市域快轨钢弹簧浮置板减振道床设计研究

谢 龙 王羽杰

(1.青岛地铁集团有限公司，山东 青岛 266021； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

我国轨道交通工程减振设计是轨道系统设计的重点和难点。一般情况下，减振等级按照环评预测超标量分为中等减振，高等减振和特殊减振三个等级。钢弹簧浮置板减振道床广泛地应用于高等减振和特殊减振。传统地铁工程的钢弹簧浮置板减振道床设计技术方案成熟可靠、运营养护维修也积累了相当丰富的实践经验，国家住建部和部分城市的地铁公司业已颁布了钢弹簧浮置板相关技术规范和标准。但是我国在市域快速轨道交通工程方面，减振方案很少采用钢弹簧浮置板道床减振结构设计，较多地则采用了减振垫等其他减振结构设计。

2 国内外快轨交通钢弹簧浮置板设计简介

日本筑波快线，连接东京市秋叶原站与筑波市筑波站之间的通勤快轨交通，线路全长58.3 km,设计时速160 km，列出轴重15 t。个别段落采用了钢弹簧浮置板减振轨道，位于明挖结构范围，轨道结构高度设计值为850 mm。浮置板宽度2.625 m，厚度536 mm，单位长度质量3.38 t/m，隔振器刚度6.6 kN/mm，间距采用2-2布置，左右对称，单位长度刚度为：2×6.6/(2×0.625)=10.6 kN/mm。

韩国首尔—釜山高速铁路，采用法国TGV列车，线路总长420 km，设计速度为350 km/h。天安站站台层坐落于高档物业建筑的顶层，为避免列车运行时的振动对建筑物及室内人员的影响，设计采用钢弹簧隔振器将整个轨行区与建筑结构进行了隔振处理，该钢弹簧减振结构为现阶段钢弹簧隔振器应用的最高运营速度案例。

国内地铁设计速度120 km/h且正式投入运营、采用钢弹簧浮置板减振设计的有上海地铁16号线、广州地铁机场线、东莞地铁2号线、青岛地铁13号线等；市域快轨交通工程设计速度为140 km/h、采用钢弹簧浮置板减振设计的有成都地铁18号线，暂未开通运营。国内市域快轨或市域铁路工程未见设计速度大于140 km/h且采用钢弹簧浮置板减振设计的线路。

3 市域快轨钢弹簧浮置板设计方案研究

钢弹簧浮置板轨道系统可提供最佳的隔振性能和横向稳定性。系统固有频率7 Hz～10 Hz，分频振级插入损失达20 dB～30 dB，Z振级减振效果15 dB～25 dB。

3.1 钢弹簧浮置板轨道参数影响分析

利用解析法和有限元方法对浮置板系统的振动模态进行了分析，并研究了主要参数对其振动模态影响规律，可以得到以下结论：

1)浮置板垂向振动主要表现为刚体浮沉、轨道板垂向弯曲和轨道板翘曲，随着轨道板长度增加，轨道板的一阶弯曲会与刚体浮沉发生耦合。因此对于短浮置板和中型浮置板应关注其刚体模态，连续型浮置板应主要关注其低阶弯曲模态。

2)浮置板系统的模态频率随着垂向支承刚度的线性减小呈二次下降趋势，隔振器间距的变化会直接影响轨道板的平均支承刚度，因而间距增大会使浮置板轨道系统低阶模态频率呈二次下降趋势。但间距增大会增加浮置板结构受列车荷载作用时的挠曲变形，对结构安全、耐久性可能会产生不利影响。

3)浮置板系统的模态频率随浮置板质量增加而减小，随浮置板弹性模量减小而减小，较大幅度提升其配筋率来满足增加浮置板质量的做法比简单增加混凝土等级更易降低浮置板系统的固有频率。

4)扣件刚度，隔振器横向刚度对浮置板轨道系统的垂向振动模态影响不显著。

3.2 钢弹簧浮置板设计思路

《浮置板轨道技术规范》规定浮置板轨道固有频率宜为6 Hz～16 Hz，固有频率与质量及单位长度支承刚度有关，具体表达如下：

浮置板固有频率与支承刚度及浮置板轨道质量的关系如图1所示。

从图1可知，要达到浮置板轨道系统某一要求的固定频率，可以通过降低支承刚度或增大单位长度质量解决。针对市域快轨工程，降低支承刚度不利于行车，首先应将浮置板单位长度质量尽最大可能做到最大，同时，为保证浮置板系统的安全性，必须考虑支承刚度对道床板安全性的影响。

