童 飛

(中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司 湖北十堰 442012)

鋼軌支撐架方式對(duì)橡膠墊浮置板減振效果的影響

童 飛

(中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司 湖北十堰 442012)

結(jié)合地鐵橡膠墊浮置板施工時(shí)鋼軌支撐架的設(shè)置方式對(duì)軌道隔振效果的影響問(wèn)題，建立橡膠墊浮置板軌道的三維有限元?jiǎng)恿W(xué)分析模型，并分析幾種工況下鋼軌、混凝土板、軌道基礎(chǔ)的振動(dòng)情況。根據(jù)分析結(jié)果得出，支撐架立桿下墊支鐵墊板的方法對(duì)橡膠墊浮置板軌道運(yùn)營(yíng)后的隔振效果影響不利，因此對(duì)鋼軌支撐架的設(shè)置方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用不影響減振效果的橡膠墊鉆孔方法設(shè)置鋼軌支撐架立桿，取得了成功。

軌道交通;橡膠墊;浮置板;鋼軌支撐架方式;振動(dòng)影響

1 地鐵橡膠墊浮置板概述

按北京地方規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，目前地鐵減振主要分為初級(jí)減振、中級(jí)減振、高級(jí)減振和特殊減振［1］。橡膠墊浮置板作為高級(jí)減振的軌道結(jié)構(gòu)，一般其隔振效果為15～20 dB，且具有軌道部件荷載少、安裝速度快、動(dòng)態(tài)硬化低、高絕緣等優(yōu)點(diǎn)，可減少對(duì)土建結(jié)構(gòu)的干擾、具有較高的性?xún)r(jià)比，已在世界其他國(guó)家的地鐵中廣泛使用，瑞士、法國(guó)、西班牙等國(guó)家的地鐵線路都有使用案例［2－4］。近年，國(guó)內(nèi)在北京、鄭州、大連和無(wú)錫等城市地鐵線路中也已經(jīng)采用。

由于橡膠墊浮置板軌道使用的增加，其研究也不斷深入。我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)部門(mén)對(duì)地鐵橡膠減振墊浮置板的應(yīng)用進(jìn)行了研究［5］;大部分學(xué)者從動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)其動(dòng)力性能和參數(shù)進(jìn)行了分析［6－8］，還有從鋪設(shè)方式對(duì)其隔振效果進(jìn)行研究的［9］。由于對(duì)其施工工藝要求越來(lái)越高，目前國(guó)內(nèi)地鐵橡膠墊浮置板減振軌道施工方面對(duì)減振效果的研究還存在不足，實(shí)際上一些施工方法也會(huì)對(duì)橡膠墊浮置板的減振效果產(chǎn)生影響，如施工過(guò)程對(duì)雜物清理有很高的要求，如有異物在橡膠墊與浮置板之間形成“聲橋”，則會(huì)影響橡膠墊浮置板的隔振效果等。

2 橡膠墊浮置板研究背景

北京地鐵6號(hào)線是一條貫穿于中心城東西方向的軌道交通線，是一條與地鐵1號(hào)線基本平行的線路。西起西四環(huán)內(nèi)的五路居站，東至通州區(qū)的東小營(yíng)站，經(jīng)過(guò)區(qū)域有海淀區(qū)、西城區(qū)、東城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)和通州新城5個(gè)行政區(qū)。

該工程在海淀五路居站東側(cè)鋪設(shè)900 m橡膠墊浮置板道床，其中橡膠墊一般道床為691 m，P60－9#單開(kāi)道岔2組，P60－12#14 m間距交叉渡線1組。矩形隧道地段軌道結(jié)構(gòu)高度為650 mm，非道岔區(qū)每塊浮置板道床標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為3 m，扣件及軌枕均采用DTⅥ2型扣件及短軌枕。非道岔區(qū)橡膠墊浮置板道床采用兩側(cè)水溝，橡膠墊底層設(shè)中心排水溝，水溝寬400 mm，沿線路每隔9～10 m在道床中設(shè)置檢查孔，橡膠墊頂部采用聚氨酯填縫膠封堵。橡膠墊浮置道床如圖1所示。

由于項(xiàng)目部是第一次施工橡膠墊浮置板道床，因此如何保證施工質(zhì)量，尤其是保證橡膠墊浮置板應(yīng)有的隔振效果，是擺在參建人員面前的一道難關(guān)。為了攻克難關(guān)，確保施工質(zhì)量及減振效果，在施工過(guò)程中項(xiàng)目部積極邀請(qǐng)橡膠墊生產(chǎn)廠家技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，并邀請(qǐng)北京交通大學(xué)軌道減振與控制實(shí)驗(yàn)室提供理論支持。

