预制框架板式减振轨道减振特性分析

2023-12-27贺天龙

现代城市轨道交通 2023年12期

贺天龙

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

1 背景

近年来，预制框架板式轨道在城市轨道交通线路中应用越来越广泛[1]。轨道板采用工厂化、标准化、专业化预制，其制造精度可以得到保证，采用预制轨道板施工在降低劳动成本的同时可提高轨道的施工质量，最大限度保证轨道施工的连续性[2]。本文结合预制板诸多优点，研究提出一种框架式预制板减振轨道，以更好的适应城市轨道交通地下线及高架线路的减振需求，其具有节省原材料、经济性好、纵横向稳定性优良的特点。

国内学者对城市轨道交通中预制板结构已开展了相关研究，并取得了一定的成果。巩军超[3]针对西安地铁存在的地裂缝问题，对可调式框架轨道板进行了优化设计；于鹏等[4]通过建立板式减振轨道仿真模型，分析了不同减振垫刚度条件下的轨道减振效果；徐旸等[5]研究了一种新型的装配式聚氨酯固化道床结构，通过对比传统轨道结构分析其减振优势；陈宪麦等[6]对2 种预制板轨道结构运用有限元仿真分析，对其动力特性及减振效果进行了研究。

为确保本文提出的预制框架板式轨道在城市轨道交通中能够得到合理应用，研究其动力特性及减振效果十分必要。基于有限元分析软件，建立列车-轨道-基底系统空间振动分析模型，分析不同板密度及减振垫刚度条件下该板式轨道的减振动力特性及减振效果。

2 预制框架板式轨道结构

预制框架板式轨道自下而上由基底（轨道下部基础）、减振垫、道床板等部件组成，如图1 所示。轨道板采用C60 混凝土，板长5.1 m，宽2.3 m，厚0.2 m，板底沿线路纵向两侧粘贴减振垫，减振垫厚25 mm，刚度为14 kN/m，如图2 所示。

图1 轨道板布置纵断面图（单位：mm）

图2 轨道板平面图（单位：mm）

3 列车 -轨道系统空间振动模型

3.1 列车振动模型

列车选取地铁B 型车，由车体、构架（2 个）、轮对（4 个）多刚体系统组成，悬挂系统的弹簧提供X、Y、Z3 个方向的刚度和阻尼，整车共有31 个自由度，车轮采用磨耗型踏面，并用离散刚体模拟[7]。

3.2 轨道振动模型

通过有限元分析软件建立较为详细的预制框架板式减振轨道结构空间耦合模型，如图3 所示。预制框架板式减振轨道整体道床自下而上由底座、减振垫、道床板、轨枕及扣件、钢轨等部件组成，轨道相关部件参数如表1 所示，相关部件建模设置如下。

表1 钢轨、扣件、道床板轨道结构材料参数

表2 不同道床密度对应的减振效果

图3 竖向振动分析模型

（1）钢轨以实体单元模拟，沿轨道结构纵向铺设。

（2）扣件、减振垫的支承和约束作用均以弹簧单元模拟。

（3）道床板及底座均采用实体单元模拟。

3.3 接触及边界条件设置

模型边界条件的统一设置如下：

（1）约束上部轨道结构的纵、横向位移，其竖向可产生自由变形，以减轻边界效应的影响，而基础底面则采用全约束处理；

（2）模型长度按照200 m 计算，以消除边界条件设置对计算结果的影响。

3.4 轨道竖向相互作用力计算

本文中采用Hertz 接触理论[8]，由于车轮采用刚性模拟，钢轨采用可变形体模拟，建立接触过程中，接触面包括钢轨实体单元的表面和轮对的刚体表面，主面选择为车轮的环形踏面，从面则选择为钢轨轨顶面及轨头内侧面，以此来模拟轮轨接触。

3.5 轨道不平顺

参照美国五级谱[9]，轨道不平顺随机样本采用三角级数法并利用Matlab 程序生成，如图4 所示。

图4 不平顺谱样本

4 减振评价指标

结合现有的振动测试研究结果及轨道沿线建筑物振动[10]及其室内二次结构噪声的振动[11]等，考虑高频部分在介质中的快速递减，结合既有文献成果对4～200 Hz 频率范围进行轨道减振效果系统评价[12]。评价指标包括减振效果值ΔVL，a及辅助指标减振效果的最大值ΔVL，max、减振效果的最小值ΔVL，min，具体计算公式如下：

式（1）中，n为1/3 倍频程中心频率的个数；VL，q（i）为非减振轨道竖向振动加速度在1/3 倍频程第i个中心频率上的分频振级；VL，h（i）为减振轨道竖向振动加速度在1/3 倍频程第i个中心频率上的分频振级。