（道路与铁道工程专业论文）隧道内钢弹簧浮置板轨道结构振动特性及其对环境影响的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：浮置板轨道结构是近年来在我国应用的一种新型减振降噪轨道结构， 在我国以及世界各国城市轨道交通中均被广泛采用，而对浮置板轨道振动力学特 性的深入研究可以为将类似产品的国产化提供理论参考。本文以北京地铁1 3 号线 和5 号线铺设的钢弹簧浮置板轨道为研究背景，参考现有的浮置板轨道方面的文 献研究资料，建立了浮置板轨道动力学有限元分析模型，从模态振型、固有频率、 传递特性、移动荷载作用下的动力响应及环境影响评价四个方面分析了浮置板轨 道结构的振动特性，详细地研究了浮置板轨道结构在不同参数影响下的动力学性 能以及隔振效果。 首先建立浮置板轨道结构的三维模型，进行了模态分析和传递特性分析，综 合评述了此种轨道结构形式参数变化对系统隔振效果和设计优化的影响。 建立钢轨一浮置板道床一隧道基础二维动力学有限元模型，将不平顺因素的 影响引入到模型中，分析了移动列车荷载作用下浮置板轨道结构的动力学特性， 详细阐述了轨道各部分参数对于计算结果的影响。 建立隧道土体二维动力学有限元模型，进行了将浮置板轨道结构应用于隧 道内的振动环境影响评估，并与实测结果进行了对比分析，验证了模型的正确性。 本文从不同角度分析了浮置板轨道的力学特性，并提出了系统参数的建议取 值范围，可以为浮置板轨道结构的国产化和设计优化等方面的工作提供理论参考。 关键词：浮置板轨道结构减振降噪模态分析谐振分析动力学分析 环境影响评估 分类号：u 2 1 3 1 a b 趼r a c ba ssn e wt y p eo ft r a c ks t r u c t u r ew i t hl o w e rn a t u r a lf r e q u e n c y , f l o a t i n gs l a b t r a c k sa r ew i d e l yu s e di no u rc o u n t r ya n da l lo v e rt h ew o r l d a n dt h es t i i d yo ft h ev i b r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i co ft h ef l o a t i n gs l a bt r a c kc o u l dp r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h eh o m e m a d eo ft h e s i m i l a rp r o d u c t i o n s t a k i n gt h es t e e l - s p r i n gf l o a t i n gs l a bt r a c ko ft h eb e i j i n gs u b w a y1 3a n ds u b w a y 5a st h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c h , t h ed y n a m i ce l e m e n tf l o a t i n gs l a bt r a c km o d e i sa r ee s t a b l i s h e d w i t hc o n s u l t i n go ft h ec o r r e l a t i v el i t e r a t u r ea n ds t u d yd a t a d or e s e a r c hf r o m5a s p e c t so fv i b r a t i o n t y p e s , n a t u r a lf r e q u e n c y , t r a n s f e rp r o p e r t y , d y n a m i c a lr e s p o n s ew i t hm o v i n gl o a d sp a s s i n gt h o u g h a n de n v k o n m e n t a le s t i m a t i o nt oa n a l y s et h ev i b r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o a t i n gs l a bt r a c k , a n d m a k et h ee l a b o r a t ee x p l a n a t i o n so fd y n a m i cp r o p e r t ya n di t sv i b r a t i o ni s o l a t i o ne f f e c tw i t hi t s p a r a m e t e r sc h a n g e ， m a k em o d a la n a l y s i sa n dt r a n