钢轨支撑架方式对橡胶垫浮置板减振效果的影响

童 飞

(中铁十一局集团第三工程有限公司 湖北十堰 442012)

钢轨支撑架方式对橡胶垫浮置板减振效果的影响

童 飞

(中铁十一局集团第三工程有限公司 湖北十堰 442012)

结合地铁橡胶垫浮置板施工时钢轨支撑架的设置方式对轨道隔振效果的影响问题，建立橡胶垫浮置板轨道的三维有限元动力学分析模型，并分析几种工况下钢轨、混凝土板、轨道基础的振动情况。根据分析结果得出，支撑架立杆下垫支铁垫板的方法对橡胶垫浮置板轨道运营后的隔振效果影响不利，因此对钢轨支撑架的设置方法进行了改进，采用不影响减振效果的橡胶垫钻孔方法设置钢轨支撑架立杆，取得了成功。

轨道交通;橡胶垫;浮置板;钢轨支撑架方式;振动影响

1 地铁橡胶垫浮置板概述

按北京地方规范的标准，目前地铁减振主要分为初级减振、中级减振、高级减振和特殊减振［1］。橡胶垫浮置板作为高级减振的轨道结构，一般其隔振效果为15～20 dB，且具有轨道部件荷载少、安装速度快、动态硬化低、高绝缘等优点，可减少对土建结构的干扰、具有较高的性价比，已在世界其他国家的地铁中广泛使用，瑞士、法国、西班牙等国家的地铁线路都有使用案例［2－4］。近年，国内在北京、郑州、大连和无锡等城市地铁线路中也已经采用。

由于橡胶垫浮置板轨道使用的增加，其研究也不断深入。我国相关设计部门对地铁橡胶减振垫浮置板的应用进行了研究［5］;大部分学者从动力学的角度对其动力性能和参数进行了分析［6－8］，还有从铺设方式对其隔振效果进行研究的［9］。由于对其施工工艺要求越来越高，目前国内地铁橡胶垫浮置板减振轨道施工方面对减振效果的研究还存在不足，实际上一些施工方法也会对橡胶垫浮置板的减振效果产生影响，如施工过程对杂物清理有很高的要求，如有异物在橡胶垫与浮置板之间形成“声桥”，则会影响橡胶垫浮置板的隔振效果等。

2 橡胶垫浮置板研究背景

北京地铁6号线是一条贯穿于中心城东西方向的轨道交通线，是一条与地铁1号线基本平行的线路。西起西四环内的五路居站，东至通州区的东小营站，经过区域有海淀区、西城区、东城区、朝阳区和通州新城5个行政区。

该工程在海淀五路居站东侧铺设900 m橡胶垫浮置板道床，其中橡胶垫一般道床为691 m，P60－9#单开道岔2组，P60－12#14 m间距交叉渡线1组。矩形隧道地段轨道结构高度为650 mm，非道岔区每块浮置板道床标准长度为3 m，扣件及轨枕均采用DTⅥ2型扣件及短轨枕。非道岔区橡胶垫浮置板道床采用两侧水沟，橡胶垫底层设中心排水沟，水沟宽400 mm，沿线路每隔9～10 m在道床中设置检查孔，橡胶垫顶部采用聚氨酯填缝胶封堵。橡胶垫浮置道床如图1所示。

由于项目部是第一次施工橡胶垫浮置板道床，因此如何保证施工质量，尤其是保证橡胶垫浮置板应有的隔振效果，是摆在参建人员面前的一道难关。为了攻克难关，确保施工质量及减振效果，在施工过程中项目部积极邀请橡胶垫生产厂家技术人员进行现场指导，并邀请北京交通大学轨道减振与控制实验室提供理论支持。

图1 橡胶垫浮置板道床

3 橡胶垫浮置板施工工艺

橡胶垫浮置板铺轨的工艺流程包括基地处理、基标测设、架设铺轨龙门吊、道床基底施工、橡胶垫铺设、轨排组装及架设、轨道精调、道床混凝土浇筑、道床混凝土养生及聚氨酯填缝胶施工。

轨排组装及架设方法包括轨排架轨法和散铺架轨法。轨排架轨法是在铺轨基地将钢轨、轨枕、铁垫板等扣配件拼装成轨排，用轨道车运输至工作面，再利用铺轨龙门吊吊装架设轨排;散铺架轨法一般用于矩形隧道内或车站等不能满足龙门吊架设条件及道岔区施工(道岔铺设宽度大于龙门吊走形宽度)的位置，通过就地拼装钢轨、扣件及轨枕组装成轨排。

轨排组装顺序为：散布支撑架→安放钢轨并调整轨距→散布铁垫板、弹条等扣配件→安装铁垫板、弹条→散布轨枕、板下垫板→安装轨枕→轨排组装完成。

钢轨支撑架架设时按不大于3 m布置，并将各部位螺栓拧紧，确保轨排整体的稳定性。普通道床钢轨的支撑架丝杆直接放置在道床基底上，橡胶垫道床在基底铺设了橡胶垫，由于橡胶垫材质较软，钢轨支撑架丝杆直接放置在橡胶垫上，因受力集中容易损坏橡胶垫且影响轨道的几何状态，因此支撑架丝杆的放置方式有两种。

