地铁曲线地段钢弹簧浮置板轨道横向位移特性研究

刘锦辉，师多佳，刘文武

（1.深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 518038；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；3.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031；4.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010）

随着城市化的快速发展，城市人口急剧增多，城市交通拥堵现象日益严重，轨道交通的快捷、舒适、 安全以及运量大等特点很好地解决了这一问题，但随着城市轨道交通线路的增多，线路服役时间的增长， 轨道交通带来的振动和噪声问题影响着沿线的居民[1-3]。 按照位置减振方式可以分为钢轨振动控制、轨下减振、枕下减振和道床下减振，道床下减振原理是在上部轨道结构与基础之间加入弹性体，道床会产生惯性运动衰减振动。 按照弹性体的不同，道床下减振有减振垫浮置板、橡胶支座浮置板和钢弹簧浮置板， 其中钢弹簧浮置的减振效果最好。

钢弹簧浮置板具有的高效的减振性能使其得以大量的使用[4]，但在曲线段轮轨作用关系更为复杂，国内外对钢弹簧浮置板在曲线地段的动力特性研究较少[5]。 钢弹簧浮置板轨道较普通整体道床在钢轨和浮置板处的振动幅值会增大，尤其是在曲线地段，良好的减振效果的前提是需要保证钢弹簧浮置板轨道的安全性。 郑玄东[6]测试了曲线段的钢弹簧浮置板轨道的位移，包括内外侧钢轨的垂向及横向位移、 浮置板中部及端部的垂向及横向位移，但其运行速度最高仅为60 km/h。 葛辉等[7]现场测试了直线段钢弹簧浮置板的钢轨和浮置板的垂向位移，列车运行速度最高到117 km/h，并通过仿真计算最不利工况下的钢轨和浮置板的垂向位移，但未对横向位移进行测试和分析。

本文通过现场测试速度分别为80，100，110，120 km/h 下曲线半径为1 200 m 和2 500 m 的钢弹簧浮置板轨道钢轨和浮置板的横向位移，并建立了车辆-轨道-浮置板耦合动力学模型， 除了计算了上述工况外， 还模拟了线路投入使用后的最不利工况[8]，以保证线路行车的安全性。

1 钢弹簧浮置板横向位移测试

1.1 试验概况

以某新建地铁线路曲线段的钢弹簧浮置板为研究对象，为保证其投入使用后的安全性，对曲线段的钢弹簧浮置板的钢轨及浮置板的横向位移进行现场测试。 试验地点为隧道区，铺设无砟轨道，钢轨为无缝焊接轨，扣件类型为DZIII-1 型扣件，地铁车辆为8 卡A+型电动列车编组， 线路的最高运行速度为140 km/h。

1.2 试验仪器

测试仪器采用高精度16 通道INV3060S 型双核采集仪，测量位移的传感器为KEYENCE IL-065型激光传感器，量程为10 mm。 本次试验采用移动电源进行供电，使用电脑离线采样功能。

1.3 测点布置

测试轨道断面2 个，包括：曲线半径1 200 m 区段（DK45+700）、 曲线半径2 500 m 区段 （DK46+300），两个相邻的测试断面同时布置仪器同时测量。

测试内容包括内轨钢轨横向位移、钢弹簧浮置板横向位移，两个测试断面的钢轨和浮置板测点均位于曲线内侧。 钢轨处由于工装安装高度限制，实际测试位置为轨腰附近。 现场布置图如图1 所示。

图1 现场布置图Fig.1 Site layout plan

2 测试结果及分析

线路处于试运行阶段，通过列车共40 趟，速度为80，100，110，120 km/h 列车各10 趟。

选取各速度下结果较好的数据，曲线半径为1 200 m 测试各速度下的钢轨和浮置板动态横向位移典型时程如图2、图3 所示。位移时程图中，向曲线内侧移动时位移为正值，向曲线外侧移动时位移为负值，计算位移最大值时取各动态位移的绝对值最大值。

图2 曲线半径1 200 m 钢轨横向位移Fig.2 Rail lateral displacement with curve radius of 1 200 m

图3 曲线半径1 200 m 浮置板横向位移Fig.3 Floating plate lateral displacement with curve radius of 1 200 m

曲线半径为2 500 m 测试各速度下的钢轨和浮置板动态横向位移典型时程如图4、图5 所示。

图4 曲线半径2 500 m 钢轨横向位移Fig.4 Rail lateral displacement with curve radius of 2 500 m

图5 曲线半径2 500 m 浮置板横向位移Fig.5 Floating plate lateral displacement with curve radius of 2 500 m

从图6 可以明显地看到，测试断面曲线半径为1 200 mm 时在各速度级别下的钢轨位移均大于曲线半径为2 500 mm 时的钢轨位移，各个速度平均相差值为0.352 m， 这是因为曲线半径越小，列车在经过曲线路段时造成的横向轮轨力越大，会导致更大的横向位移。 而对于浮置板的横向位移，虽然也有上述的现象， 但是各个速度平均相差值对比钢轨仅为其1/4，为0.083 m。这是因为相比于轮轨力直接作用于钢轨， 作用在浮置板的横向作用力经过了钢弹簧及扣件的传递， 造成了横向力部分衰减，导致其横向位移差较小。 从列车行驶速度的角度来看， 钢轨及浮置板的横向位移受车速的影响相较于受曲线半径的影响不大， 这是由于受到了地铁列车行驶速度限值的影响， 仅考虑了车速为80～120 km/h 的5 组工况，但也足以说明在地铁正常运营过程中车速对于钢轨和浮置板横向位移的影响并不明显。