s f e rp r o p e r t ya n a l y s i st oo ff l o a t i n gs l a bt r a c kb ye s t a b l i s h i n g3 d m o d e li no r d e rt oe x p a t i a t et h ev i b r a t i o nr e d u c t i o np r i n c i p l eo fs y s t e ma n dt h ei n f l u e n c et oo p t i m i z e t h ed e s i g nb yc h a n g i n gt h es y s t e mp a r a m e t e r s b ye s t a b l i s h i n g2 dd y n a m i ce l e m e n tm o d e lo ff l o a t i n gs l a bt r a c ki no r d e rt om a k et h ed y n a m i c a n a l y s i so ft h ef l o a t i n gs l a bt r a c ks y s t e m sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s , t a k et h et r a c k so r i g i n a l i r r e g u l a r i t i e si n t oc o n s i d e r a t i o n s , a n dg i v et h ee l a b o r a t ed e s c r i p t i o no ft h es y s t e m sp a r a m e t e r s w h i c hi t sv a r i a t i o nc o u l di n f l u e n c et h er e s u l t s b ye s t a b l i s h i n g 2 dd y n a m i ce l e m e n tm o d e lo ft u n n e l - s o i l ，m a k et h ee s t i m a t i o no f e n v i r o n m e n t a li n f l u e n c ew i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ef l o a t i n gs l a bt r a c ki nt u n n e l s ，t h e nd r a wt h e c o m p a r i s o n so ft h et h e o r e t i cr e s u l tt ot h ea c t u a ls u r v e y e dd a t aa n dv e r i f i e dt h ec o n c t n e s so ft h e m o d e l t h ep r o p o s i t i o n a lr a n g eo ft h es y s t e m sp a r a m e t e r sa r eg i v e nb yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i so ft h ef l o a t i n gs l a bt r a c kf r o md i f f e r e n ta s p e c t s , a n dt h i sc o u l dp r o v i d eat h e o r e t i c a l r e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g na n dh o m e m a d eo ft h ef l o a t i n gs l a bt r a c k k e y w o r d s ：f l o a t i n gs l a bt r a c k ；v i b r a t i o nr e d u c t i o n ；m o d a la n a l y s i s ；h a r m o n i ca n a l y s i s ； d y n a m i ca n a l y s i s ；e s t i m a t i o no f e n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e c l a s s n 0 ：u 2 1 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师躲辟吾 签字日期：年月日 签字日期： 1 年f 2 月7 日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 e t 致谢 本论文的工作是在我的导师谷爱军副教授和张丁盛教授级高工的悉心指导下 完成的，两位老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。 