌位沦文 作用动力学分析的基础上。各个国家也都从轨下隔振、枕下隔振、道床下隔振 采取一系列的措施来降低轨道交通产生的振动和噪声。联邦德国在一座轻轨铁 路隧道内对5 种不同的道床系统进行了比较，发现各种道床系统的振动阻尼相 差甚远，在道碴内轨枕上用c o l o g 吐e 鹊扣件的阻尼效应为1 0 1 5 分贝，有 道碴下垫层和浮置轨道板的阻尼效应可高达3 0 分贝，但是阻尼效应只在某段 频率范围内有效。目前，国内外轨道振动和噪声控制措施主要有如下几个方面： 1 重型钢轨与无缝线路 采用无缝线路，即将标准轨焊接成长钢轨，减少钢轨接头数量，从而减少接 头处轮轨冲击引起的振动与噪声。据有关调查显示，无缝线路较有缝线路可降 低噪声约1 0 d b 。 2 扣件 文献【5 】中讲到铁道部科学研究院与北京市城市建设研究院就几种常用轨 道减振型扣件进行了研究，方法为锤击法，结论为：同样荷载下，d t i i i 型扣 件在6 0 1 6 0 频段加速度传递函数值较d ti 型扣件减少5 1 0 分贝。d t 型 扣件传至道床加速度值是d ti 型扣件的5 5 2 。在4 0 1 2 0 i z 范围内振动降低 1 0 分贝左右，2 0 0 4 8 0 h z 范围内振动降低约1 7 分贝，d f 9 0 型扣件道床加速度 传递函数值较d ti 型扣件减少1 5 3 0 分贝，较d t i i i 型扣件减少l o 2 0 分贝。 c o l o 卸e - e g g 弹性扣件是在减振要求较高地段采用的轨道减振器扣件( 图 l 。1 ) 。该扣件的承轨板与底座之间用减振橡胶硫化粘贴在一起，利用 x 有碴轨地结构的隔振分析 2 3 轨道结构计算模型 2 3 1 轨道计算模型的发展 模型的发展受计算能力、模拟目的和所需数据制约。由于轨道结构本身的 复杂性和轮轨系统极强的耦合性，要详细了解轨道和车辆工作状态，计算模型 会相当复杂，而且需要大量难以确定的参数，这就迫使各个时期的研究工作不 得不在计算能力的限制下尽量合理简化模型。所以，针对不同的问题，有不同 的模型，随着计算能力提高，模型中考虑的因素越来越多，模型也越来越完善。 根据模型的主要作用和特点，可以分为三类：等效集总参数模型、连续弹性支 承无限长梁模型、点支承梁模型，具体分类如图2 1 所示。 图21 轨道动力分析模型框图 1 等效集总参数模型 - 1 6 ：i 匕京交通大掌硕士掌位论文 等效集总参数模型是依据一定的等效原则，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弹簧阻尼集总参数 简化模型。 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率推算等效 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；另一种变换原则是在确定等效质量时，要求弹性基础梁分布质量的动能与 集总质量的动能相等，而在确定等效弹簧刚度时，要求荷载作用下弹性基础梁 的静挠度与集总参数模型的静挠度相等。 但是，集总参数模型较之分布参数模型具有很大的局限性，一般只能分析 轨道参数均匀分布条件下的轮轨动力问题，且集总简化所导致的数值误差难免 很大。 2 连续弹性支承无限长梁模型 6 0 年代提出连续弹性支承无限长梁模型，于8 0 年代发展起来。