预制浮置板轨道隔振性能研究

2015-06-26耿传智徐天然

现代城市轨道交通 2015年5期

曾成耿传智徐天然

预制浮置板轨道是在预制件厂生产的一种标准长度为3.6 m的轨道板，通过轨道车和现场龙门吊车运送到现场进行铺设。预制浮置板施工可一步到位（传统现浇浮置板轨道施工，混凝土凝固需28天后才具备顶升条件），从而有效缩短轨道施工工期，加快工程建设进度。本文对钢弹簧浮置板轨道和橡胶浮置板轨道2种预制浮置板轨道隔振性能进行研究。

1 预制浮置板轨道结构特点

1.1 钢弹簧浮置板轨道

与橡胶浮置板相比，钢弹簧浮置板与隧道基底间只需极小的空隙（约40 mm），因此，能够更好地满足隧道限界要求。为提高轨道结构纵向与横向的弹性，同时防止沙石、尘土进入浮置板与隧道底板之间的间隙，形成新的振动源，在浮置板的相互连接处及浮置板与隧道内壁之间的间隙间均设有橡胶支挡。在2块预制板的端部的侧面和中间设置4组夹板式剪力铰，并在凸台上预留检修孔（图1）。

1.2 橡胶浮置板轨道

橡胶浮置板轨道一般由钢筋混凝土板、橡胶支座、混凝土底座和配套扣件组成。本文中研究的橡胶浮置板轨道采用橡胶支座的点支承型式。橡胶支座点支承型式支撑面小，抵抗轨道纵向力和横向力的能力差，为将变形限制在可靠范围内，必须使材料的剪切模量、弹性模量、支承橡胶厚度和垫板大小匹配。如果设计合理，可使得轨道结构整体固有频率低、减振效果好且维修方便。本研究中，橡胶浮置板轨道考虑有凸台和无凸台2种型式（图2、图3）。

2 浮置板轨道结构振动频率分析

2.1 有限元模型

图1 钢弹簧浮置板轨道示意图

图2 有凸台橡胶浮置板轨道示意图

本文分别建立钢弹簧浮置板、有凸台橡胶浮置板和无凸台橡胶浮置板轨道三维有限元模型见图4～图6。模型中钢轨以三维梁单元BEAM188来模拟，2个相邻扣件之间的钢轨作为1个梁单元，每个钢弹簧支座和橡胶支座以及扣件都以弹簧阻尼单元COMBIN14来模拟，轨道板均以实体单元SOLID185模拟。浮置板轨道结构模态分析的荷载取零位移约束荷载。

2.2 有限元分析参数

3种浮置板轨道结构模型均采用相同的钢轨和扣件，其参数如下：

（1）钢轨。质量60kg/ m，截面面积77.45 cm2，截面惯性矩3 217 cm4，弹性模量210 GPa，泊松比 0.3；

（2）扣件。刚度30 kN/ mm；

（3）钢弹簧浮置板。长3.6 m，宽2.7 m，浮置板厚分别取0.25 m、0.3 m和0.35 m。凸台高分别取0.1 m、0.15 m和0.2 m，凸台宽1 m。板下钢弹簧支座布置间距1.2 m，单块板布置6个钢弹簧支座，钢弹簧支座静刚度7 kN/ mm；

图3 无凸台橡胶浮置板轨道示意图

图4 钢弹簧浮置板轨道有限元模型

图5 有凸台橡胶浮置板轨道有限元模型

图6 无凸台橡胶浮置板轨道有限元模型

（4）有凸台橡胶浮置板。长3.6 m，宽2.7 m，复制板厚分别取0.25 m、0.3 m和0.35 m。凸台高分别取0.1 m、0.15 m和0.2 m，凸台宽1 m。板下橡胶支座布置间距1.1 m，单块板布置8个橡胶支座，橡胶支座静刚度6 kN/mm。

（5）无凸台橡胶浮置板。长3.6 m，宽2.7 m，复制板厚分别取0.25 m、0.3 m和0.35 m。板中2个孔洞尺寸为0.5 m×0.6 m，板下橡胶支座布置间距1.1 m，单块板布置8个橡胶支座，橡胶支座静刚度6 kN/ mm；

为了更好地确定预制浮置板轨道结构的参数对结构振动特性的影响，本文分别采用了不同凸台厚度、不同板厚度的浮置板。通过以上参数对各自振动模态的影响分析，得到各自的模态特性，而后再进行对比分析。

