有砟梯式轨枕轨道减振性能的理论分析与试验研究

第一作者马蒙男，博士，讲师,1983年生

邮箱：mameng_02231250@163.com

有砟梯式轨枕轨道减振性能的理论分析与试验研究

马蒙1,2，刘维宁1，刘卫丰1，李玉路3，金浩1

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081； 3.北京易科路通铁道设备有限公司，北京100044)

摘要：为实验室铺设有砟、无砟两种梯式轨枕轨道，用自由落锤激励装置对两种梯轨减振性能进行对比研究。建立有砟梯轨、有砟普通轨道的数值模型，利用试验测试结果对模型进行验证。通过在模型中施加货运列车荷载对比两种有砟轨道减振性能。结果表明，有砟梯轨减振性能不及浮置式梯轨，在低频段有一定减振能力，20 Hz以下振动经道砟平均衰减25 dB，对控制重载货运列车环境振动具备潜在优势；梯式轨枕对分散列车冲击振动、降低时域内峰值有明显优势。

关键词：梯式轨枕轨道；道砟；振动试验；减振轨道；数值分析

收稿日期：2013-10-21修改稿收到日期：2014-03-27

中图分类号:U213.2；TB533+.2文献标志码：A

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078350，51208507)；爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室开放课题基金(DPMEIKF201406)；陕西省科技发展工业攻关项目(2014K10-15)；陕西省青年科技新星计划项目(2013KJXX-81)

Theoretical analysis and tests for vibration mitigation characteristics of ballasted ladder track

MAMeng1,2,LIUWei-ning1,LIUWei-feng1,LIYu-lu3,JINHao1(1.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；2. State Key Lab. of Track Technology of High-Speed Railway, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China；3. Beijing IKeru Rail Transit Products Co., LTD, Beijing 100044, China)

Abstract:Both ballasted and ballastless ladder tracks were constructed in laboratory. A comparison study on the vibration mitigation performances of the two ladder tracks was performed with an automatic falling hammer system. A numerical model was built for ballasted tracks with ladder sleeper or normal concrete sleeper, it was validated with test results. The vibration mitigation characteristics under moving freight train loads were compared for the two ballasted tracks. Results indicate that the vibration mitigation of ballasted ladder track is worse than that of floating ladder track; ballasted ladder track has a vibration reduction ability within a lower frequency range with the averaged vibration attenuation of 25 dB below 20 Hz through ballast; ladder sleepers have obvious advantages of easing train-induced impulse vibrations and reducing vibration peak values in time domain; ballasted ladder track has potential advantages of controlling freight train-induced environmental vibrations.

Key words:ladder track; ballast; vibration test; vibration mitigation track; numerical analysis

作为一种新型轨道结构-梯式轨枕轨道(简称梯轨)因其利于行车稳定、轨道维修、降低基底应力等特点广受关注。由日本铁道综合技术研究所开发研制的梯轨为广泛使用的代表性产品，其轨枕由预应力混凝土纵梁及横向钢管连接构成，具有既能发挥轨枕特性、大幅度提高荷重分散能力又可补充钢轨自身刚性及质量等特点。梯轨主要形式有道砟梯轨、填充型梯轨、砂浆型梯轨及浮置式梯轨等。至目前，浮置式梯轨在我国城市轨道交通系统使用较广。近年来，对浮置式梯轨的动力及减振性能研究包括实验室减振试验及模态试验[1-2]、减振效果现场测试[3-4]、理论分析及优化[5- 6]等。

有砟梯轨仅在上海地铁7号线及广州地铁5号线等少数线路铺设运营。较浮置式梯轨，对有砟梯轨研究较少。其中美国交通技术中心铺设的有砟梯轨试验段[7-8]试验结果表明，有砟梯轨在沉降、稳定性控制上优于横向混凝土轨枕[9]。文献[10]利用数值模型进行模态计算，认为有砟梯轨具有整体性、传递性特点。欧洲在研究货运列车环境振动时，从原理上分析认为有砟梯轨的特殊构造可较好分担列车轴重，降低单位基底承受的动应力及响应[11]，进而降低货运重载列车引起的低频振动，弥补质量-弹簧系统在自振频率以下低频段减振效果的不足，用于重载列车减振降噪具有潜在前景，但目前尚无专门针对有砟梯轨减振性能研究进行验证。

纵向预应力轨枕及道砟是构成有砟梯轨的重要组成部分，直接影响动力特性。对此，本文利用实验室激振试验研究纵向轨枕下的道砟减振效果，与无砟梯轨对比分析；利用数值分析对比有砟梯轨与普通横枕有砟轨道的减振效果，见图1。