圖1 橡膠墊浮置板道床

3 橡膠墊浮置板施工工藝

橡膠墊浮置板鋪軌的工藝流程包括基地處理、基標(biāo)測(cè)設(shè)、架設(shè)鋪軌龍門(mén)吊、道床基底施工、橡膠墊鋪設(shè)、軌排組裝及架設(shè)、軌道精調(diào)、道床混凝土澆筑、道床混凝土養(yǎng)生及聚氨酯填縫膠施工。

軌排組裝及架設(shè)方法包括軌排架軌法和散鋪架軌法。軌排架軌法是在鋪軌基地將鋼軌、軌枕、鐵墊板等扣配件拼裝成軌排，用軌道車(chē)運(yùn)輸至工作面，再利用鋪軌龍門(mén)吊吊裝架設(shè)軌排;散鋪架軌法一般用于矩形隧道內(nèi)或車(chē)站等不能滿足龍門(mén)吊架設(shè)條件及道岔區(qū)施工(道岔鋪設(shè)寬度大于龍門(mén)吊走形寬度)的位置，通過(guò)就地拼裝鋼軌、扣件及軌枕組裝成軌排。

軌排組裝順序?yàn)椋荷⒉贾渭堋卜配撥壊⒄{(diào)整軌距→散布鐵墊板、彈條等扣配件→安裝鐵墊板、彈條→散布軌枕、板下墊板→安裝軌枕→軌排組裝完成。

鋼軌支撐架架設(shè)時(shí)按不大于3 m布置，并將各部位螺栓擰緊，確保軌排整體的穩(wěn)定性。普通道床鋼軌的支撐架絲桿直接放置在道床基底上，橡膠墊道床在基底鋪設(shè)了橡膠墊，由于橡膠墊材質(zhì)較軟，鋼軌支撐架絲桿直接放置在橡膠墊上，因受力集中容易損壞橡膠墊且影響軌道的幾何狀態(tài)，因此支撐架絲桿的放置方式有兩種。

方法1。在鋼軌支撐架絲桿處的橡膠墊上放一塊鐵墊板，將絲桿支撐于鐵墊板上(見(jiàn)圖2)。此方法可以有效解決的問(wèn)題是：將絲桿直接置于橡膠墊上，由于接觸面積小，且軌排重量全部作用在絲桿上，因此可能導(dǎo)致軌道幾何狀態(tài)的不穩(wěn)定，也可能會(huì)破壞橡膠墊。

圖2 橡膠墊墊支鐵墊板工法

此方法在調(diào)整軌道高度時(shí)，由于絲桿受力大等原因使得絲桿處的鐵墊板很容易偏轉(zhuǎn)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，在鐵墊板上焊接了20 mm高的鐵環(huán)(見(jiàn)圖3)。此方法澆筑砼后鐵墊板將留在道床內(nèi)，這樣不可避免地增加了橡膠墊浮置板的局部剛度，可能會(huì)影響減振效果。

圖3 橡膠墊墊支鐵墊板工法(加20 mm鐵環(huán))

方法2。在鋼軌支撐架絲桿處的橡膠墊采用鉆孔的方法，取消絲桿鐵墊板支撐，將絲桿直接落于橡膠墊道床的基底上(見(jiàn)圖4)，并用土工布包裹、膠帶密封，防止混凝土滲入。此方法理論上可有效去除“聲橋”，即剛性短路的可能，且能保證軌道的幾何狀態(tài)。

為了對(duì)比兩種施工方法對(duì)減振和隔振效果的差異影響，進(jìn)一步確定選用哪種支撐方式，特建立橡膠墊浮置板的三維動(dòng)力分析模型，對(duì)這兩種鋼軌支撐架兩側(cè)絲桿安裝方法進(jìn)行比較分析。

圖4 橡膠墊鉆孔支撐法

4 計(jì)算分析模型的建立

分別建立橡膠墊鉆孔設(shè)置支架和下支鐵墊板設(shè)置支架的兩種橡膠墊浮置板軌道理論分析模型。

4.1 兩種分析模型

圖5為橡膠墊浮置板軌道整體動(dòng)力分析模型，模型自上而下依次為鋼軌、扣件、浮置板、橡膠墊和軌道基礎(chǔ)。模型由三塊浮置板組成，兩邊各考慮30 m長(zhǎng)鋼軌，取中間浮置板進(jìn)行分析，以消除邊界效應(yīng)，激勵(lì)加在中間浮置板的中部位置鋼軌上。圖6為橡膠墊模型，圖7為模擬圖2、3中支架絲桿下支墊鐵墊板的橡膠墊模型，圖8為模擬圖4中鉆孔設(shè)置鋼軌支撐絲桿工法的橡膠墊模型。鐵墊板位置和尺寸、橡膠墊鉆孔位置和尺寸均按實(shí)際施工情況設(shè)置。