方法1。在钢轨支撑架丝杆处的橡胶垫上放一块铁垫板，将丝杆支撑于铁垫板上(见图2)。此方法可以有效解决的问题是：将丝杆直接置于橡胶垫上，由于接触面积小，且轨排重量全部作用在丝杆上，因此可能导致轨道几何状态的不稳定，也可能会破坏橡胶垫。

图2 橡胶垫垫支铁垫板工法

此方法在调整轨道高度时，由于丝杆受力大等原因使得丝杆处的铁垫板很容易偏转，为了解决这个问题，在铁垫板上焊接了20 mm高的铁环(见图3)。此方法浇筑砼后铁垫板将留在道床内，这样不可避免地增加了橡胶垫浮置板的局部刚度，可能会影响减振效果。

图3 橡胶垫垫支铁垫板工法(加20 mm铁环)

方法2。在钢轨支撑架丝杆处的橡胶垫采用钻孔的方法，取消丝杆铁垫板支撑，将丝杆直接落于橡胶垫道床的基底上(见图4)，并用土工布包裹、胶带密封，防止混凝土渗入。此方法理论上可有效去除“声桥”，即刚性短路的可能，且能保证轨道的几何状态。

为了对比两种施工方法对减振和隔振效果的差异影响，进一步确定选用哪种支撑方式，特建立橡胶垫浮置板的三维动力分析模型，对这两种钢轨支撑架两侧丝杆安装方法进行比较分析。

图4 橡胶垫钻孔支撑法

4 计算分析模型的建立

分别建立橡胶垫钻孔设置支架和下支铁垫板设置支架的两种橡胶垫浮置板轨道理论分析模型。

4.1 两种分析模型

图5为橡胶垫浮置板轨道整体动力分析模型，模型自上而下依次为钢轨、扣件、浮置板、橡胶垫和轨道基础。模型由三块浮置板组成，两边各考虑30 m长钢轨，取中间浮置板进行分析，以消除边界效应，激励加在中间浮置板的中部位置钢轨上。图6为橡胶垫模型，图7为模拟图2、3中支架丝杆下支垫铁垫板的橡胶垫模型，图8为模拟图4中钻孔设置钢轨支撑丝杆工法的橡胶垫模型。铁垫板位置和尺寸、橡胶垫钻孔位置和尺寸均按实际施工情况设置。

图5 橡胶垫浮置板轨道整体动力分析模型

图6 正常的橡胶垫模型

图7 支架丝杆下的支垫铁垫板模型

图8 钻孔设置钢轨支撑丝杆工法的橡胶垫模型

4.2 计算参数

4.2.1 橡胶垫层浮置板模型

轨道板尺寸：3 m×2.7 m×0.4 m(长 ×宽 ×高)

橡胶垫层宽2.7 m、厚3 cm;垫层下混凝土层宽为2.7 m、厚为0.6 m。

4.2.2 材料属性

钢轨：弹性模量为2.1 ×1011N/m2，泊松比为0.3，密度为7.83×103kg/m3。铁垫板也采用钢轨的材料属性。

混凝土板：弹性模量为3.5×1010N/m2，泊松比为0.176，密度为2.5 ×103kg/m3。

弹性垫层：弹性模量为2.3×105N/m2，泊松比为0.2，密度为 2.0 ×102kg/m3。

轨道基础混凝土：弹性模量为3.5×1010N/m2，泊松比为0.176，密度为2.5 ×103kg/m3。

4.3 计算原理

本文以振动传递函数来比较两种施工方法对橡胶垫浮置板振动效果的影响。这里振动传递函数是单位激励下浮置板结构的加速度动力响应，引用垂向加速度传递函数分析橡胶垫浮置板轨道系统在不同频段的垂向振动传递特性。

振动位移传递函数D(ω)为结构在简谐激励作用下的位移与作用力F(ω)的幅值比，即

式中，F(ω)为不同频率的轨道结构激振力，X(ω)、A(ω)为在F(ω)作用下的位移和加速度响应幅值［10］。

5 计算结果分析

以振动加速度传递函数来比较各种工况的减振效果变化情况。分析几种工况下钢轨、混凝土板、轨道基础的振动情况。

5.1 支架丝杆下设铁垫板的影响

支架丝杆下设铁垫板，由于铁垫板在施工后留在了浇筑的混凝土板当中，使用时有可能在铁垫板部位形成刚性支撑，在模型中按施工实际情况加入了铁垫板，计算结果如图9～11所示。

图9 钢轨垂向加速度传递函数

图10 浮置板垂向加速度传递函数

图11 隧道基础垂向加速度传递函数

从图9看，该工法对钢轨各个频率的振动影响不大，而图10则显示该工法会对浮置板300 Hz各个频率的振动有一定影响，表现为一些频段振动增大，一些频段振动减小。在随机荷载作用下，对整个频段应该影响不大。从图11看，该工法对传到轨道基础30 Hz以上的振动增大，对隔振效果有不利的影响，影响了该轨道的隔振作用，因此该工法不宜采用。