图1　三种轨道型式对比示意图 Fig.1 Sketch of 3 kinds of tracks to be studied

1有砟梯轨与无砟梯轨减振性能对比试验

1.1试验方案

在实验室分别铺设有砟、无砟梯轨试验平台，见图2。选取一个梯轨单元(6.15 m)作为研究对象，测试断面位于梯轨中断面，并在钢轨、轨枕、地表布置测点(有砟梯轨地表测点位于道砟坡脚，无砟梯轨地表测点位于混凝土承台中心)。由于本文仅考虑轨道的竖向减振能力，因此传感器仅布置竖向。

图2　有砟、无砟梯轨试验平台 Fig.2 Tested ballasted and ballastless ladder track

图3　自动落锤激励装置 Fig.3 Automatic falling weight system

激振用自动落锤激励装置，锤击钢轨轨头。用脚手架支撑激振设备使其与轨枕分离，避免设备自身质量对轨枕振动响应影响，见图3。试验时选10次有效锤击数据取平均，典型锤击力时程及频谱见图4。数采设备选INV3020D型24位高精度数据采集仪，钢轨上选Lance AS 0123压电式加速度传感器，量程200 g；轨枕选Lance AS 0105压电式加速度传感器，量程20 g；地表用Lance AS 0156压电式加速度传感器，量程3 g。

图4　典型锤击力时程及频谱 Fig.4 Typical time history and spectrum of impulse forces

设计4种试验工况，工况1为有砟梯轨，工况2～4为无砟梯轨，见表1。其中工况2、3分别为点支撑、线支撑的浮置式梯轨，工况4不采用任何弹性支承，轨枕直接置于混凝土基底，作为对照工况。

表1　试验工况

1.2试验结果

图5为10次有效锤击荷载作用下钢轨、轨枕及地表加速度响应最大值的平均值。由图5看出，①4种工况钢轨时程最大值有一定差异，但基本处于同一振动水平。尽管各次试验质量块数量及下落高度恒定，但轨枕支撑方式不同及各工况间轨枕顶升、弹性材料施工等因素影响会造成差异。②由于采用相同扣件，各工况从钢轨到轨枕的振动衰减幅度基本一致，钢轨及轨枕加速度最大值处于同一量级。③各工况间振动衰减差异主要体现在轨枕-地表的传递，工况3相对衰减量最大，工况4相对衰减量最小。

图5　不同响应点加速度最大值 Fig.5 Maximum acceleration of different points

分析各工况“轨枕-地表”在不同频率下的传递衰减特性，描述量采用传递损失，定义为

(1)

式中：as(fi)，ag(fi)分别为中心频率fi上轨枕、地表加速度有效值；a0=10-6m/s2为参考加速度。

图6为各工况传递损失对比。由图6看出，①有砟梯轨(工况1)在频率极低时振动衰减量大于其余工况，可能与道砟对极低频率类似“准静载”的分散效应有关。②工况2、3的传递损失曲线非常接近，从3 Hz开始明显优于其余两工况，多数频率范围内线状支撑的工况3传递损失大于点状支撑的工况2。此因工况3所用天铁USM 1000W减振垫板底部为锥形凸起设计，与水泥基底间并非完全的纯线状贴合。③振动经过道砟在20 Hz以下平均可衰减25 dB，在该频段较工况4轨枕-地面可多衰减8 dB；但有砟梯轨在20～50 Hz频率范围的传递损失小于工况4。由于我国目前新建高速铁路及城市轨道交通主要采用无砟轨道，有砟轨道主要用于货运及既有线客运铁路。欧洲多个测试结果表明，货运列车在20 Hz以下会引起更大的环境振动，在该频段相较客车平均高出15 dB[12]。可见有砟梯轨对货运列车低频减振具备一定优势。

图6　不同工况下轨枕-地表传递损失对比 Fig.6 Comparison of transfer loss between sleeper and ground under different test cases

2列车荷载作用下有砟梯轨减振性能

为进一步分析列车荷载作用下有砟梯轨减振性能，建立有砟梯轨及普通混凝土轨枕有砟轨道(简称普通有砟轨道)数值对比模型。

2.1计算模型

由于特殊的离散性质，对道砟的计算模拟是个难点。目前常用方法有3种，即①用离散元模拟道砟[13-14]，适合分析道砟沉降、道砟动力特性等；②用有限元实体单元等效模拟道砟[15-16]，广泛用于模拟自由场振动、研究轨道减振效果等；③用等效弹簧-阻尼系统模拟道砟[17-18]，广泛用于车轨相互作用分析、轨道动力分析等。有研究表明[15]，在时域内实体单元模型模拟值偏大，弹簧阻尼模型模拟值偏小；在频域内实体模型在低频段模拟结果更好。