连续弹性支 承无限长梁模型是分析轨道动力特性使用较早的动力模型，主要用于分析轨道 结构整体的动力特性及动力响应，求钢轨的动弯应力，轨下基础各部分的附加 动力及振动加速度。该模型是将钢轨当作无限长欧拉梁，轨下基础不计质量， 简化为弹簧，如图2 2 。 图2 2 单层连续弹性无限长梁模型 连续弹性支承梁模型简单，计算参数少。随着混凝土轨枕，轨枕板的应用， 轨枕的质量占很大比重，同时对扣件要求的不断增加，模型发展为两层，如图 2 3 。该模型的缺点是不能反映轨道间断支承和轨枕失效时的振动特性。 一1 7 j l ：京交通大掌硕士掌位论文 2 3 2 轨道动力计算模型 在分析有碴轨道结构动力特性时，建立钢轨轨枕道床地基系统的竖向振 动计算模型。 针对有碴轨道结构动力特性计算模型时，主要遵循以下基本假设和原则： ( 1 ) 基于实际问题并考虑到轨道结构竖向振动系统动力学分析是个相当复 杂的问题，本文采用二维平面模型进行仿真计算。这样可以减小分析的计算量， 而且对最后计算结果的影响也不是很大。 ( 2 ) 轨道部分是由钢轨、轨枕、道床、路基组成的三层点支承梁模型。 ( 3 ) 钢轨视为连续支承e u l e r 梁。 ( 4 ) 扣件、枕下道床的支承弹性及路基弹性分别用等效的弹性刚度系数和 阻尼系数表示。 ( 5 ) 轨枕和道床质量被离散化为集中质量块。 ( 6 ) 车辆采用整车模型，列车采用轻轨车，车长1 6 8 m ，总长8 1 m 。 2 4 轨道结构的动力理论 轨道被当作连续支承无限长e u l e r 梁，在实际处理中，常常将钢轨堪称有 限长简支梁。 1 钢轨振动微分方程 设钢轨的振动位移变量为z r 0 力，钢轨弹性模量e ，截面惯量，则其振动 微分方程为： 一1 9 一 掣嚣 有堡塾兰竺塑竺! 苎竺竺一 一 志中： 凡，t ) 。k 一【z ，k ，f ) 一z 。( t ) 】+ c 一位，b ；，f ) 一2 “o ) j ( 2 6 ) 式中：乙( 矿嘲轨振动位移( m ) 。 为将其转化为二阶常微分方程组，采用鼬乜法。引入钢轨正则振型坐标 d ，应用简支梁的正则振型函数，可得相应于本模型条件的钢轨振型： 喇i j 嘉咖字 2 。乃 则方程( 2 6 ) 的解可写为： z ，笠k b h ( f ) ( 2 - 8 ) 则钢轨振型坐标方程组的详细形式为： 坑( r ) + 薹c k k 蓬k k h ( f ) + 筹( 竽) 4 口朋+ 薹k k x j 匕京交通大掌硕士掌位论文 m 。2 。( f ) + h + c ，+ 2 c 。访。( f ) + k + + 2 也k 。o ) 一 吒2 。( f ) 一z 。( f ) 一c 。+ ，) ( f ) 一k 。z 帅) o ) 一( 2 1 1 ) c 。2 。“一，】( f ) 一k 。z 。“一。) ( f ) 一o ( f = 1 忉 此即轨道结构的动力学理论。 一2 1 有碴轨递结籀的隔舞分析 第三章有碴轨道结构的动力仿真计算 3 1 有碴轨道结构的计算参数 本文采用轻轨列车，轨道采用6 0 k m 钢轨，车长1 6 8 m ，总长8 1 m a 主 要参数包括基本计算参数和轨道不平顺谱。 3 1 1 基本计算参数 有碴轨道结构的相关计算参数如表3 1 所示。 