高架箱梁-浮置板轨道系统隔振性能分析*

曾少辉 雷晓燕 罗 锟

（华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，330013，南昌∥第一作者，助理工程师）

高架线路大多穿越城市建筑密集区域。相关研究表明，与普通路面轨道相比，列车经过高架线路时将使沿线噪声级增加0～20 dB（A）［1］。浮置板轨道由于其减振效果明显且少维修等优点，无论是在地下线路还是高架线路上都得到了广泛的运用。

目前，国内大多将钢弹簧浮置板与钢轨的耦合系统作为研究对象来研究高架浮置板轨道的隔振性能。文献［2］建立了浮置板轨道有限元模型，分析了不同参数对浮置板轨道振动模态的影响，并将有限结果与试验数据进行了对比分析。文献［3］通过建立三维钢弹簧浮置板轨道有限元模型，分析了道床板长度、道床板厚度、弹簧刚度、支承间距以及扣件刚度等5个参数及其不同值对浮置板动力特性的影响，并对其传导比进行了分析。文献［4］采用动柔度法建立了二维浮置板轨道频域模型，以力的传递率为依据分析了浮置板轨道的隔振性能。文献［5］运用功率流理论,分析了浮置板轨道传递到基础的振动功率流以及不同参数对其振动能量传递特性的影响。而针对浮置板轨道在高架线路上的减振效果分析却很少。文献［6］针对高架箱梁钢弹簧浮置板轨道建立了有限元模型，并加入轨道不平顺进行瞬态分析，分析了减振器刚度及其间距对钢弹簧浮置板轨道减振特性的影响，并将仿真结果与实测数据进行了对比。高架浮置板轨道耦合系统比较复杂，因此对该耦合系统的隔振性能还需进行多方面的研究。

本文建立了高架箱梁-浮置板轨道耦合系统三维有限元模型，且对模型施加谐荷载进行谐响应分析，研究其在不同频率的荷载作用下的位移响应；分析了钢弹簧刚度、钢弹簧间距以及箱梁的不同支撑刚度3个参数对高架箱梁-浮置板轨道耦合系统的隔振性能的影响。

1 高架箱梁－浮置板轨道耦合系统三维有限元模型

高架桥梁为单箱单室简支箱梁，长度为32 m，浮置板的截面尺寸为3.38 m×0.40 m。高架箱梁-浮置轨道耦合系统三维有限元模型如图1所示，其相关参数如表1所示。采用实体单元模拟箱梁和浮置板，采用梁单元模拟钢轨，采用弹簧单元模拟扣件、钢弹簧及桥梁支座。其中，扣件的刚度为50 kN/mm，钢弹簧的刚度为10 kN/mm，箱梁支座的刚度为3.38×103kN/mm。在箱梁跨中位置施加简谐荷载。荷载的频率为0～400 Hz。

图1 高架箱梁-浮置板轨道耦合系统三维有限元模型

表1 三维有限元模型相关参数表

2 高架箱梁-浮置板轨道耦合系统模态分析

2.1 浮置板结构的模态分析

通过改变钢弹簧的刚度及其间距对浮置板进行模态分析，并提取前10阶固有频率进行对比，如图2～3所示。结果表明：钢弹簧刚度的变化对浮置板模态的影响随着阶数的增加而减小，钢弹簧间距的增加将使浮置板的固有频率减小。

2.2 箱梁的模态分析

图4为不同支座刚度支撑下箱梁的前10阶固有频率。由图4可知，支座刚度的改变仅对第6阶和第8阶固有频率影响较明显，对其余阶数的固有频率的影响很小。

3 高架箱梁-浮置板轨道结构振动传递分析

图2 钢弹簧刚度对浮置板固有频率的影响分析

图3 钢弹簧间距对浮置板固有频率的影响分析

通过对模型施加简谐荷载，进行谐响应分析以获得系统在不同荷载频率作用下的响应，并得到位移响应值和频率的变化关系曲线。通过拾取高架箱梁-浮置板轨道结构模型中不同部位的响应曲线进行对比，分析浮置板的隔振性能。

3.1 振动传递及隔振分析

取钢轨、浮置板及箱梁上的特征点（取点位置见图5），分析其振动在耦合系统中的传递规律，如图6所示。由图6可知，荷载频率处于20 Hz以内的钢轨和浮置板的位移响应基本相同，这是由于钢轨和浮置板通过扣件耦合的缘故。两者随着荷载频率的增加至解耦频率开始表现出不同的振动位移，同时扣件的减振效果也逐渐表现出来。由于钢弹簧浮置板的隔振作用，当振动传递至箱梁时，相比钢轨及浮置板的位移，箱梁的位移得到大幅度的降低。