在此衷心感谢三年来两位导师对我的关心和指导。 谷老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，生活上都给予了我无微不至的 关怀，学习上每遇到难题老师都会耐心解释，引导我得到正确的解答，老师的谆 谆教导是我一生的财富，老师伟大的人格和开阔的心胸是我一生敬仰的典范，在 此向谷老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意。 城建院张丁盛老师在我参加联合培养的十六个月里给予了我很大的关心和帮 助，使得我在培养单位的实习工作能够顺利的完成，在论文撰写和其他工作中都 对我严格要求，使我在各方面都得到了提升。老师博达的学识和严谨的治学态度 让我钦佩，统揽全局的大局观更是令我折服，向张老师致以由衷的谢意。 交环所的高亮教授、孔永健老师、彭华老师、万传风老师及所里的其他老师， 城轨中心梁青槐教授在我研究生就读期间对于我的学习提供了很大的帮助，在此 向老师们表达我的感激之情。 城建院线路所所总曾向荣高级工程师在我一年的实习过程中给了我很大的帮 助，使得我有机会亲历试验现场，开阔了视野，增强了对书本中理论知识的感性 认识，并对我的论文的修改提供了建设性建议，对曾老师表示衷心感谢。城建院 的轨道室主任高晓新，轨道室李湘久、郭雅静、盛碧华、王峰、赵晓华、王进、 李文英、武江虹等工程师对我生活上和工作中的帮助与指导，使得我切实的感受 到了融入到了一个温馨家庭的温暖，让我度过了一个紧张而又充实的实习阶段， 向工程师们表示感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，马春艳、侯江华、徐田坤、刘冰等同学对我 论文中的研究工作给予了热情帮助。研究生阶段，我与班上的孙斌、徐国华、任 大鹏等同学都成为了知心好兄弟，他们对我生活上的建议使得我受益匪浅，在此 一道表示感谢。 论文的顺利完成离不开我的母亲，从目不识丁到立足成人，母亲对我的言传 身教使得我能够踏踏实实、一步步走到今天，母亲对孩儿的关心让我时刻都能够 保持积极向上、豁达乐观的生活态度，同时也时刻警醒自己各方面的不足，加以 改正，提高自己，向我伟大的母亲致以诚挚的敬意。同样感谢我的父亲、兄长， 他们对我的理解和大力支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，感谢所有在我论文完成过程中帮助过我的老师和同学，谢谢你们! 绪论 1 绪论 1 1 背景 城市轨道交通运输能力大、速度快，是一种高效率的城市交通方式。其占地 小、能耗低、安全可靠，具有广阔的应用前景。现如今，我国很多城市在大力发 展地铁、轻轨等城市轨道交通系统。然而，振动对大都市生活环境和工作环境的 影响引起了人们的普遍关注，有轨交通的修建也给环境带来了不小的影响【l 】。城市 轨道交通周围一般为居民聚集区，建筑物密集，振动和噪声可以通过隧道壁传递 到土壤介质，进而进入附近的建筑物中，影响沿线居民的生活和工作，随着轨道 交通密度和荷载的不断增加，交通引起的振动和噪声的影响日益显著【l j 。其中交通 运输引起的结构物的振动通过周围地层( 地下或地面) 向外传播，进一步诱发地 下结构和周围建筑的二次振动，对建筑物特别是古旧建筑物的结构安全以及人们 的日常生活产生了很大的影响。设法降低城市轨道交通的噪声和振动是实现城市 可持续发展的关键因素之一。因此，对城市轨道交通中的振动和噪声控制的研究 也就显得尤为重要和迫切。将城市轨道交通的振动和噪声的防治作为环保产业的 一部分，在关注城市轨道交通带来经济效益的同时，还应该重视环境保护。统筹 发展经济效益、环境效益和社会效益三者之间的关系，建立和谐机制，使得城市 轨道交通成为真正造福于人类的福祉工程。我国在城市轨道交通领域的发展很快， 减振降噪技术在城市轨道交通中的应用将会因为其具有重要的实际意义而越来越 受到社会各界的重视 2 1 。 许多国家都已经展开了对城市轨道交通引起的振动和噪声的研究，各国根据 自身特点研究出了不同的减振降噪方法。其中，针对一次噪声主要措施是改善轮 轨接触的不平顺性或者在线路两侧加设声屏障，这是一种治本治源的措施。实际 上，针对振动和固体声的措施都是基于隔振原理，即在钢轨一道床一隧道一土体 一建筑物结构中的这一振动传播链中的某一个环节加入弹性一阻尼元件以降低系 统的固有频率，从而降低振动和噪声 3 1 。 日本是受振动环境污染最为严重的国家之一。根据日本铁路的研究经验，轨 道结构所产生的振动量占全部振动量的3 5 。轨道结构作为激振源和传播途径中 的重要环节，直接影响最终的减振效果 4 1 。从振源角度出发，对钢轨采取减振措施 以降低轮轨噪声是合理有效的，也是较为现实且彻底的办法。日本还在其“公害 对策基本法”中明确规定必须采取有效的措施限制振动。在“限制振动法”中特 北京交通大学硕士学位论文 别对交通振动规定了措旌性要求以保护生活环境和人民健康。