为此，经过分析决定采用橡胶垫钻孔方法。下面分析橡胶垫钻孔方法对减振效果的影响。

5.2 弹性垫层钻孔的影响

这里考虑橡胶垫钢轨支架丝杆钻孔直径分别为3、5和10 cm的情况，计算结果如图12～14所示。

由图13～14可以看到，橡胶垫是否钻孔或开口大小，对钢轨和混凝土板的垂向振动影响不大。弹性垫层开孔会在60 Hz以下减小基础的振动，但幅度不大。因此可以认为，弹性垫层开3～10 cm直径的孔不会影响整个轨道的振动特性和隔振效果。

图12 钢轨垂向加速度传递函数

图13 混凝土板垂向加速度传递函数

图14 隧道基础垂向加速度传递函数

6 结论及运用

根据上述理论分析，在轨排架设时，方法1将导致钢轨支撑架立杆下部的橡胶垫形成局部刚度增大的现象，从而影响隔振效果;方法2在立杆位置的橡胶垫钻孔，将立杆直接落于基底上，施工后不会影响轨道的隔振效果。但此方法还需注意以下事项：

1)道床基底施工前，应对结构进行检查、验收，对于渗水地段应先进行处理，再进行垫层施工;

2)基底混凝土施工时，严格控制其高程及平整度(5mm/m);

3)橡胶垫开孔时，孔径不宜大于10 cm，并与立杆匹配，立杆与孔之间的缝隙要密封以防止混凝土渗入，开孔时应避免损坏橡胶垫;

4)道床板混凝土在浇筑过程中，应控制混凝土的倾落高度，尽量降低高度，以免对轨道几何尺寸造成影响，并加强混凝土的捣实，以提高板的密实度，同时可避免道床板裂缝的产生;

5)在钢筋焊接时，应在焊点下方铺垫湿石棉布等防火材料，避免焊渣掉落烧坏减振橡胶垫;

6)橡胶垫铺设时应严防金属件及杂物穿透橡胶垫，检查孔应放置在橡胶垫上方，不得穿透橡胶垫，以免影响橡胶垫减振功能的实现;

7)橡胶垫铺设前，应提前做好与其前后其他形式的道床排水沟的过渡衔接，以确保减振道床前后地段排水的顺畅，避免积水或堵塞;

8)橡胶垫浮置板在起始、终止点的排水沟两端及所有检查孔，在施工完毕后应有效封闭，防止灰尘及杂物(被水带入)进入橡胶垫下部，引起淤积，影响减振效果。

北京地铁6号线橡胶垫浮置板施工，在用第一种方法施工了120 m后，其余均改用第二种方法施工，并取得了成功，这是理论联系实际、理论指导实际的结果。目前，城市地铁发展迅速，对其减振要求越来越高，精细化施工程度要求也越来越高，有些理论研究必将越来越多地融入到施工当中，为地铁施工保驾护航。

［1］北京市劳动保护科学研究所，北京市地铁运营有限公司设计研究所.地铁噪声与振动控制措施应用规范［S］.北京，2012.

［2］http：//www.cdm.eu/projects.html

［3］http：//www.getzner.com/en/fields/railway//

［4］http：//www.calenberg－ingenieure.com/

［5］刘峰，曾向荣，张宏亮，等.新型橡胶减振垫浮置板的应用研究［J］.都市快轨交通.2013，26(3)：50 －53.

［6］徐志强，姚京川.橡胶支承浮置板式轨道结构动力计算分析［J］.铁道标准设计，2003(8)：11－13.

［7］刘克飞，刘学毅.橡胶浮置板轨道垂向动力特性分析［J］.铁道建筑.2012(8)：113 －116.

［8］刘洪瑞，邹锦华，王荣辉.轨道交通橡胶浮置板式轨道结构动力设计参数研究［J］.铁道科学与工程学报，2009(2)：5－11.

［9］艾山丁，谷爱军.无砟轨道橡胶隔振支承方式对隔振效果的影响［J］.都市快轨交通，2011，24(2)：89 －92.

［10］左鹤声.机械阻抗方法与应用［M］.北京：机械工业出版社，1987.

(编辑：郝京红)

Analysis of Vibration Reduction Effect of Rail Supporting Frame on Rubber Pads Floating Track

Tong Fei
(China Railway 11th Bureau 3rd Engineering Group Co.，Ltd.，Shiyan，Hubei 442012)

A three-dimensional finite element dynamic analysis model of rubber floating slab track was established for the problem of the effect of rail supporting frame modes in rubber floating slab construction on the vibration isolation.The vibration of rail track，concrete slab and foundation were analyzed.According to the results of theoretical analysis，the supporting frame with iron plate under the column will reduce vibration isolation effect of the track when the track opens，thus the method of drilling holes on rubber pads for the supporting frame is adopted，which will not affect vibration isolation.

urban rail transit;rubber pad;floating slab track;types of rail supporting frame;vibration effect

U213.24

A

1672－6073(2014)02－0081－05

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.020

2014－01－07

2014－01－20

童飞，男，大学本科，工学学士，高级工程师，主要从事轨道工程研究，tf903@hotmail.com