图5 取点示意图

图6 耦合系统各结构的位移响应曲线

图7为高架线路上普通轨道与浮置板轨道在谐荷载作用下引起箱梁的振动响应曲线。由图7可知，当荷载频率处于0～20 Hz时，2种不同轨道结构作用下箱梁的位移相差不大，甚至在一定频率范围内，普通轨道作用下箱梁的振动位移幅值还更低；当荷载频率超过20 Hz时，浮置板轨道表现出明显的减振效果，相比于普通轨道，浮置板轨道结构作用下箱梁的位移响应幅值得到了大幅度的降低。

图7 箱梁的振动位移响应曲线

3.2 钢弹簧刚度及其支撑间距对隔振性能的影响分析

浮置板为高架箱梁-浮置板轨道耦合系统的主要隔振结构，且钢弹簧刚度及其支撑间距是浮置板设计时考虑的重要参数，因此有必要分析这2个参数对浮置板隔振性能的影响。

钢弹簧刚度值分别为6 MN/m、8 MN/m、10 MN/m和12 MN/m的4种工况下对箱梁的振动位移及振动位移最大值的影响分析如图8～9所示。由图8～9可知：钢弹簧刚度值的改变对箱梁振动位移的影响很小，荷载频率仅在9～15 Hz范围内看出位移有些变化；4种工况下的箱梁振动位移最大值随着钢弹簧刚度的增加而增加，但增加的幅度相对较小。

图8 钢弹簧刚度对箱梁的振动影响分析

图9 钢弹簧刚度对箱梁振动位移最大值的影响分析

钢弹簧的支撑间距分别为1.2 m、1.8 m、2.4 m和3.0 m 4种工况下箱梁的振动位移及振动位移最大值的影响分析如图10～11所示。由图10～11可知，荷载频率在0～50 Hz范围内，4种工况下的箱梁位移变化趋势基本一致，仅在荷载频率峰值处出现相对明显的变化；当荷载频率超过50 Hz时，箱梁位移随着工况的不同而表现出不同的变化趋势；箱梁位移最大值随着钢弹簧支撑间距的增加而减小。

图10 钢弹簧支撑间距对箱梁的振动影响分析

图11 钢弹簧支撑间距对箱梁振动位移最大值的影响分析

3.3 箱梁支座刚度对高架箱梁-浮置板轨道系统的振动影响分析

在整个高架箱梁-浮置板轨道耦合系统中，箱梁支座作为整个系统的支撑结构，其刚度的变化必然会影响系统的振动。因此在初始支座刚度3.38×109N/m的基础上，分别考虑支座刚度为2的情况并进行分析。图12、图13分别为箱梁支座刚度对箱梁振动以及箱梁振动下位移数大值的影响分析。由图12～13可知，箱梁支座刚度的改变与钢弹簧刚度对箱梁的振动影响相似，均仅在一定荷载频率范围内对箱梁振动有影响。其中对箱梁支座刚度有影响的荷载频率范围为0～100 Hz，荷载频率超过100 Hz后对箱梁的振动基本无影响；箱梁振动位移的最大值随着箱梁支座刚度的增加而减小。

图12 箱梁支座刚度对箱梁振动的影响分析

图13 箱梁支座刚度对箱梁振动位移最大值的影响分析

4 结论

通过有限元软件对高架箱梁-浮置板轨道耦合系统的三维有限元模型进行谐响应分析，得到如下结论：

（1）在耦合系统中振动传递到箱梁要经过2次衰减，衰减部位分别为钢轨扣件和浮置板下的钢弹簧，其中振动在钢弹簧中的衰减程度大于振动在扣件中的衰减程度。与高架线路上的普通轨道相比，浮置板的隔振效果更为明显，但其效果在荷载频率达到20 Hz以上才得以体现。

（2）钢弹簧刚度的变化对箱梁振动的影响主要集中在荷载频率为9～15 Hz以内且影响程度较小；钢弹簧的支撑间距对箱梁振动的影响主要集中在荷载频率为50 Hz以上，其影响程度相比钢弹簧刚度值的影响要明显得多；荷载频率在50 Hz以内的影响很小，仅在峰值处有变化。

（3）箱梁支座作为整个系统的支撑体系，其刚度对箱梁的振动影响主要集中在荷载频率为0～100 Hz范围内，在该范围内对箱梁的影响随荷载频率的增大而逐渐减小。

［ 1 ］ KURZWCIL L G.Prediction and control of noise from railway bridges and tracked transit elevated structures［J］．Journal of Sound and Vibration，1977，51（3）：419.

［2］ 耿传智，楼梦麟.浮置板轨道结构系统振动模态分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2006，34（9）：1201.

［3］ 丁德云，刘维宁，李克飞，等.钢弹簧浮置板轨道参数研究［J］.中国铁道科学，2011，32（1）：30.

［4］ 李增光，吴天行.浮置板轨道二维建模及隔振性能分析［J］.铁道学报，2011，33（8）：93.

［5］ 谷爱军，范俊杰.浮置板轨道竖向振动能量传递分析［J］.铁道学报，2004，26（5）：125.

［6］ 韦红亮，练松良，周宇.高架钢弹簧浮置板轨道减振特性分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2012，40（9）：1342.