衰3 1 有磕轨道计算参数 表3 一 有磕轨道计算参数 参数符号数据单位 钢轨弹性模量 e 2 0 5 9 x 1 0 1 1 n m 2 6 0 公斤钢轨 f 3 2 1 7x 1 0 4 m 4 垂向惯性矩 钢轨截面积 a 7 7 4 5 x 1 0 4 m 2 钢轨高度 ho 1 7 6m 钢轨的泊松比 “ 0 - 3 钢轨密度 p 7 8 3 1 0 3 k g ，m 5 扣件刚度 x p 1 - o 1 0 8 n ，m 扣件阻尼 c p 7 5 x 1 0 4 n s m 轨枕质量 肼。 1 2 5 5 k g 轨枕问距 ，0 6m 2 2 j l ：京交通大掌硕士掌位论文 道床剐度 蚝 1 5 x 1 0 8 n 恤 道床阻尼 g 5 8 8 1 0 4 n “m 道床质量 m b 6 6 0 k g 路基刚度 k f 1 7 1 0 8 n ，m 路基阻尼 c f 3 1 1 0 4 n s ，m 轨枕垫刚度 k 。 1 3 3 1 0 8 2 2 4 x 1 0 8 n 加 轨枕垫阻尼 c ，l 5 o 1 0 4 n s m 道碴垫刚度 蚝。 3 2 6 x 1 0 8 7 6 x 1 0 8 n m 道碴垫阻尼 巳。 4 8 1 0 4 n s ，m 轴重1 4t 赫兹弹簧刚度 4 4 1 0 9 n m 3 1 2 轨道不平顺 文献f 7 】提到铁路轨道是边运营边维修的工程结构物，有碴轨道在长期的 运营过程中，由于积累变形不断增大，形成了各种各样的轨道不平顺，包括轨 道高低不平顺，轨道方向不平顺，轨道轨距不平顺。国内外的实测资料表明， 轨道不平顺本质上是一个随机过程，在轨道结构仿真分析中常将其处理成平稳 的各态历经的随机函数。由于存在轨道不平顺，运行中的机车车辆将产生振动， 根据车辆一轨道耦合动力学原理，机车车辆的振动又反过来作用于轨道，从而 引起轨道系统的振动。由于它存在于轮轨接触面上，将导致了车辆、轨道系统 的耦合振动，直接影响到轮轨动力作用、钢轨加速度等。轨道不平顺对列车的 2 3 有硅轨地结构的隔舅l 分析 运行品质和舒适度均有显著的影响。 轨道不平顺统计特征的测定，在国外早已引起重视。英国铁路部门1 9 6 4 年就开始了这项研究工作，是世界上开展这一科研活动最早的国家之一。 1 美国功率谱 美国联邦铁路管理局f r a 根据大量实测资料得到线路不平顺功率谱密度， 并将其拟合成一个以截断频率和粗糙度常数表示的函数。这些函数适用波长 1 5 2 4 m ，3 0 4 8 m ，轨道级别分为六级。 轨道高低不平顺( 钢轨顶面沿轨道延长的高低不平顺) 嘶) 一孝岳锄2 一 d 式中：s ，0 ) 轨道不平顺功率谱密度( c m 2 m r a d ) ； 空间频率( i a 州m ) ； 截断频率( r a d ，m ) ； 4 粗糙度系数( a i l 2 m r a d ) 与线路等级有关，详见表3 2 ，t 一般取0 2 5 。 表3 2 美国轨道谱不平顺参数 参数各级轨道的参数值 符号 单位123456 一。 c r m r a d1 2 1 0 71 0 1 8 10 - 6 8 1 60 5 3 7 6 0 2 0 9 50 0 3 3 9 r a 妇o 8 2 4 5 0 8 2 4 50 8 2 4 5 0 8 2 4 5 o 8 2 4 5 0 8 2 4 5 q 2 三角级数法 设平均值为。的平稳高斯过程q o ) ，有功率谱密度函数s ，) 。_ t ) 的抽 样函数可以利用三角级数模型近似地模拟。 一2 4 j i ：京交通大掌硕士掌位论文 ( 5 ) 轨枕和道床质量被离散化为集中质量块。 ( 6 ) 车辆采用整车模型，列车采用轻轨车，车长1 6 8 m ，总长8 1 m 。