日本针对振动波在 地下和地面的传播规律及其对周围居民的影响进行了研究，提出了对周围环境振 动影响和振动水平进行测试的方法。日本的铁道技术研究所还就新干线高速铁路 对环境振动的影响进行了现场测试，分析了不同轨道结构的振动特点，并研究了 不同隔振屏障的减振效果垆i 。 美国提出了通过改善道床结构形式和改善铁路车辆转向架构造以减少轮轨接 触力，从而降低地铁车辆引起的结构和噪声振动的建议。 在欧洲许多国家，高速铁路网的建设使得人们对交通环境振动问题产生了极 大的兴趣和研究热潮。比利时铁路公司在布鲁塞尔至巴黎之间的高速铁路上进行 了试验，测试和分析了高速铁路列车通过时附近地面的振动分布规律，此外还通 过冲击试验和数值模拟方法研究了振源特性振动的传递函数关系。 英国铁路管理局在公众对噪声的强烈反应下，组织其研发部技术中心对铁路 车辆引起的地面振动进行了地面振动测试，主要就行车速度、激振频率和轨道结 构参数的相关关系以及共振现象进行了研究。 1 2 减振型轨道结构 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碴 轨道的减振降噪性能进行了大量的研究和试验【6 】。 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、道碴垫、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、围栏庄、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。 目前，轨道结构的减振降噪措施主要从钢轨、扣件、道床三个方面考虑川，分 述如下。 2 1 2 1 采用重型钢轨和无缝线路 重型钢轨不仅能够增强轨道的稳定性，减少维修养护工作量和降低车辆运行 能耗，而且可以有效降低列车的冲击荷载。有资料表明，车辆在6 0 k g m 钢轨上运 行产生的振动较5 0 k g m 钢轨降低1 0 。此外，由于车辆在钢轨接头处产生的振动 是非接头处的3 倍，因而通过铺设无缝线路减少钢轨接头也可以使轨道振动大幅 降低。 荷兰e d i l o n 公司研制了一种以纵向连续支承取代传统的分散点支承、增加了 轨底支承系统应力水平的埋置式轨道结构。从1 9 7 6 年开始，荷兰就铺设了埋置式 轨道结构( e m b e d d e dr a i ls t r u c t u r e ，简为e r s ) ，如图1 - 1 所示。实践证明，由于 这种轨道结构在钢轨周围使用了一种称为e d i l o nc o r k e l a s t 的材料，取得了较好的 隔声和隔振效果。该类型的轨道结构使用2 0 年来，养护维修工作量相当少。近几 年，在荷兰阿姆斯特丹至比利时边境修建了3k m 试验段，效果良好。 当列车车轮滚过钢轨顶面时，由于轨腰的厚度较薄，其产生的振动向空气幅 射而产生噪声。为了最大限度地减小由轨腰振动引起的噪声，可以在轨腰处粘贴 减振橡胶进行振动衰减，如图1 2 所示。一般是在轨腰粘上橡胶后再粘上一层钢 板，以增加参振质量，起到振动衰减的效果。此结构要求使用高阻尼橡胶增大振 动衰减作用，达到降噪目的。这一装置的关键是保持橡胶与钢轨、橡胶与铁板之 间较好的粘结性。如果粘结界面分离，减振效果就会大大下降。 图1 - 1 埋入式轨道结构 f i 9 1 - 1t y p eo f e m b e d d e dt r a c ks t r u c t u r e 1 2 2 扣件减振措施 图1 - 2 减振降噪型钢轨 f i 9 1 - 2t y p eo fl o wv i b r a t i o nr a i l 扣件除了能固定钢轨、阻止钢轨的纵向和横向位移、防止钢轨的倾覆外，还 能提供适当的弹性，具有较好的减振效果。目前，国内地铁主要采用的扣件形式 3 北京交通大学硕士学位论文 主要由d t v l 2 型、踟2 型、w j 一2 型型和单趾弹簧扣件等，这些扣件主要用于一 般减振要求的路段，其减振性能较d ti 型有明显的改善，减振效果能提高2 5 d b 。 在减振要求较高的地段通常采用轨道减振器扣件。目前，常采用的有科隆蛋 减振器、改进型科隆蛋减振器和新型减振弹性扣件。德国科隆、美国华盛顿、法 国巴黎的地铁中均采用了此种减振型扣件，得到了显著的减振效果。 图1 - 3c o l o g n e - e g g 弹性扣件 f i g l - 3c o l o g n e - e g ge l a s t i cf a s t e n e r 1 2 3 轨下基础的减振措施 各国根据不同的减振要求，对传统的碎石道床和整体道床作了大量的改迸和 研究工作，开发了各种减振型轨下基础，现简述如下： 1 、轨枕垫和道碴垫 在碎石道床的基础上，研制了分别在轨枕下和道碴底下加设橡胶垫的轨枕垫 和道碴垫。这种措施在日本以及欧洲地铁中已被广泛采用。根据日本新干线测定， 在高架桥上铺设道碴垫可以使得振动加速度减少1 2 2 ，3 ，减振效果显著。 2 、弹性轨枕道床 这种道床形式是在般混凝土枕的两端、中部和两侧及底部加设弹性垫板， 构成减振箱，将其安置在整体道床上。