圖5 橡膠墊浮置板軌道整體動(dòng)力分析模型

圖6 正常的橡膠墊模型

圖7 支架絲桿下的支墊鐵墊板模型

圖8 鉆孔設(shè)置鋼軌支撐絲桿工法的橡膠墊模型

4.2 計(jì)算參數(shù)

4.2.1 橡膠墊層浮置板模型

軌道板尺寸：3 m×2.7 m×0.4 m(長(zhǎng) ×寬 ×高)

橡膠墊層寬2.7 m、厚3 cm;墊層下混凝土層寬為2.7 m、厚為0.6 m。

4.2.2 材料屬性

鋼軌：彈性模量為2.1 ×1011N/m2，泊松比為0.3，密度為7.83×103kg/m3。鐵墊板也采用鋼軌的材料屬性。

混凝土板：彈性模量為3.5×1010N/m2，泊松比為0.176，密度為2.5 ×103kg/m3。

彈性墊層：彈性模量為2.3×105N/m2，泊松比為0.2，密度為 2.0 ×102kg/m3。

軌道基礎(chǔ)混凝土：彈性模量為3.5×1010N/m2，泊松比為0.176，密度為2.5 ×103kg/m3。

4.3 計(jì)算原理

本文以振動(dòng)傳遞函數(shù)來(lái)比較兩種施工方法對(duì)橡膠墊浮置板振動(dòng)效果的影響。這里振動(dòng)傳遞函數(shù)是單位激勵(lì)下浮置板結(jié)構(gòu)的加速度動(dòng)力響應(yīng)，引用垂向加速度傳遞函數(shù)分析橡膠墊浮置板軌道系統(tǒng)在不同頻段的垂向振動(dòng)傳遞特性。

振動(dòng)位移傳遞函數(shù)D(ω)為結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)諧激勵(lì)作用下的位移與作用力F(ω)的幅值比，即

式中，F(xiàn)(ω)為不同頻率的軌道結(jié)構(gòu)激振力，X(ω)、A(ω)為在F(ω)作用下的位移和加速度響應(yīng)幅值［10］。

5 計(jì)算結(jié)果分析

以振動(dòng)加速度傳遞函數(shù)來(lái)比較各種工況的減振效果變化情況。分析幾種工況下鋼軌、混凝土板、軌道基礎(chǔ)的振動(dòng)情況。

5.1 支架絲桿下設(shè)鐵墊板的影響

支架絲桿下設(shè)鐵墊板，由于鐵墊板在施工后留在了澆筑的混凝土板當(dāng)中，使用時(shí)有可能在鐵墊板部位形成剛性支撐，在模型中按施工實(shí)際情況加入了鐵墊板，計(jì)算結(jié)果如圖9～11所示。

圖9 鋼軌垂向加速度傳遞函數(shù)

圖10 浮置板垂向加速度傳遞函數(shù)

圖11 隧道基礎(chǔ)垂向加速度傳遞函數(shù)

從圖9看，該工法對(duì)鋼軌各個(gè)頻率的振動(dòng)影響不大，而圖10則顯示該工法會(huì)對(duì)浮置板300 Hz各個(gè)頻率的振動(dòng)有一定影響，表現(xiàn)為一些頻段振動(dòng)增大，一些頻段振動(dòng)減小。在隨機(jī)荷載作用下，對(duì)整個(gè)頻段應(yīng)該影響不大。從圖11看，該工法對(duì)傳到軌道基礎(chǔ)30 Hz以上的振動(dòng)增大，對(duì)隔振效果有不利的影響，影響了該軌道的隔振作用，因此該工法不宜采用。

為此，經(jīng)過(guò)分析決定采用橡膠墊鉆孔方法。下面分析橡膠墊鉆孔方法對(duì)減振效果的影響。

5.2 彈性墊層鉆孔的影響

這里考慮橡膠墊鋼軌支架絲桿鉆孔直徑分別為3、5和10 cm的情況，計(jì)算結(jié)果如圖12～14所示。

由圖13～14可以看到，橡膠墊是否鉆孔或開(kāi)口大小，對(duì)鋼軌和混凝土板的垂向振動(dòng)影響不大。彈性墊層開(kāi)孔會(huì)在60 Hz以下減小基礎(chǔ)的振動(dòng)，但幅度不大。因此可以認(rèn)為，彈性墊層開(kāi)3～10 cm直徑的孔不會(huì)影響整個(gè)軌道的振動(dòng)特性和隔振效果。

圖12 鋼軌垂向加速度傳遞函數(shù)

圖13 混凝土板垂向加速度傳遞函數(shù)

圖14 隧道基礎(chǔ)垂向加速度傳遞函數(shù)