图6 各速度下横向位移最大值Fig.6 Maximum lateral displacement at various speeds

3 仿真计算及分析

为模拟线路正常运行之后轨道状态的变化对刚弹簧浮置板横向位移的影响，采用分层建模的思想， 利用多刚体软件建立车辆-钢轨扣件-浮置板-钢弹簧-基底板体系[9-10]。

3.1 相关参数

车辆系统主要由车体、转向架、轮对和一系、二系悬挂组成，将车体、转向架和轮对考虑为刚体，不考虑它们的弹性变形[11－12]，车辆参数采用地体A 型列车，为简化计算，采用两节编组，主要车辆参数如表1 所示。

表1 主要车辆参数Tab.1 Main vehicle parameters

钢弹簧浮置板轨道结构由钢轨、扣件、浮置板、钢弹簧及混凝土基底组成， 各结构相关参数如表2所示。

表2 各轨道结构相关参数Tab.2 Related parameters of each track structure

建立2 块长度相等的浮置板模型， 浮置板与基底之间的钢弹簧采用多体动力学的线性弹簧模拟[13－15]，2 个测试断面的钢弹簧浮置板结构如图7所示，板长24.97 m，两板缝中线距为25 m，板厚为420 mm，板侧布置8 个GZQRII60V 型液体阻尼钢弹簧隔振器， 竖向刚度为5.33 kN/mm， 板中布置40 个GZQRII61V 型液体阻尼钢弹簧隔振器， 竖向刚度7.50 kN/mm，钢轨内侧隔振器中心线距轨道中心线450 mm， 钢轨内侧隔振器中心线距轨道中心线980 mm。

图7 钢弹簧浮置板轨道结构（单位：mm）Fig.7 Steel spring floating slab track structure（Unit：mm）

3.2 模型验证

为验证仿真模型的准确性，分别建立了曲线半径为1 200 m 和2 500 m 的钢弹簧浮置板轨道模型[16－17]，其中图8 为曲线半径为1 200 m 时多体动力学软件中所建立的车辆-轨道-刚弹簧浮置板模型，由于此次测试的地铁线路还未投入运营，仿真时按空载计算，新建线路的平顺性较好，轨道不平顺按美国六级谱考虑，如图9 所示。

图8 车辆-轨道-浮置板仿真模型Fig.8 Vehicle-track-floating slab simulation model

图9 美国六级谱Fig.9 American six-level spectrum

图10、 图11 为仿真得到的两种曲线半径下不同速度的钢轨和浮置板的横向位移。 图12 给出了不同速度下横向位移最大值的数值模拟值与实测值的结果对比。 结果显示，数值模拟值与实测值能较好匹配，数值模拟结果也表明钢轨和浮置板的横向位移受速度的影响较小， 但与曲线半径有关，曲线半径越小，钢轨和浮置板的横向位移越大。

图10 曲线半径1 200 m 钢轨、浮置板横向位移Fig.10 Transverse displacement of rail and floating slab with curve radius of 1 200 m

图11 曲线半径2 500 m 钢轨、浮置板横向位移Fig.11 Lateral displacement of rail and floating slab with curve radius of 2 500 m

图12 数值模拟与实测横向位移最大值对比图Fig.12 Comparison of numerical simulation and measured maximum lateral displacement

3.3 最不利情况模拟

考虑地铁正式运营之后，车辆荷载的不断增加，轨道不平顺的急剧恶化， 仿真计算地铁线路在最不利行车条件下的钢弹簧浮置板轨道钢轨和浮置板的横向位移，轨道谱取美国五级谱，轴重改为140 kN，车速取120 km/h，其它参数仍按表1 和表2 设置，如图13 所示。

图13 美国五级谱Fig.13 American five-level spectrum

由图14 可知，最不利工况下钢轨和浮置板的最大横向位移分别为1.576 mm 和1.990 mm，目前在国内并没有相关规范对浮置板轨道的横向位移进行限制，《浮置板轨道技术规范》 （CJJ/T 191-2012）[18]也仅对浮置板轨道的钢轨和浮置板的垂向位移有明确的限值，但在曲线段的仍需考虑轨道结构的横向位移不能过大， 以免影响行车安全性及平稳性，在浮置板减振轨道结构中常需设置横向限位结果，如凸形挡台、剪力铰等[19－21]。

图14 最不利工况钢轨横向位移Fig.14 The lateral displacement of the rail under the most unfavorable conditions

4 结论

通过现场实测和动力学仿真钢弹簧浮置板轨道两个曲线断面下不同时速的钢轨和浮置板的横向位移，得到以下结论：

1） 车速的改变对钢弹簧浮置板轨道的钢轨和浮置板的横向位移没有太大影响， 但曲线半径越小，轮轨横向作用越大，钢轨和浮置板的横向位移越大；

2） 由于列车荷载的增加及不平顺的恶化， 导致轮轨之间的横向作用力加强，进而导致钢轨与浮置板的横向位移增大；

3） 当线路投入使用后，需定期检查轨道的平顺性，制定合理的打磨周期，保证线路平顺性。