轴距 如图3 1 所示。 29 423 429 62 图3 1 轻轨车辆模型 2 有限元模型的建立 轨道结构有限元模型的建立采用美国a n s y s 公司的大型通用有限元结构 分析软件a n s y s 进行仿真计算。a n s y s 具有功能强大、用户界面友好和前 后处理完善等特点。 轨道模型为三层质量弹簧阻尼器系统支持的弹性长梁，其中弹性 长梁按有限元处理，模拟钢轨：三层质量弹簧阻尼器系统分别模拟轨 枕、道床和垫层。采用a n s y s 进行仿真计算时材料分别选用粱单元( b e a m ) 、 弹簧阻尼单元( c o m b i n ) 、质量块单元( m a s s ) 。采用b c 锄模拟钢轨，扣件、 道床弹性、路基弹性采用c o m b i n 模拟，轨枕与道床采用m a s s 模拟。模型如图 3 2 所示。综合考虑积分步长划分单元。 图32 有碴轨道结构的模型 一2 7 f蠹豺 】_ j 1 垂= 泣 一 毒蠹型f 有碴轨道结构的隔舅l 分析 3 3 计算结果 a n s y s 瞬态动力学分析( 亦称时间历程分析) 是用于确定承受任意的随 时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可用瞬态动力学分析确定结构在 静荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变及 力的变化规律。它使用n e w m a r k 时问积分方法在离散的时间点上求解动力学 基本运动方程。a n s y s 瞬态动力学分析可采用三种方法：完全法( f u n ) 、缩放 法( r e d u c e d ) 及模态叠加法( m o d a ls u p e r p o s i 怕n ) 。f u u 法采用完整的系统矩阵 用n e w m a r k 法计算瞬态响应( 没有矩阵缩减) 。由于该方法功能强大，本 文采用完全法，即采用完整的系统矩阵计算瞬态响应。 瞬态动力学的基本运动方程式为： 瞳】5 = f + c ) + k 取) 一 f ( f ) ) 其中：瞳 质量矩阵；【c 阻尼矩阵； k 】刚度矩阵；每 节点加速度向量； 恤 节点速度向量；缸 节点位移向量 采用完全法进行瞬态动力学分析的步骤主要分为：( 1 ) 建模；( 2 ) 指定分 析类型和分析选项；( 3 ) 施加荷载；( 4 ) 保存当前荷载步文件并开始求解：( 5 ) 提取、分析结果。 在模型建好后，需要对结构施加荷载。荷载为随时间变化的随机荷载，需要指 定荷载步，然后要指定后继的瞬态荷载及加载步选项。对于每一个荷载步，需 要指定荷载值和时间值，最后将每一个荷载步写入文件。由于对结构施加荷载 需要上千步，因此不同于依次从图形界面( g u l ) 中选择等效的选项来求解， 本文通过a n s y s 提供的a p d l 语言编制命令流文件进行瞬态响应分析。 一2 8 j l ：京交通大掌硕士掌位论文 3 3 1 行车速度跆砷k 驯h 时有碴轨道的动力响应 当行车速度为6 0 h l h 时，提取轨道结构中部结点所得的仿真计算结果如图 3 3 3 6 所示。 