这种结构便于维修，可以方便的进行轨下 橡胶垫的更换和高低调整，还可以根据线路的不同要求来选择弹性系数不同的橡 胶垫板。日本在运行线的大阪一今官高架桥上迸行了试验，结果表明在高架桥后 侧，频率为8 0 0 h z 时，这种轨道结构形式比普通减振板式轨道产生的噪声低5 8 d b 。 在轻轨高建桥上采用这种结构形式有利于减振降噪，减少对桥梁的危害。 3 、弹性支承式轨道结构 这种轨道结构只有两种形式：弹性支承块式和弹性支承长枕式。 弹性支承块式轨道结构是在双块式轨枕( 或两个独立支承块) 的下部及周围 4 设置橡胶靴套，在块底与靴套之间设橡胶垫层，而在双块式轨枕周围基础下部灌 注混凝土而成型。该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， 支承块外设橡胶靴套，提供轨道的纵、横向弹性变形，使这种无碴轨道在支承、 动力传递和振动能量吸收等诸方面更接近于坚实，均匀基础上的碎石道床轨道。 这种低振动的轨道可以弥补无碴轨道弹性不足的缺点，更加适应环保对低振动、 低噪声的要求。 弹性长轨枕式轨道结构与弹性支承块式轨道结构相似，不同之处在于用一特 殊的预应力混凝土轨枕取代支承块以提高轨距保持能力；以包住预应力混凝土轨 枕两端开启式的橡胶靴套取代包裹支承块的靴套，利于排除进入箱内的雨水污泥， 且便于施工和维修；除轨枕设置弹性垫板外，在减振箱的轨枕侧面和断面另设弹 性垫层。 i 图l _ 4 弹性短轨枕式整体道床 f i 9 1 - 4s h o r te l a s t i cs l e e p e r so f b a l l a s t l e s st r a c k 4 、浮置板轨道 通过弹性体将轨道结构上部建筑与基础完全隔离开来，使其处于悬浮状态， 建立弹簧一质量系统，利用整个道床在弹性体上进行惯性运动来隔离和衰减列车 所运行带来的振动。目前采用的弹性装置主要有螺旋钢弹簧和橡胶弹簧两大类。 由于其结构特点，其减振性能是目前所有减振轨道结构中性能最优越的，适用于 线路从敏感地段以下或者附近通过，且对建筑隔振要求较高的场合，如高档住宅、 音乐厅、医院、学校等场所。此种轨道结构形式于1 9 6 8 年在德国科隆地铁中首次 采用，后在德国的波恩、汉堡、慕尼黑，法国卢昂，美国华盛顿、纽约、亚特兰 大，加拿大的多伦多，香港等地得以广泛采用。 5 、梯子型无碴轨道结构 梯子型无碴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土 5 北京交通大学硕士学位论文 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，既能在有碴轨道上铺设，也能与基础结合在一 起成为无碴轨道。 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。无碴梯子 型轨道、特别是高架桥上无碴梯子型轨道具有自重轻、振动低、易维修、造价低 等优点，是无碴轨道技术的重大突破。尤其是浮置板式梯子型轨道具有自重轻、 造价低廉、减振效果好的优点。在5 0 0 h z 左右频率附近，振动噪声降低高达3 0 d b 。 6 、其它减振型无碴轨道 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。 图1 - 5 隧道内质量一弹簧轨道系统图 f i g l - 5m a s s - s p r i n g t r a c k o f v i b r a t i o n i s o l a t i o n s y s t e m i n t u n n e l s 1 3 浮置板轨道应用现状 最早采用浮置板轨道的国家是德国。德国对环境要求非常严格，随着其国内 地铁的开通，振动和噪声也不可避免的产生，针对这种情况，德国首先开发了有 碴轨道的浮置板结构，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、波鸿至曼海姆轻轨及杜塞尔多夫的轻轨铁路上铺设了无碴浮置板式 轨道。由于其减振性能良好，此种轨道得以在世界各国广泛应用。 6 按照施工方式，浮置板轨道可以分为现浇和预制两类： 1 、现浇式浮置板轨道结构 以华盛顿地铁为代表。在1 9 7 0 年，华盛顿地铁率先在美国采用了续现浇型浮 置板式轨道结构，其固有频率介于1 4 h z 一1 6 h z 之间，其对频率高于4 0 h z 的振动 具有很好的抑制作用。第一代板的缺点是板太长，容易引起环境噪声过分增大， 而且没有考虑板下橡胶支座的维修和更换，橡胶支座失效后很难更换。8 0 年代初 对第一代浮置板进行了改进，提高了橡胶支座的耐久性，并在浮置板上开空，以 便检查橡胶支座，在必要时进行更换。 2 、预制式浮置板轨道结构 此种轨道结构形式已经在美国的亚特兰大和加拿大的多伦多等城市使用。 按照浮置板板下阻尼弹性元件的不同，可以将此种类型的轨道分为橡胶支承 浮置板和钢弹簧支承浮置板两类： ( 1 ) 橡胶支承浮置板轨道结构 按照橡胶支承方式不同，可以分为整体支承、线性支承和分布支承浮置板三 种。