趙留輝

(中鐵第一勘察院設(shè)計集團有限公司,西安 710043)

地下線路橡膠減振墊軌道減振性能研究

趙留輝

(中鐵第一勘察院設(shè)計集團有限公司,西安 710043)

為了得到地下線路采用橡膠減振墊軌道的減振效果,建立車輛-軌道-隧道-土層-建筑物的三維有限元-無限元耦合模型,分別計算采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道2種工況下沿線建筑物的三向振動加速度振級。結(jié)果表明:列車運行引起的建筑物振動,以垂直于線路方向的橫向振動為主,其次為垂向振動,平行于線路方向的縱向振動最小;采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點的橫向、縱向加速度振級明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本一致,約為8.9 dB;采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道時,樓板垂向振動規(guī)律基本一致,即隨著樓層的增加,樓板垂向振動呈現(xiàn)先減后增的趨勢,但是差別甚小。與普通整體道床軌道相比,橡膠減振墊軌道可以降低樓板垂向加速度振級約9 dB。

整體道床軌道;橡膠減振墊軌道;振動;減振效果

Key words:track with monolithic track bed;track with rubber vibration-damping pad;vibration; vibration damping effect

1 概述

我國城市軌道交通的蓬勃發(fā)展,帶來了交通的便利,加速了經(jīng)濟的發(fā)展,但與此同時由之引起的環(huán)境振動與噪聲問題對人們的日常生活和工作帶來了越來越嚴重的影響[1]。目前,國內(nèi)外研究人員對于如何控制環(huán)境振動和噪聲做了大量的工作,得到了許多行之有效的措施,橡膠減振墊軌道結(jié)構(gòu)就是其中之一。橡膠減振墊軌道是基于隔振機理的減振措施,對于橡膠減振墊軌道的減振特性,國內(nèi)外學者已進行了相關(guān)的理論和實驗研究。趙才友等[2]通過理論和現(xiàn)場試驗研究了高架軌道鋪設(shè)減振墊的減振效果,認為鋪設(shè)橡膠減振墊后,減振墊上鋼軌和軌道板的振動略有放大,但影響甚微,而減振墊下底座板、橋梁及地面的振動顯著降低,橡膠減振墊能夠?qū)?5 Hz以上頻段的振動起減振作用。鄒策等[3]以北京地鐵為工程背景,研制了高彈性減振墊,進行了大量的室內(nèi)外試驗,表明該減振墊可以使振動衰減達到70%、振動噪聲降低10 dB、使用壽命提高3～4倍、養(yǎng)護維修減少至少1/2。王媛等[4]對深圳地鐵1、2號線試車線列車運行時引起的地面振動進行在線實測,并對相應(yīng)測試數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析,證明采用橡膠減振墊后,軌枕處的減振效果為4.05 dB,距軌道中心線6.0 m處地面的減振效果為6.08 dB,距軌道中心線7.5 m處地面的減振效果為8.70 dB。張針粒[5]采用動力平衡方程法、經(jīng)驗公式法和試驗測試法探討了橡膠減振墊的設(shè)計方法,并認為采用功率流作為隔振效果的評價指標更為合理。吳永芳等[6～9]學者對隔振墊減振效果的評價方法進行了系統(tǒng)探討,并以一些工程實例為背景闡述了系統(tǒng)研究的必要性和合理性。P.Alves Costa等[10]采用2.5維有限元-邊界元耦合法預測了有砟軌道鋪設(shè)橡膠減振墊的減振效果,認為減振墊的鋪設(shè)位置對于隔振效果的影響較為明顯。

本文以深圳地鐵6號線為工程背景。本線路在設(shè)計規(guī)劃時,為了避免線路引起的環(huán)境振動和噪聲對沿線居民生活、工作的影響,對比分析了目前通用的減振降噪措施的減振效果,橡膠減振墊軌道就是其中備選方案之一,橡膠減振墊軌道橫斷面如圖1所示。普通整體道床板軌道如圖2所示。依據(jù)工程勘察報告,為盡量準確反映該隧道區(qū)間的土體分布情況,將土體分成8層,各土層土體的參數(shù)見表1。建筑物分析模型以橫向距離線路中心線25 m處的一居民樓為原型,該居民樓為3層框架結(jié)構(gòu),每層樓高3.5 m。隧道埋深12 m。

