贵阳轨道交通1号线钢弹簧浮置板轨道过渡段合理设置方式研究

刘笑凯，任娟娟，潘国瑞，庞 玲

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

贵阳轨道交通1号线钢弹簧浮置板轨道过渡段合理设置方式研究

刘笑凯1，任娟娟1，潘国瑞1，庞 玲2

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

短轨枕式整体道床与钢弹簧浮置板轨道的轨下基础刚度差异很大，需要设置过渡段以实现轨下基础刚度的合理过渡。结合贵阳轨道交通1号线中广泛采用的短轨枕式整体道床与钢弹簧浮置板轨道进行研究，建立短轨枕式整体道床与钢弹簧浮置板轨道过渡段的力学模型，采用有限元方法，对不同过渡段的长度、不同过渡段分级不同车速对过渡段的影响进行分析，同时还分析“加密钢弹簧支座减振扣件”的过渡方式。结果表明，不同的过渡段长度和不同的过渡段分级对过渡段的性能有不同程度的影响，采用加密钢弹簧支座结合减振扣件的过渡方式比仅加密钢弹簧支座的过渡方式过渡效果更好。

短轨枕式整体道床； 钢弹簧浮置板；过渡段；减振扣件

1 概述

在城市轨道交通建设中，振动与噪声问题是设计人员需要面对的一个很重要的问题，因此在城市轨道交通的建设中采用了许多减振形式的轨道结构，钢弹簧浮置板轨道是其中最有效的减振轨道，它在我国轨道交通建设中已经得到广泛应用。贵阳轨道交通1号线在部分减振地段拟采用钢弹簧浮置板轨道，普通地段采用了普通短轨枕式整体道床。由于钢弹簧浮置板轨道与普通短轨枕式整体道床轨道的轨下基础刚度相差较大，在列车经两种轨道连接处时，钢轨的垂向位移将发生急剧变化，严重影响行车的平稳性，因此须在两种轨道间设置过渡段[1-4]。

钢弹簧浮置板轨道过渡段通常采用加密钢弹簧支座的方式进行过渡，为了研究不同过渡方式的过渡效果，还将研究加密钢弹簧支座与减振扣件同时设置的过渡方式，过渡段均采用线性过渡[5-6]。

2 计算模型及主要参数

2.1 力学模型

运用车辆—轨道耦合动力学原理建立车辆-轨道-过渡段动力分析模型。其中钢轨采用弹性点支撑的Euler梁单元模拟，浮置板采用弹性壳单元模拟，扣件与钢弹簧支座均采用非线性弹簧单元模拟。模型中车辆离散为具有一、二系悬挂的多刚体系统，主要考虑车体和转向架的沉浮、点头以及轮对的沉浮运动，共计10个自由度；由于钢弹簧浮置板轨道均设置在隧道内，故基础简化为刚性基础；计算中只考虑轨下基础刚度差异的影响，所以在计算时不加轨道不平顺。动力学模型如图1所示[7-10]。

图1 过渡段动力学模型

2.2 主要参数

钢轨采用CHN60钢轨，普通扣件选用DZⅢ型扣件，减振扣件采用GJ-Ⅲ型扣件，车体采用B型地铁列车。主要参数见表1[11-12]。

表1 主要参数

3 计算结果与分析

3.1 过渡段长度的影响

行车速度为160 km/h，过渡段分别按照长度为3.1 m(第1种设置方式)、6.9 m(第2种设置方式)、10.6 m(第3种设置方式)进行设置，设置方式如图2所示。

图2 不同长度过渡段的设置方式(单位：m)

不同长度过渡段设置方式的钢轨挠度变化率、车体垂向加速度分别见图3、图4所示。

图3 不同长度过渡段钢轨挠度变化率

图4 不同长度过渡段车体垂向加速度

从图中可以看出，不设置过渡段时钢轨的最大挠度变化率达到了1.397 mm/m，车体的最大垂向加速度达到了0.272 m/s2，增加过渡段的长度钢轨的最大挠度变化率与车体的最大垂向加速度逐渐减小，过渡段长度从3.1 m增加到6.9 m时，钢轨的最大挠度变化率由0.670 mm/m减小到了0.621 mm/m，减小幅度为7.5%，车体的最大垂向加速度由0.135 m/s2减小到0.098 m/s2，减小幅度为27.4%；过渡段长度从6.9 m增加到10.6 m时，钢轨的最大挠度变化率由0.621 mm/m减小到了0.620 mm/m，减小幅度为0.2%，车体的最大垂向加速度由0.098 m/s2减小到0.093 m/s2，减小幅度为5.1%。不同长度的过渡段与不设置过渡段相比，两项指标均有明显的减小。

3.2 过渡段分级的影响

行车速度为160 km/h，过渡段分别按照两级过渡(第三种设置方式)和三级过渡(第四种设置方式)进行设置(鉴于钢弹簧支座的实际布置情况，四级过渡不予考虑)，设置方式如图5所示。

图5 分级不同的过渡段设置方式(单位：m)