三种支承方式要求的轨道结构高度和隧道开挖深度不同。 整体支承是在瑞士日内瓦，意大利米兰、罗马，德国慕尼黑，法国里昂等城 市中均有应用，其优点是构造简单，旌工速度快，施工误差小，隧道仰供( 基底) 和道床受力均匀，支承面积大，可以很好的抵抗钢轨纵向力和横向力，缺点是橡 胶用量大，可维修性差。其隔振效果在2 0 d b 左右。 线性支承结构的优点是节省材料、轨道固有频率低，隔振效果在2 5 d b 左右。 分布支承在美国的亚特兰大，加拿大的多伦多，我国香港和广州地铁中均有 采用。其缺点是抵抗轨道纵向力和横向力的能力差，为了限制变形，必须使剪切 模量、弹性模量、垫板厚度大小十分匹配；优点是节省橡胶材料，减振效果好， 维修方便，采用凹槽对橡胶垫板进行定位后能有效的提高浮置板的稳定性。 7 北京交通大学硕士学位论文 分布支承( p o i n tb o l s t e r ) 图1 - 6 橡胶浮置板的三种支承型式 f i 9 1 6t h r e eb o l s t e rt y p e so fr u b b e rf l o a t i n gs l a b ( 2 ) 钢弹簧支承浮置板轨道结构 与橡胶支承浮置板相比，钢弹簧支承浮置板的主要优点是固有频率低，可维 修型好；缺点是造价高。 综上所述，浮置板轨道结构具有如下特点： 减振效果好，据德国相关部门的测试，浮置板轨道结构的减振效果可达到 3 0 d b ，且在垂直荷载2 0 1 0 0 变化范围内其隔振效果几乎保持不变； 轨道绝缘性能强。由于轨道结构四周基本上由绝缘的橡胶支座与混凝土底 座隔离，可以有效防止轨道迷流的发生； 体积庞大，施工维修较不便。由于浮置扳采用了有意增大轨下参振质量和 有效阻尼的方法来控制噪声和振动，故一般而言，浮置板时需要大型机械进行施 工： 造价高，初期投资大。 1 4浮置板轨道动力学研究现状 浮置板作为近年来发展的一种新型减振轨道结构，对其设计和研究仍限于静 力学研究和一些初步的动力学研究。铁道科学研究院姚京j i l t 8 1 利用有限元分析软件 a n s y s ，建立了车辆一轨道一浮置板垂向振动系统计算模型。对浮置板轨道进行了 模态分析，分析了浮置板长度、质量、隔振器刚度等参数变化对浮置板固有频率 的影响规律，并针对不同车速、车载、浮置板质量、板下支承刚度进行了其动力 特性的探讨，将浮置板轨道减振效果与普通整体道床减振效果进行对比分析，验 证了浮置板轨道在减振方面的优越性。 北京交通大学张格妍 9 1 利用f o r t r a n 语言自行编程，以北京地铁1 3 号线中 采用钢弹簧浮置板为基础，建立了车辆一轨道系统垂向耦合二维模型，并模拟动 荷载，分析了浮置板轨道在列车动荷载作用下的振动特性。为保证计算精度及振 动微分方程、数值解法、仿真计算程序的正确性，对比不同积分步长和单元划分 长度下的钢轨和浮置板垂向位移，选取了适当的积分步长和单元划分长度，研究 了不同轨道参数变化条件下浮置板轨道系统的振动特性，对实际工程设计具有指 导性意义。 石家庄铁道学院的郭亚娟阻“】利用f o u r i e r 逆变化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 反映不平顺的功率谱，列车行驶速度以及车辆的簧上簧下质量，悬架刚度，阻尼 等参数变化的列车振动荷载，利用a n s y s 建立三维浮置板轨道有限元模型分析了 列车荷载作用下，浮置板轨道结构的力学特性，此外还建立了隧道二维模型，进 行了浮置板隔振效果及影响因素分析。验证了随距离变化，地表振动的衰减规律， 分析了不同边界条件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。 北京交通大学刘维宁教授【1 2 j 对铺设于隧道内的浮置板轨道结构的减振性能进 行了大量的理论研究，详细的分析了北京地铁列车的振动问题，得出了地铁列车 荷载产生的振动在地层中的传播规律。此外，还通过建立与实际大小相等的浮置 板轨道模型进行了振动测试，得到了大量有价值的实验结论。 1 5 本文主要工作 目前国内城市中应用于减振地段的浮置板轨道是德国隔尔固公司的专利产品， 因其价格昂贵，仅在对减振有特殊要求的地段使用，不利于大范围内铺设。本文 结合北京城建研究设计总院的城市轨道交通钢弹簧浮置板道床的研究与开发 1 3 1 专项课题，在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上开发出我国自主知识产权 的钢弹簧浮置板轨道，使得其技术指标达到国外同类产品的水平，满足轨道交通 隔振要求，并在我国城市轨道交通中得以应用。此项研究可以填补我国在城市轨 道交通领域隔振钢弹簧技术的空白，并为国家节省大量外汇。