圖1 橡膠減振墊軌道橫斷面圖

圖2 普通整體道床軌道橫斷面

表1 土體參數(shù)

2 模型建立與結(jié)果分析

通過建立車輛-軌道-隧道子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和隧道-土-建筑物子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,從而建立起車-隧道-地基土-建筑物大系統(tǒng)的動力分析模型,其中將車輛-軌道-隧道子系統(tǒng)求得的支反力作為隧道-土-建筑物子系統(tǒng)的激勵。為了克服有限元和無限元方法建模時的不足,同時發(fā)揮兩者建模時的長處,本文聯(lián)立無限元與有限元法,將地基土和建筑物組成的體系分為近場和遠場兩部分,近場通過有限元進行模擬,對遠場采用無限元模擬。有限元與無限元的耦合模型實用性較強,可以防止反射波的干擾,獲得較為準確的結(jié)果。具體求解時,對于車輛-軌道-隧道子系統(tǒng)分析通過ANSYS有限元軟件LS-DYNA模塊實現(xiàn),隧道-土-建筑物子系統(tǒng)分析通過ABAQUS有限元軟件實現(xiàn)。

2.1 模型與參數(shù)

深圳地鐵6號線設(shè)計運營地鐵A型車,最高設(shè)計速度為100 km/h,A型車參數(shù)如表2所示。

應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件建立的車輛—軌道—隧道子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示,其中表3列出了橡膠減振墊軌道和普通整體道床軌道的主要參數(shù)。

表2 地鐵A型車參數(shù)

圖3 車軌道隧道承力結(jié)構(gòu)模型

表3 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

承軌臺與基底之間沒有設(shè)置緩沖墊層,為剛性接觸,為模擬基底動態(tài)激勵,采用剛度足夠大(5×1011N/m)的彈簧模擬承軌臺與基底之間的連接。輸入軌道高低不平順激勵,選用美國6級軌道譜,時域樣本如圖4所示。

圖4 軌道不平順時程曲線

應(yīng)用ABAQUS 有限元軟件建立隧道-土-建筑物子系統(tǒng)模型如圖5所示,其中圖5中的建筑物模型如圖6所示。采用有限元與無限元結(jié)合建模,模型的大小垂直于線路方向取為150 m,考慮對稱性,建立半邊模型,橫向取100 m,深度取35 m,網(wǎng)格大小取近處2.5 m,遠處取為4.5 m。以車輛-軌道-隧道子系統(tǒng)分析所提取的支座反力作為荷載激勵輸入模型進行計算分析。需要說明的是,計算結(jié)果主要考慮了系統(tǒng)的低頻振動響應(yīng)。

圖5 車-軌道-隧道承力結(jié)構(gòu)模型

圖6 建筑物模型

2.2 計算結(jié)果分析

由于該建筑物為框架結(jié)構(gòu),故分析地下線路對其影響時,選取樓柱節(jié)點和樓板作為研究對象即可。在具體分析時,選取1號柱的樓柱節(jié)點和每層樓板的中點進行對比分析。

圖7為樓柱節(jié)點橫向即平行于軌向方向的振動加速度振級。

圖7 樓柱節(jié)點橫向振動加速度振級

由圖7可以看出,采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道一樣,隨著距地面的距離增加,樓柱節(jié)點橫向振動加速度逐漸增大,即節(jié)點距地面越高橫向振動響應(yīng)越大。此外,采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點的橫向加速度振級明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本相等,這表明在輪軌動力作用下樓層橫向振動為橫向的基頻振動。其中采用普通整體道床軌道時,樓柱頂端節(jié)點最大橫向振動加速度振級為78.18 dB。采用橡膠減振墊軌道時,最大橫向振動加速度振級為69.28 dB。因此,可以認為應(yīng)用橡膠減振墊軌道相對普通軌道可以減小樓柱橫向振動8.9 dB。

圖8為樓柱節(jié)點縱向即垂直于軌向方向的振動加速度振級。由圖8可以得出,隨著距地面凈高的增加,樓柱節(jié)點縱向振動加速度逐漸增大,即節(jié)點距地面越高縱向振動響應(yīng)越大。此外,與橫向振動類似,采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點的縱向加速度振級明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本一致,這也表明在輪軌動力作用下,樓層縱向振動為基頻振動。采用普通整體道床軌道時,樓柱頂端節(jié)點最大縱向振動加速度振級為56.92 dB,采用橡膠減振墊軌道后樓柱頂端節(jié)點最大縱向振動加速度振級為47.95 dB。即應(yīng)用橡膠減振墊軌道相對普通軌道可以減小樓柱縱向振動8.97 dB。此外結(jié)合圖7和圖8可以看出,樓柱的縱向振動加速度要明顯小于橫向。橡膠減振墊軌道對于降低樓柱橫向振動和縱向振動的效果基本一致。