1 钢轨 童 鎏 妻 晤 宙 宅 赵 簧 筐 嘲 鑫 晤 时间t ( s ) ( a ) 钢轨的垂向位移时程图 ik k k 1 r r 1r 1 r - r j 匕京交通大掌硕士掌位论文 3 道床 差 茵 姆g 叵 悯 耀 磊 p 鼍 越 搀g 最 高 幕 l lil il il r 1 1 1 f 时间t f s 、 轨枕的垂向速度时程图 ( c ) 轨枕的垂向加速度时程图 图3 4 轨枕的时程图 一3 1 有碴轨道髭日的隔振分析 eo ” 潍 g “” 郴 长0 熠 芒 函 因 匠 翎 长 磐 r 笔 蠢 矧 届 匣 蝴 崔 捌 l il ji l 删 k ik k ， r ir i r l甲1 _ 34 5e7 时间( t ) ( a ) 道床的垂向位移时程图 b 间t f $ 、 道床的垂向速度时程图 j j - ll il - j l 1 r r lii r lr lir 1r 1 时间( t ) ( c ) 道床的垂向加速度时程图 一3 2 ! 曼 哪 一 一 蚴 有砖轨道结构的隔舅l 分析 由此可见，准静态的情况下，轨道结构的动力响应最小，线路级别越高， 轨道结构的动力响应特性越小：级别越低，动力响应特性越大。五级线路明显 优于四级线路。 3 3 3 车速对有碴轨道结构动力特性的影响 轨枕垫的刚度采用1 3 3 x 1 0 8n 细，道碴垫的刚度采用3 2 6 1 0 8n 抽，以下 分析了当列车速度分别为6 0 、8 0 、1 0 0 l m l h 时对有碴轨道结构系统动力特性 的影响。并提取钢轨、轨枕、道床及地基反力的垂向位移和垂向加速度的最大 值，如表3 和3 7 所示。 1 钢轨 当列车速度分别为6 0 、8 0 、1 0 0 k i n l l 时，钢轨的垂向动力响应如表3 4 所 刁i 。 表3 4 行车速度对钢轨动力特性的影响 车速( k l i 油) 6 0 8 01 0 0 无垫层的钢轨垂向位移( m m ) 3 4 5 73 4 7 43 4 9 8 加轨枕垫的钢轨垂向位移( 蛐) 3 6 3 6 3 6 4 94 1 5 6 加道碴垫的钢轨垂向位移( 咖) 3 1 5 33 3 6 13 4 “ 无垫层的钢轨垂向加速度( m s 2 ) 4 4 7 17 7 3 91 3 1 3 8 加轨枕垫的钢轨垂向加速度( m s 2 ) 5 0 0 88 5 3 11 3 7 9 9 加道碴垫的钢轨垂向加速度( m s 2 ) 5 7 5 98 1 7 61 4 9 0 8 3 4 j 匕京交通大掌硕士掌位论文 鼍 嚣 瑙 墨 蝴 委 7 0 车辆行驶速度( k m ，h ) ( a ) 行车速度对钢轨垂向位移的影响 车辆行驶速度( k m m ) ( b ) 行车速度对钢轨垂向加速度的影响 图3 ，7 行车速度对钢轨的动力响应 如图3 7 所示，随着车辆行驶速度的增加，钢轨的垂向位移和垂向加速度 均增加。同时，加轨枕垫的钢轨垂向位移增加最大，约为1 1 ，加道碴垫的 钢轨的垂向位移增加最小。 2 轨枕 随着列车行驶速度的增大，轨枕的动力特性提取如表3 5 所示。 表3 5 行车速度对轨枕动力特性的影响 一3 5 11j11jj1j1|j1j1ji ” ” ： ” ； 一ee一簿鐾黼蒜幂 有碴轨地结构的隔舅e 分析 车速o 【m h ) 6 08 0 1 0 0 无垫层的轨枕垂向位移( m m ) 1 9 5 11 9 9 72 4 1 6 加轨枕垫的轨枕垂向位移( 蛐) 2 2 1 32 6 4 02 8 0 2 加道碴垫的轨枕垂向位移( m 皿) 2 4 3 72 4 4 02 5 3 8 无垫层的轨枕垂向加速度( 】吖s 2 ) 3 3 2 55 3 4 51 0 2 5 3 加轨枕垫的轨枕垂向加速度( m ，s 2 ) 4 5 4 67 1 8 91 4 0 4 0 加道碴垫的轨枕垂向加速度 5 6 3 77 3 7 21 3 0 5 2 e o7 0 1 车辆行驶速度( k m m ) ( a ) 行车速度对轨枕垂向位移的影响 3 6 一 ，。