本文针对实际工程 中的浮置板轨道结构建立模型并分别从以下三方面进行了细致分析： 1 、建立浮置板轨道结构的三维模型，进行了模态分析和传递特性分析，综合 评述了此种轨道结构形式参数变化对系统隔振效果和设计优化的影响； 2 、建立钢轨一浮置板道床一隧道基础二维动力学有限元模型，将不平顺因素 的影响引入到模型中，分析了移动列车荷载作用下浮置板轨道结构的动力学特性， 详细阐述了轨道各部分参数对于计算结果的影响； 3 、建立隧道一土体二维动力学有限元模型，进行了将浮置板轨道结构应用于 隧道内的振动环境影响评估，并与实测结果进行对比分析，验证了模型的正确性。 9 北京交通大学硕士学位论文 文章从不同角度分析了浮置板轨道的力学特性，全面详细的阐述了浮置板轨 道系统的隔振机理，并提出了系统参数的建议取值范围，可以为浮置板轨道结构 的国产化和设计优化等方面的工作提供理论参考。此外，还通过建模计算评价了 浮置板轨道应用于实际中对环境的影响。 1 6 本章小结 本章对国内外城市轨道交通减振降噪技术进行总结归纳，介绍了不同轨道结 构形式的减振效果及其应用，并针对不同的轨道减振型结构进行了初步的比较， 根据已有的经验资料得到了浮置板轨道结构具有优越的减振降噪性能的初步结论， 最后概括了国内有关浮置板轨道结构的研究现状以及本文进行的主要工作。 1 0 浮置板轨道隔振原理与结构设计要点 2 浮置板轨道隔振原理与结构设计要点 浮置板轨道是一种新型的隔振轨道结构，具有很好的隔振性能，本章将就其 隔振原理作一详细介绍。 2 1隔振原理 隔振是振动控制中应用最广泛的一项减振技术c 1 4 l ，是通过控制振动传递来减 弱系统振动，即采用附加子系统将振动源与减振体隔开，依靠附加子系统的变形 来减小振源对隔振对象的激励。作为附加子系统的隔振装置通常称为隔振器，由 弹性元件、阻尼元件和惯性元件以及它们的组合构成。 2 1 1 隔振的分类 隔振是在两个结构之间增加柔性环节，从而使一个结构传至另一个结构的力 的激振得以减小的措施i “。 减小力的激振的传递，称为第一类隔振，简称隔力。将振源与地基、基础隔 离，减小振源的激振力向地基、基础传递的措施都属于第一类隔振。 减少运动激振传递的措施常常称为第二类隔振，简称隔幅。振幅可以是隔振 对象的绝对隔振或隔振对象相对于基础的隔振，振幅可以取位移、速度或者加速 度。安装或安放于运输工具或建筑物上的电子设备或精密仅器的振动隔离即属于 第二类隔振。 显然城市轨道交通的轨道结构隔振问题属于第一类隔振。 2 1 2 振动的传递 当振动由一个结构传递到另一个结构时，振动的力以及加速度、位移将会发 生变化，其变化用传递系数来表示【1 6 1 。隔振效果常以传递系数来表示，它可以是 力的传递率( 经隔振器传递的位移量和激振幅值之比) ，也可以是位移的传递率( 经 隔振器传递的位移量和激振幅值之比) 。 减振体的质量和刚度往往比隔振器大得多，而且前者的固有频率经常远低于 激振频率。在满足上述条件时，允许把减振体简化为刚体，而且可以不考虑隔振 器的质量。这样单级隔振系统就可以用六个自由度的振动系统来表示，这样的分 北京交通大学硕士学位论文 析仍然是较为复杂的。在工程具体情况下，利用减振体的对称性，或者通过合理 布置隔振器的位置和主轴方向，使隔振系统的参数满足某些特定条件，就能够使 六个自由度的运动部分解耦，甚至使它们完全解耦。这样就只需要研究低自由度 振动系统，从而确定隔振系统的最优参数。 运动解耦的参数条件如下： 1 、使坐标轴与静止状态减振体的质心主轴重合； 2 、隔振器的弹性主轴与减振体惯性主轴方向一致； 3 、隔振系统具有一个对称面； 4 、隔振系统具有两个对称面。 设计隔振系统时，不仅要注意选择隔振器的类型，而且要重视安置位置和方 向，尽量使隔振系统具有较多地对称面。 因为隔振系统的绝对传递率效率必须低于1 ，所以隔振系统的无阻尼固有频率 要小于激振频率，这样隔振器的刚度系数就有一个上限。若隔振器的刚度系数选 择不当，使隔振系统的固有频率接近激振频率，就很容易引起隔振系统共振。总 之，隔振系统的刚度应该足够低，保证隔振系统的固有频率远低于激振频率，才 能够使隔振系统具有较高的隔振能力。通常要求频率比超过5 ，至少也应该大于 2 5 f 切。 对于第一类隔振中的传递系数，运动微分方程为： 舢阱幽h f s i n m t ( 2 一1 ) 蠡锄鲰x h s i n w - t( 2 - 2 ) 式中：砰为系统固有频率的平方，- k m ，n - c 2 m ，h a c m ，为外 激振频率。 其一般解为：善一_ p “s i n ( 一a 2 t + 竹) + s i n ( 耐+ 仍) ( 2 - 3 ) 2 3 式的第一项为瞬态解，它描述了系统的自由衰减振动；第二项为稳态解， 它描述了系统在激振力作用下进行强迫振动的状态。 稳定受迫振动解为：x 。x o s i n ( t o t + 仍)( 2 4 ) h 铲丽i 雨翥。 ( 2 5 ) 当设备振动时，通过弹性元件传给基础的力由两部分组成，一部分是通过弹 簧传给基础的力幻，另一部分是通过阻尼传给基础的力，其大小为口姑c 丑 ，它 与弹簧传给基础的力相位相差9 0 。，故传给基础的最大力为两个力的合成： 浮置板轨道隔振原理与结构设计要点 辱一丽一厣一再虿一昂 ( 2 - 6 ) 系统的隔振效果用绝对传递率来表示，对第一类隔振来说，绝对传递率品等 于有隔振器时作用于基础上的力与无隔振器即设备刚性连接在基础上时作用于基 础上的力的比值： l 。