2.3 计算结果及分析

浮置板轨道是将具有一定质量和刚度的混凝土板浮置在隔振器上，构成质量-弹簧隔振系统。根据理论分析可知，尽管浮置板轨道结构具有很多高阶振动模态，但当列车通过时对隔振效果起关键作用的是浮置板轨道结构的固有振动频率，尤其是低阶固有频率。为此，本文计算了浮置板轨道结构在各种不同参数影响下的前5阶固有频率，结果如表1、表2及图7、图8所示。从表1、表2以及图7、图8中可以看出：

（1）钢弹簧浮置板轨道的1阶固有频率通常在8～10 Hz范围内，橡胶浮置板轨道的1阶固有频率通常在11～14 Hz范围内；

（2）随着浮置板厚度的增加，浮置板轨道的固有频率在1～3阶时呈现递减趋势，即，质量越大，固有频率越低，而固有在频率4～5阶时却随着浮置板厚度（质量）的增加有所增加；

（3）随着浮置板凸台厚度的增加，浮置板轨道的固有频率在1～3阶时呈现递减趋势，即，质量越大，固有频率越低，而固有频率在4～5阶时却随着凸台厚度（质量）的增加有所增加；

（4）加装凸台使得橡胶浮置板轨道的1阶固有频率有明显降低，但是相比于钢弹簧浮置板轨道的1阶固有频率仍然高出不少。

3 落轴试验分析

3.1 落轴试验

落轴试验是在选定的轨道断面上，轮对由一定高度做自由落体运动，垂直冲击钢轨轨面，测定钢轨、轨道板与基底等轨道结构各部分的振动加速度，分析轨道振动传递和衰减规律，评价轨道结构的隔振效果。本试验采用1 200 kg辐条式轮对，在浮置板试验线上进行落轴冲击试验，不同的落轴高度对应不同的冲击荷载，本次试验统一采用15 mm的落轴高度（图9）。

表1 不同浮置板厚度下浮置板轨道固有频率

表2 不同凸台厚度下浮置板轨道固有频率

图7 不同浮置板厚度下1阶固有频率

图8 不同凸台厚度下1阶固有频率

试验中在钢弹簧浮置板、有凸台橡胶浮置板和无凸台橡胶浮置板两侧钢轨、浮置板面和地面分别布置垂向加速度测点（图10）。

3.2 落轴试验结果分析

图9 落轴试验现场

本试验测量了钢弹簧浮置板、有凸台和无凸台橡胶浮置板3种落轴试验工况下，钢轨、板面和地面的1/3倍频程垂向加速度振级，见图11～13，从图11～13可以看出：

（1）3种工况下1/3倍频程曲线在15 Hz左右出现第1个峰值，说明浮置板轨道结构在15 Hz频段振动敏感，容易发生共振；

（2）钢弹簧浮置板在40 Hz以下的振动中比橡胶浮置板隔振效果好；

（3）浮置板到地面的振动传递损失，在60 Hz以下时传递损失达到25 dB以上，在60 Hz以上时传递损失达到40 dB以上；

（4）橡胶浮置板在80 Hz以上时的隔振效果好于钢弹簧浮置板。

图10 试验测点布置示意图

为比较3种浮置板轨道振动的传递损失，进而比较其隔振性能，表3、表4给出了1～80 Hz计权和1～200 Hz计权时3种浮置板轨道钢轨、板面和地面测点的振级。通过计算表3中3种浮置板轨道钢轨和地面测点的振级平均值的差，可以得出：

图11 钢弹簧浮置板轨道测点1/3倍频程垂向加速度振级

图12 有凸台橡胶浮置板轨道测点1/3倍频程垂向加速度振级

图13 无凸台橡胶浮置板轨道测点1/3倍频程垂向加速度振级

（1）1～80 Hz计权时，钢弹簧浮置板轨道、有凸台橡胶浮置板和无凸台橡胶浮置板轨道振动传递损失（振级平均值的差，以下同）分别为30.42 dB、26.69 dB和25.84 dB；1～200 Hz计权时，3种浮置板轨道振动传递损失分别为31.04 dB、26.85 dB和25.94 dB。这说明，使用1～200 Hz计权可以得到较大的振动传递损失，体现了浮置板轨道结构高频滤波的工作特性；

（2）从钢弹簧浮置板轨道、有凸台橡胶浮置板和无凸台橡胶浮置板轨道振动传递损失可以看出，钢弹簧浮置板轨道振动传递损失大于橡胶浮置板轨道，有凸台橡胶浮置板轨道振动传递损失大于无凸台橡胶浮置板轨道。这说明，钢弹簧浮置板轨道隔振性能优于橡胶浮置板轨道，有凸台橡胶浮置板轨道隔振性能优于无凸台橡胶浮置板轨道。