结合本文研究目的，利用有限元法分别建立车辆-轨道及轨道-自由场地模型。前者道砟用弹簧-阻尼系统模拟，并计算作用轨枕表面的列车荷载反力。后者道砟用实体单元模拟，通过在轨枕上施加列车荷载分析地表振动情况。车辆为3节C62A型货车，每节车辆仅考虑一系悬挂；有砟普通轨枕轨道及有砟梯轨模型示意图见图7。选UIC-60钢轨，轨道及自由场主要计算参数见表2。车辆计算参数见文献[17]，轨道不平顺用欧洲有砟轨道线路的实测不平顺数据，见图8。

图7　计算模型示意图 Fig.7 Sktech of numerical model

图8　有砟轨道不平顺实测 Fig.8 Tested irregularity on ballasted track

表2　主要计算参数

2.2模型验证

为验证道砟实体模型等效参数取值情况，在有砟梯轨模型上增加钢轨及扣件单元见图9，并在钢轨上施加实测冲击力(图4)，充分利用有砟梯轨实测钢轨、道砟坡脚振动响应，验证模型的有效性。钢轨-地表振动响应传递函数对比见图10。由图10看出，计算模型的传递特性在80 Hz以内与实测结果吻合较好，但100 Hz以上高频段误差较大，此与网格尺寸划分、瑞利阻尼频率值选取有关。由于环境振动对人体影响的主要频率范围为5～80 Hz，因此分析该频段轨道减振效果时具有一定可靠性。

图9　模型及响应点验证示意图 Fig.9 Validation model and point locations

图10　测试、计算传递函数对比 Fig.10 Tested and calculated transfer function

2.3结果分析

通过车辆-轨道有限元模型计算获得作用于轨枕的列车荷载，车速72 km/h，见图11。将列车荷载先后作用于有砟梯轨及有砟普通轨道(图7)。

图12为两种轨道距离道砟坡脚0 m、3 m地表处的竖向加速度时程，图13为道砟坡脚0 m地表处竖向加速度频谱。由二图看出，两种轨道型式在频谱上总体差别不大，但有砟梯轨在频率很低时响应明显小于普通有砟轨道。在时域内有砟梯轨总体上峰值更小，且振动经道砟衰减后，每个轮对引起的冲击效应在有砟梯轨附近地表已不太明显。

图11 列车荷载时程Fig.11Calculatedtrainloads图12 地表竖向加速度时程Fig.12Timehistoryofgroundverticalaccelerations图13 地表竖向加速度频谱Fig.13Spectrumofgroundverticalaccelerations

分析整个模型道砟顶面、地面各点加速度峰值分布情况。图14中上半部分为有砟普通轨道，下半部分为有砟梯轨。由图14看出，每根普通横枕下均出现不同程度的振动响应集中，各根轨枕下振动相互叠加造成道砟顶面振动场分布复杂，峰值频繁出现，经过道砟分散后亦未完全消减。相反，列车荷载经纵向轨枕衰减后时域图未见明显峰值，仅在每段纵向轨枕断开处出现较小的振动能量集中。因此，有砟梯轨在降低响应时域峰值、分担列车荷载冲击振动、降低极低频率具有一定优势。

图14　道砟加速度峰值云图 Fig.14 Peak acceleration contour of ballasts

据有砟梯轨减振特性可认为，有砟梯轨具有控制重载货运列车环境振动的潜在优势，建议进一步通过实验室及现场试验全面评估其动力特性及减振性能，研究有砟梯轨与枕下、道砟下弹性材料配合使用的减振效果。

3结论

通过有砟、无砟梯轨对比试验及有砟梯轨、普通有砟轨道数值分析比较，结论如下：

(1)仅考虑减振时，有砟梯轨减振能力不及具有枕下弹性材料的浮置式梯轨。

(2)有砟梯轨在低频段具有一定减振性能。频率极低时，减振性能优于无砟梯轨及普通有砟轨道。振动经道砟在20 Hz以下平均可衰减25 dB。

(3)梯式轨枕能较好分担列车冲击荷载，能有效消除枕下振动响应时程峰值。

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