查堕堡矍堕箜坌茔熊塑垄；堡望垄堕。墨 1 无隔振器时传给基础的力激振力幅 最 ( 2 - 7 ) 定义隔振效率为：易一1 一品( 2 8 ) 图2 - 1 给出了阻尼比、频率比和绝对传递率三者之间的关系曲线。 3 o 2 ，5 ：，o 毫l j l 。o o ，5 北京交通大学硕士学位论文 不断增加，绝对传递率耳的值也越来越小，隔振效果也更好。当 5 后，0 曲线下降趋于平缓，这时若将隔振器设计的更软，使n ，q 取得比5 更大的数值， 则将在静挠度和其他方面付出更大的代价，而绝对传递率仅比= 5 时略为降低。 阻尼比较大则共振处的峰值越小，曲线越趋于平缓，相反则越大，曲线越陡峻， 但当蛾 2 时阻尼值的增加反而会增大耳值。因此，若仅仅为了降低绝对传 而选择合适的阻尼可以抑制系统在这种冲击和振动作用下的振幅，并使自由振动 线峰值所在的点，可将耳曲线对峨求导，再令其等于0 来求得： 粤；0 ( 2 - 9 ) d ( 丢) 得：旦； 鸭 ( 2 - l o ) 相应的最大传递率 ( 露) _ 7 堑二亏( 2 - 1 1 ) 。丽蕊妻霭霖 当宇s o 1 时， 一面1 甄乞印厮c - 恚 这样已知系统的七、m 、c 耳) 一即可求得阻尼值。 2 2浮置板轨道结构的设计要点 城市轨道交通中浮置板轨道结构的设计应符合以下要求 1 8 - 2 1 】： 1 、应进行荷载钢轨一浮置板一基础系统动力学的计算； 2 、应在浮置板轨道与普通轨道结构之间设置长度不小于列车转向架长度的轨 道结构，其刚度应在两者之间逐渐变化； 1 4 浮置板轨道隔振原理与结构设计要点 3 、应保证轨道横向、纵向稳定性、列车运行的安全性以及旅客乘坐的舒适性； 4 、应保证轨道有快速可靠的可维修性和可更换性； 5 、浮置板在列车静荷载作用下的位移应不大于5 m m ； 6 、不考虑列车质量时，浮置板轨道结构的一阶垂向固有频率应在7 2 0 h z 之 间，阻尼比应不小于0 0 5 ； 7 、隔振器承受的荷载不应超过容许工作荷载，在实际工作荷载下疲劳寿命不 低于3 0 0 万次； 2 2 1 浮置板结构形式的设计要点 浮置板结构形式需要根据具体的情况进行设计，主要遵循以下原则： 1 、结构形式应该便于检修和维护的设计，比如在板上开孔； 2 、应尽量设计为对称的形式，便于制造和安装； 3 、设计中应充分考虑浮置板轨道结构的排水能力，以便保持道床的干燥和防 止漏电等危险的发生； 4 、在配筋好时最好采用专门的排杂散电流装置钢筋，排杂电流钢筋的截面积 应满足相应规范的要求。 2 2 2 浮置板隔振器结构构造的设计要点 隔振器是浮置板结构中重要的部件，其性能直接影响浮置板轨道结构的减振 效果。浮置板轨道最常用的隔振器主要由两种类型：钢螺旋弹簧圆柱弹簧隔振器 和橡胶弹簧隔振器。 1 、钢螺旋圆柱弹簧弹簧隔振器 钢螺旋圆柱弹簧常用的材料为锰钢、硅锰钢和铬钒钢。钢螺旋圆柱弹簧的优 点为：具有理想的弹性，刚度系数比较稳定且很大范围内呈线性，材料和结构参 数可以在较大范围内改变，能适应不同的荷载、变形量( 允许相对位移很大) 和 较低共振频率的要求。此外，金属弹簧能够承受高低温、腐蚀性介质和各种溶剂 等有害环境因素。 钢弹簧螺旋圆柱的缺点是：阻尼较小，阻尼比约为0 0 0 5 左右，需要加设橡胶 或者阻尼器予以改善。螺旋弹簧水平刚度较大，设计时应该使其中心尽量接近隔 振器的弹性中心，减少有害振动。 2 、橡胶弹簧隔振器 北京交通大学硕士学位论文 橡胶弹簧隔振器通常由天然橡胶、合成橡胶或高阻尼橡胶制成，适合于隔离 较高频率的振动。天然橡胶和聚氯丁橡胶的阻尼比约为0 0 5 。在工作环境受到严 格控制的条件下，天然橡胶是质优价廉的隔振器。合成橡胶对有害环境的适应能 力比天然橡胶要强些。高阻尼橡胶是在天然橡胶中加入石墨，提高了橡胶的阻尼， 根据石墨加入量的多少可以调整阻尼的大小，而且在较小的变形内具有较大的阻 尼，高阻尼橡胶的阻尼比可达0 2 以上。用作隔振器的橡胶应该是硬度较小，单价 低廉。 3 、隔振器的选择 浮置板轨道结构的隔振要点是选择适当的固有频率，根据隔振力学原理，单 自由度振动系统的固有频率由下式确定： ，1 厣 厶2 瓦1 i ( 2 - 1 2 ) 式中，7 浮置板轨道的结构的总质量i k 一隔振器的刚度( 有以个弹簧支座或橡胶支座时，为忍个支座的并联 刚度) 。 根据单自由度系统的特性，浮置板轨道结构只有在2 以上频带时才有明显 的减振效果。所以为提高浮置板轨道的低频隔振性能，必须尽可能的降低浮置板 轨道结构的固有频率。从式2 1 2 中可以看出，降低浮置板式轨道结构的固有频率 有两个基本措旄：增大板的质量和降低浮置板隔振器的刚度。如果不考虑浮置板 受到净空的限制，可以通过采用高级配混凝土或增加配筋量、增加其厚度和长度 的方法增大浮置板轨道的质量。而隔振器的刚度也不能无限降低，必须将到车辆 运行过程中浮置板轨道结构的动力学性能、受力变形、旅客乘坐舒适性等因素综 合考虑后进行处理。 2 3 本章小结 本章就钢弹簧浮置板轨道结构的隔振原理进行了详细介绍，通过理论上的说 明