、。，。，。，。l ：= ：暑 弱 “ ： ” 纠 ：三 伯 苫e一鎏唧#蒜 伯卯 一、m宅一越硝曩星蝴萋 j 匕京交通大掌硕士掌位论文 ( b ) 于亍车速度对轨枕垂向加速度的影响 圈3 8 行车速度对轨枕的动力响应 随着车辆行驶速度的增加，轨枕的垂向位移和垂向加速度均增加，如图 3 8 所示。 3 道床 道床的垂向动力响应特性随列车行驶速度的变化如表3 6 所示。 表3 6 行车速度对道床动力特性的影响 车速o 珊i h ) 6 08 01 0 0 无垫层的道床垂向位移( m m ) 1 3 5 11 4 7 51 5 9 6 加轨枕垫的道床垂向位移( 蛐) 1 1 9 l1 2 7 91 4 7 5 加道碴垫的道床垂向位移( m m ) 1 5 6 51 9 5 5 2 1 2 0 无垫层的道床垂向加速度州s 2 ) 2 6 0 63 6 9 07 3 2 8 加轨枕垫的道床垂向加速度( m s 2 ) 2 2 8 33 5 9 17 0 6 0 加道碴垫的道床垂向加速度( n l s 2 ) 2 4 2 92 4 2 4 6 8 2 5 车辆行驶速度( k m ，h ) ( a ) 行车速度对道床垂向位移的影响 3 7 一 托 ” 协 ” ” 一e量蓼丽基媾 有碴轨道结构的隔振分析 蜊 删 曩 罂 捌 7 0 车辆行驶速度( k m ，h ) ( b ) 行车速度对道床垂向加速度的影响 图3 9 行车速度对道床的动力响应 如图3 9 所示，随着车辆行驶速度的增加，道床的垂向位移和垂向加速度 ，增加。同时，加道碴垫的道床垂向加速度增加斜率最高。加了道碴垫后轨枕 】垂向位移增大，垂向加速度减小。 地基反力 行车速度对地基反力的影响较大，如表3 7 所示。 表3 7 行车速度对地基反力的影响 车速( k m 1 1 ) 6 08 01 0 0 无垫层的地基反力( k n ) 2 2 02 2 52 6 4 加轨枕垫的地基反力( k n ) 2 0 12 2 02 5 3 加道碴垫的地基反力( 】【n ) 1 9 62 0 7 2 3 4 3 8 j l ：京交通大掌硕士掌位论文 3 x o 3 x o 3 x l o 芝a o 意a ，o $ 鞠2 1 0 簧 2 x o 2 x 1 0 2 x 0 车辆行驶速厦( k m ，h ) 图3 1 0 行车速度对地基反力的影响 随着车辆行驶速度的增加，地基反力增大。同时，速度在6 肌8 0 l 【i i 汕时， 加了垫层后。地基反力增加速度变缓；8 0 h 1 l l 以上地基反力增加的速度变化 不大。同时，加了垫层后，地基反力均有所减小，从图3 1 0 可以看出，加道 碴垫的减小更明显些。 3 3 4 垫层刚度对有碴轨道结构动力特性的影响 行车速度皓6 0 l 【l i 沛时，垫层剐度对轨道结构动力特性的影响，如表 3 8 3 1 2 所示。 1 轨枕垫刚度对轨道结构动力特性的影响 ( 1 ) 轨枕垫刚度对轨道结构位移的影响 加轨枕垫后轨枕垫的刚度大小对有碴轨道结构的动力特性有很大的影响， 轨道结构的垂向位移受轨枕垫刚度大小的影响如表3 8 所示。 