不同分级过渡段设置方式的钢轨挠度变化率、车体垂向加速度分别如图6、图7所示。

图6 不同分级过渡段钢轨挠度变化率

图7 不同分级过渡段分级车体垂向加速度

采用两级过渡和采用三级过渡钢轨的的最大挠度变化率分别为0.620 mm/m和0.623 mm/m，车体的最大垂向加速度分别为0.093 m/s2和0.096 m/s2，两级过渡与三级过渡两项指标并无明显差别，两项指标三级过渡反而比两级过渡更大。与设置过渡段相比，这两项指标有明显减小。

3.3 采用减振扣件的影响

行车速度为160 km/h，采用“加密钢弹簧支座+减振扣件”的过渡段设置方式是在整体道床一侧靠近过渡段的端部的3组扣件采用垂向刚度更小的减振扣件(DZⅢ型扣件，垂直静刚度为11.5 kN/mm),钢弹簧支座的布置方式与第一种设置方式相同。减振扣件与普通扣件的参数已列于表1当中。

采用“加密钢弹簧支座+减振扣件”(第5种设置方式)与仅加密钢弹簧支座的过渡段设置方式(第1种设置方式)钢轨挠度变化率、车体垂向加速度分别如图8、图9所示。

图8 仅加密支座与“加密钢弹簧支座+减振扣件”钢轨挠度变化率

图9 仅加密支座与“加密钢弹簧支座+减振扣件”车体垂向加速度

从图中可以看出，采用“加密钢弹簧支座+减振扣件”的过渡段设置方式与仅加密钢弹簧支座的过渡段设置方式相比，钢轨的最大挠度变化率由0.670 mm/m减小到 0.370 mm/m，减小幅度为44.8%，车体的最大垂向加速度由0.135 m/s2减小到0.102 m/s2，减小幅度为24.4%，两项指标的减小程度均比较大。这是因为在整体道床一侧采用减振扣件可以减小整体道床一侧的轨下基础刚度，可以更好地实现过渡段的平稳过渡。与不设置过渡段相比，这两项指标有明显的减小。

3.4 列车速度的影响

研究车速对过渡段性能的影响，采用第5种过渡段设置方式进行研究，分别研究车速为90、120、140、160 km/h四种情况。不同车速时钢轨挠度变化率如图10所示，车体垂向加速度见表2。

图10 不同车速时钢轨挠度变化率

车速/(km/h)90120140160车体最大垂向加速度/(m/s2)-0.064-0.078-0.089-0.102

4种车速情况下，钢轨的最大挠度变化率分别为0.380、0.374、0.366 mm/m和0.366 mm/m，随着车速的增大，钢轨的最大挠度变化率逐渐减小，车体的最大垂向加速度逐渐增加。

4 结论

(1)短轨枕式整体道床与钢弹簧浮置板轨道的轨下基础刚度差异较大，应当设置过渡段，设置过渡段可以明显减小钢轨的最大挠度变化率和车体的最大垂向加速度。

(2)增加过渡段的长度可以减小钢轨的最大挠度变化率和车体的最大垂向加速度，但是随着长度的增加，两项指标的减小幅度逐渐降低，因此过渡段达到一定长度后，增加过渡段长度就不能有效改善过渡段的性能。

(3)只采用加密钢弹簧支座的过渡段设置方式，三级过渡与两级过渡相比钢轨的最大挠度变化率和车体最大垂向加速度几乎相同，因此增加过渡段级数并不能改善过渡段的性能。

(4)采用“加密钢弹簧支座+减振扣件”的过渡段设置方式与仅加密钢弹簧支座的设置方式相比，两项指标均有明显的降低，这说明这种过渡段设置方式可以更好地实现两种轨道结构的过渡。

(5)车速对过渡段的的影响体现在车速越大，钢轨的最大挠度变化率越小，车体的最大垂向加速度越大。

综合考虑经济因素，钢弹簧支座要求尽可能的少设置，因此建议过渡段采用“加密钢弹簧支座+减振扣件”的设置方式，即第5种设置方式。

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Setting of Transition Section of Spring-steel Floating Slab Track on Guiyang Rail Transit Line 1

LIU Xiao-kai1， REN Juan-juan1， PAN Guo-rui1， PANG Ling2

(1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China)

The big difference of stiffness between the short sleeper monolithic track bed and the spring-steel floating slab track foundation calls for a transition section for smooth transition of the stiffness under the rail. The author， based on the short sleeper monolithic track bed and the spring-steel floating slab track that are widely used in Guiyang rail transit line 1， sets up a mechanics model of transition section between the short sleeper monolithic track bed and the spring-steel floating slab track. This paper analyzes the influence of different length， classification and speed on the transition section with the finite-element method. At the same time， the pattern of transition section with encryption steel spring bearing in combination with fasteners on the side of sleeper monolithic track bed is also analyzed. The results show that different length and classification have different impact on the performance of the transition section. The pattern of transition section of encryption steel spring in combination with fasteners is better than that of only encryption steel spring.

Short sleeper monolithic track bed; Spring-steel floating slab; Transition section; Damping fasteners

2014-05-15；

2014-06-10

中铁二院科研项目(科2013-36)；中国铁路总公司科技开发重点项目(2013G008-C)；中央高校基本科研业务费专项资金科技创新项目(A0920502051308-46)

刘笑凯(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：jlallk@163.com。

1004-2954(2015)03-0050-04

U213.2+41

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.012