3.3 钢弹簧浮置板减振性能分析

利用车辆—轨道耦合动力学方法建立连续型浮置板轨道—列车系统动力学模型。其中轨道板考虑为弹性体，利用有限元方法建立浮置板模型，并通过模态分析创建轨道板的子结构文件。为了准确反映浮置板间的相互作用，消除边界效应，采用3块浮置板相连模型，利用弹簧力元来模拟相邻浮置板间剪力铰的作用，将中间板及隔振器作为研究对象。列车考虑为多刚体系统，每节车包括1个车体、2个构架、4条轮对和8个轴箱，共计15个刚体。为了能准确反映车辆载荷特征，且保证有足够的计算速度，故考虑为两节编组。

建立有限元模型分析以下三种方案钢弹簧浮置板的钢轨动力学位移。动力学位移为列车通过时的轨面绝对位移扣减静轴重所产生的轨面下沉量后的剩余值。

方案一：普通地铁钢弹簧浮置板设计。

钢轨为60 kg/m、扣件为弹性分开式扣件，刚度35 kN/mm，轨枕间距0.625 m、钢弹簧浮置板厚度340 mm，单位长度重量2.5 t/m，隔振器刚度6.6 kN/mm，间距采用2-3-2布置，即5个轨枕间距布置两对隔振器，左右对称，单位长度刚度为：2×6.6/(2.5×0.625)=8.5 kN/mm。

方案二：板厚370 mm钢弹簧浮置板设计方案。

本方案钢轨为60 kg/m、扣件为弹性分开式扣件，刚度35 kN/mm，轨枕间距0.6 m，钢弹簧浮置板厚度370 mm，单位长度重量3.39 t/m，隔振器刚度6.6 kN/mm，间距采用2-2布置，左右对称，单位长度刚度为：2×6.6/(2×0.6)=11 kN/mm。本方案与日本筑波线基本相当。

方案三：板厚420 mm钢弹簧浮置板设计方案。

本方案为方案二的改进方案，钢轨为60 kg/m、扣件同样为弹性分开式扣件，刚度35 kN/mm，轨枕间距0.6 m，钢弹簧浮置板厚度420 mm，单位长度重量3.8 t/m，隔振器刚度6.6 kN/mm，间距采用2-2布置，左右对称，单位长度刚度为：2×6.6/(2×0.6)=11 kN/mm。

列车通过时钢轨动力学位移如表1所示。根据表1分析得知，若采用方案二进行设计，钢轨动力学位移为1.51 mm，优于普通地铁钢弹簧浮置板，若采用方案三进行设计，浮置板单位长度质量增加12%，钢轨竖向动力学位移由1.51 mm减小至1.44 mm，减少4.6%，行车条件将进一步改善。

表1 三种不同板厚对应的钢轨动力学位移表

对比以上三种方案，推荐在市域快轨交通工程中钢弹簧浮置板设计采用方案三，保证钢轨动态下沉量的同时，达到规范要求的固频，从而保证浮置板减振效果可满足要求。具体建议为钢轨采用60 kg/m、扣件采用弹性分开式扣件(刚度30 kN/mm～35 kN/mm)、轨枕间距0.6 m、钢弹簧浮置板厚度420 mm，浮置板宽度根据盾构管片直径调整为4.2 m，单位长度重量4.17 t/m，隔振器刚度6.6 kN/mm，间距采用2-2布置，左右对称，单位长度刚度为：2×6.6/(2×0.6)=11 kN/mm。较普通地铁钢弹簧浮置板轨道刚度增加29.4%，浮置板质量增加67%，见图2。

4 结语

市域快轨交通工程列车运行速度较高，列车轴重与地铁A型车相当，如何在保证钢轨动态位移与结构安全性的同时，又能兼顾钢弹簧浮置板的减振性能是设计的关键所在。降低隔振器的支承刚度虽然可以起到较好的减振效果，但同时会增加钢轨的动态下沉量，影响行车安全；增加浮置板质量亦可达到较好的减振效果，但又会增加土建投资和影响接触网的安装空间。本文综合考虑了隔振器支承刚度、浮置板单位质量等因素，提出了推荐方案，其他市域快轨工程可根据其自身特点，综合比选后进行设计参考。