表3 8 轨枕垫刚度对轨道结构垂向位移的影响 轨枕垫刚度( 1 0 8 n m ) 1 3 31 6 01 8 02 0 02 2 4 钢轨垂向位移( m m ) 3 6 3 63 6 6 83 6 8 33 6 8 9 3 6 9 0 轨枕垂向位移( m m ) 2 2 1 32 1 4 72 1 4 5 2 1 3 9 2 1 2 8 3 9 、。，。，。，；。、。l 有碴轨道结构的隔振分析 4618 2022 轨枕垫刚度( x1 0 8 n ，m ) ( a ) 钢轨垂向位移 轨枕垫刚度( x1 0 8 n ，m ) ( b ) 轨枕垂向位移 4 0 瑚 一 一 一 一 一 一 一euj一鳘蝴蕻幂 一 砼 伯 鸺 住 2 2 2 2 2 2 一euj一潍h崔榔。纂 ：i 匕京交通大掌硕士掌位论文 12 1e18z 口 y zz 轨枕垫刚度( x10 8 n ，m ) ( c ) 道床垂向位移 图3 1 1 轨枕垫刚度对轨道结构垂向位移的影响 如图3 1 1 所示，随着轨枕垫层刚度的逐渐增大，除轨枕垂向位移有减小 的趋势外，钢轨及道床的垂向位移均增大。 ( 2 ) 轨枕垫刚度对轨道结构加速度的影响 轨枕垫刚度对轨道结构加速度也有一定的影响，具体如表3 9 所示。 表3 - 9 轨枕垫刚度对轨道结构加速度的影响 轨枕垫刚度( 1 0 8 n 细) 1 3 31 6 01 8 02 0 02 2 4 钢轨垂向加速度( m s 2 ) 5 0 0 8 4 9 1 04 8 5 248 - 0 44 7 5 8 轨枕垂向加速度( m s 2 ) 4 5 4 64 3 5 1 4 2 3 24 1 3 34 0 4 8 道床垂向加速度( m s 2 ) 2 2 4 32 2 6 82 2 8 42 3 0 92 3 3 6 4 1 二 一 拂 “ 控 倡 一量j)挎澎罂ll 有碴轨道结构的隔报分析 鼍4 魁 制4 3 墨。： 翎 蜒 ：蒜4 1 618202 2 轨枕垫刚度( x1 0 8 n ，m ) ( a ) 钢轨垂向加速度 飞n 232 b 丛 230 删 匿 2 2 8 凄 61e2 o2 2 轨枕挚刚席f x10 8 n ，m 、 轨枕垂向加速度 轨枕垫刚度f x10 8 n ，m 、 ( c ) 道床垂向加速度 4 2 ( ，量越斓 一 星巢驿 j 匕京交通大掌硕士掌位论文 图3 1 2 轨枕垫刚度对轨道结构垂向加速度的影响 如图3 1 2 所示，轨枕垫刚度的增加对道床的垂向加速度有增大的作用， 对钢轨和轨枕的垂向加速度有明显的减小作用，变化的趋势较为平缓。 2 轨枕垫刚度对轨道结构的频谱特性分析 ( 1 ) 轨枕垂向位移频谱 ( a ) 不加垫层 ( b ) 轨枕垫k = 1 3 3 1 0 8 4 3 5 o 5 刚 一 挚星 。 有碴轨道结构的隔报分析 ( c ) 轨枕垫k = 2 2 4 1 0 8 图3 1 3 加轨枕垫的轨枕垂向位移频谱图 ( 2 ) 轨枕垂向加速度频谱 ( a ) 不加垫层 4 4 j 匕京交通大葺页士掌位论文 ( b ) 轨枕垫k = 1 3 3 1 0 8 ( c ) 轨枕垫k = 2 2 4 1 旷 图3 1 4 加轨枕垫的轨枕垂向加速度频谱分析 加了轨枕垫后，轨枕垂向位移的5 0 h z 频率附近振动的隔振效果较好，好 于o 3 0 h z 和6 0 以o h z 频段内的隔振效果。轨枕垂向加速度的4 0 5 0 h z 频率 减振的效果稍好。如图3 1 4 3 1 4 所示。 ( 3 ) 道床垂向位移频谱 一4 5 有碴轨道结构的栩期匕铲析 暑o 7 5 o o0 0 0 1 5 0 00 0 0 1 2 5 ( a ) 不加垫层 。 ” f 陀q u 晶c y ( h z ) ” ( b ) 轨枕垫k - 1 3 3 1 0 8 4 6 一 一 一 o o 一 一 一 。口参4黾 | 耋 哪 ：l 匕京交通大学硕士掌位论文 ( c ) 轨枕垫k = 2 2 4 1 0 8 图3 1 5 加轨枕垫的道床垂向位移频谱分析 ( 4 ) 道床垂向加速度频谱 ( a ) 不加垫层 ( b ) 轨枕垫k = 1 3 3 1 0 8 4 7 有碴轨道结构的隔朔l 分析 ( c ) 轨枕垫k - 2 2 4 1 舻 图3 16 加轨枕垫的道床垂向加速度频谱分析 道床的垂向位移振动中的5 0 一枷z 频段内的隔振有明显降低，3 4 0 h z 页段振动的隔振也有所降低。道床的加速度在加了轨枕垫后，隔振效果较为明 t ，且垫层的刚度的变化对隔振效果影响不大。如图3 1 5 3 1 6 所示。 道碴垫刚度对轨道结构动力特性的影响 ( 1 ) 道碴垫刚度对轨道结构位移的影响 表3 1 0 道碴垫刚度对轨道结构位移的影响 道碴垫刚度( 1 0 8 n m ) 3 2 64 5 05 5 06 5 07 6 0 钢轨垂向位移( m m ) 3 1 s 33 2 0 23 2 8 9 3 3 0 83 3 1 5 轨枕垂向位移( m m ) 2 4 3 72 3 8 92 3 4 6 2 2 4 52 1 1 7 道床垂向位移( m m ) 2 2 6 52 2 4 12 1 4 81 9 3 01 7 5 1 4 8 有碴轨道翻n 留的隔振分析 ( c ) 道床垂向位移 图3 1 7 道磕垫刚度对轨道结构垂向位移的影响 随着道碴垫刚度的加大，钢轨的垂向位移加大，轨枕与道床的垂向位移减 i 、，最大增加为5 1 ，如图3 1 7 所示。 ( 2 ) 道碴垫刚度对轨道结构加速度的影响 表3 1 1 道磕垫刚度对轨道结构加速度的影响 道碴垫刚度( 1 0 8 n m ) 3 2 64 5 05 5 06 5 0 7 6 0 钢轨垂向加速度( m ，s 2 ) 5 7 5 95 0 9 9 5 0 2 45 0 0 9 4 9 4 8 轨枕垂向加速度( m ，s 2 ) 5 6 3 7 4 9 2 8 4 4 5 83 9 2 8 3 8 8 0 道床垂向加速度( 】n s 2 ) 2 4 2 92 3 7 52 2 5 21 7 0 51 2 6 0 45b 道碴垫剐度( x1 0 8 n ，m ) ( a 钢轨垂向加速度 5 0 三 驰 “ 跎 拈 一。鼍一划蜊嚣足器器 j 匕京交通大掌硕士掌位论文 图3 1 9 加道碴垫的轨枕垂向位移频谱分析 ( 2 ) 轨枕垂向加速度频谱 ( a ) 不加垫层 嘞道碴垫k = 3 2 6 x1 0 8 5 3 有碴轨道结构的隔振分析 ( c ) 道碴垫k = 7 6 0 1 0 s 图3 2 0 加道碴垫的轨枕垂向加速度频谱分析 加道碴垫后对轨枕垂向位移及垂向加速度均有一定的效果，如图 1 9 2 0 所示。对轨枕垂向位移的6 肌8 0 频段振动的隔离效果不如4 0 6 0 频 2 内的隔振。 ( 3 ) 道床垂向位移频谱 口 兰 厶 e f r e q u e n c y ( h z ) ( a ) 不加垫层 5 4 篓蚕霉摹藿薹善霆l 墓璧妻 51 2 墓蟊耋 薹二! 喜羹娄囊墓