6 結(jié)論及運(yùn)用

根據(jù)上述理論分析，在軌排架設(shè)時(shí)，方法1將導(dǎo)致鋼軌支撐架立桿下部的橡膠墊形成局部剛度增大的現(xiàn)象，從而影響隔振效果;方法2在立桿位置的橡膠墊鉆孔，將立桿直接落于基底上，施工后不會(huì)影響軌道的隔振效果。但此方法還需注意以下事項(xiàng)：

1)道床基底施工前，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查、驗(yàn)收，對(duì)于滲水地段應(yīng)先進(jìn)行處理，再進(jìn)行墊層施工;

2)基底混凝土施工時(shí)，嚴(yán)格控制其高程及平整度(5mm/m);

3)橡膠墊開(kāi)孔時(shí)，孔徑不宜大于10 cm，并與立桿匹配，立桿與孔之間的縫隙要密封以防止混凝土滲入，開(kāi)孔時(shí)應(yīng)避免損壞橡膠墊;

4)道床板混凝土在澆筑過(guò)程中，應(yīng)控制混凝土的傾落高度，盡量降低高度，以免對(duì)軌道幾何尺寸造成影響，并加強(qiáng)混凝土的搗實(shí)，以提高板的密實(shí)度，同時(shí)可避免道床板裂縫的產(chǎn)生;

5)在鋼筋焊接時(shí)，應(yīng)在焊點(diǎn)下方鋪墊濕石棉布等防火材料，避免焊渣掉落燒壞減振橡膠墊;

6)橡膠墊鋪設(shè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)防金屬件及雜物穿透橡膠墊，檢查孔應(yīng)放置在橡膠墊上方，不得穿透橡膠墊，以免影響橡膠墊減振功能的實(shí)現(xiàn);

7)橡膠墊鋪設(shè)前，應(yīng)提前做好與其前后其他形式的道床排水溝的過(guò)渡銜接，以確保減振道床前后地段排水的順暢，避免積水或堵塞;

8)橡膠墊浮置板在起始、終止點(diǎn)的排水溝兩端及所有檢查孔，在施工完畢后應(yīng)有效封閉，防止灰塵及雜物(被水帶入)進(jìn)入橡膠墊下部，引起淤積，影響減振效果。

北京地鐵6號(hào)線橡膠墊浮置板施工，在用第一種方法施工了120 m后，其余均改用第二種方法施工，并取得了成功，這是理論聯(lián)系實(shí)際、理論指導(dǎo)實(shí)際的結(jié)果。目前，城市地鐵發(fā)展迅速，對(duì)其減振要求越來(lái)越高，精細(xì)化施工程度要求也越來(lái)越高，有些理論研究必將越來(lái)越多地融入到施工當(dāng)中，為地鐵施工保駕護(hù)航。

［1］北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司設(shè)計(jì)研究所.地鐵噪聲與振動(dòng)控制措施應(yīng)用規(guī)范［S］.北京，2012.

［2］http：//www.cdm.eu/projects.html

［3］http：//www.getzner.com/en/fields/railway//

［4］http：//www.calenberg－ingenieure.com/

［5］劉峰，曾向榮，張宏亮，等.新型橡膠減振墊浮置板的應(yīng)用研究［J］.都市快軌交通.2013，26(3)：50 －53.

［6］徐志強(qiáng)，姚京川.橡膠支承浮置板式軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(8)：11－13.

［7］劉克飛，劉學(xué)毅.橡膠浮置板軌道垂向動(dòng)力特性分析［J］.鐵道建筑.2012(8)：113 －116.

［8］劉洪瑞，鄒錦華，王榮輝.軌道交通橡膠浮置板式軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009(2)：5－11.

［9］艾山丁，谷愛(ài)軍.無(wú)砟軌道橡膠隔振支承方式對(duì)隔振效果的影響［J］.都市快軌交通，2011，24(2)：89 －92.

［10］左鶴聲.機(jī)械阻抗方法與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

(編輯：郝京紅)

Analysis of Vibration Reduction Effect of Rail Supporting Frame on Rubber Pads Floating Track

Tong Fei
(China Railway 11th Bureau 3rd Engineering Group Co.，Ltd.，Shiyan，Hubei 442012)

A three-dimensional finite element dynamic analysis model of rubber floating slab track was established for the problem of the effect of rail supporting frame modes in rubber floating slab construction on the vibration isolation.The vibration of rail track，concrete slab and foundation were analyzed.According to the results of theoretical analysis，the supporting frame with iron plate under the column will reduce vibration isolation effect of the track when the track opens，thus the method of drilling holes on rubber pads for the supporting frame is adopted，which will not affect vibration isolation.

urban rail transit;rubber pad;floating slab track;types of rail supporting frame;vibration effect

U213.24

A

1672－6073(2014)02－0081－05

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.020

2014－01－07

2014－01－20

童飛，男，大學(xué)本科，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事軌道工程研究，tf903@hotmail.com