圖8 樓柱節(jié)點縱向振動加速度振級

樓板垂向振動加速度振級如圖9所示。

圖9 樓板垂向振動加速度振級

由圖9可知,采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道一樣,隨著樓層的增加,樓板垂向振動呈現(xiàn)先減后增的趨勢,但是總體差異不大,各樓層樓板垂向振動近似表現(xiàn)為恒定值。此外可以發(fā)現(xiàn)與普通整體道床軌道相比,采用橡膠減振墊軌道后樓板垂向加速度振級明顯減小,且各樓層降幅基本一致,為9 dB左右。

3 結(jié)論

為了分析地下線路采用橡膠減振墊軌道后的減振效果,建立了車輛-軌道-隧道-地基土-建筑物系統(tǒng)大耦合模型,采用無限元法與有限元法對比分析了采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道2種工況下,垂直于線路方向25 m處的建筑物的橫向、垂向和縱向三向振動情況,得到以下結(jié)論和建議。

(1)列車通過時,沿線建筑物會發(fā)生二次振動,隨著距地面凈高的增加,樓板垂向振動加速度變化不大,樓柱節(jié)點的橫向、縱向振動加速度呈遞增趨勢。此外,樓柱橫向振動加速度振級大于其縱向加速度振級,樓板垂向振動加速度則介于兩者之間,這表明列車運行引起的建筑物水平方向上振動主要為垂直于線路方向的橫向振動,垂向振動也不可忽視。

(2)采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點的橫向加速度振級明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本一致,表明在輪軌動力作用下,樓層橫向振動為其基頻振動。橡膠減振墊軌道相對普通軌道可以減小樓柱橫向振動8.9 dB。

(3)與樓柱節(jié)點的橫向振動類似,采用橡膠減振墊軌道后,樓柱節(jié)點的縱向加速度振級明顯減小,且隨著距地面高度的增高,降幅基本一致。橡膠減振墊軌道相對普通整體道床軌道,可以減小樓柱縱向振動約8.97 dB。

(4)采用普通整體道床軌道和橡膠減振墊軌道時,樓板垂向振動規(guī)律基本一致,隨著樓層的增加,樓板垂向振動呈現(xiàn)先減后增的趨勢,但是差別不大。與普通整體道床軌道相比,橡膠減振墊軌道可以降低樓板垂向加速度振級約9 dB。

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Study on Vibration Damping Performance of Underground Railway Track with Rubber Vibration-Damping Pad

ZHAO Liu-hui
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

In order to ascertain the vibration damping effect of underground railway track with rubber vibration-damping pad,a three-dimensional finite element and infinite element coupling model of vehicle-track-tunnel-soil-building system was established,and the vibration levels of the three-direction vibration accelerations of the building along the underground railway were calculated respectively under the two working conditions:the track which came with ordinary monolithic track bed and the track which came with rubber vibration-damping pad.The results show that:(a)Among the building vibrations caused by train running,the transverse vibration perpendicular to the track direction is the dominant one, followed by the vertical vibration,while the longitudinal vibration parallel to the track direction is the smallest.(b)When using the track with rubber vibration-damping pad,the vibration levels of the transverse and longitudinal accelerations of the column nodes of the building will considerably decrease; and the decreasing will be almost the same with the increasing of the height to the ground surface and will be about 8.9dB.(c)The building floor slabs'vertical vibration patterns which are obtained respectively by using the track with ordinary monolithic track bed and by using the track with rubber vibrationdamping pad,are basically the same;namely,the building floor slab's vertical vibrations will present a trend of decreasing at first and then increasing as the building storey increases,but the difference will be very small.(d)Compared with the track which comes with ordinary monolithic track bed,the tack which comes with rubber-damping pad can decrease the vibration level of vertical acceleration of the floor ______slab by about 9 dB.

U213.2+41

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.010

1004-2954(2014)08-0044-04

2013-12-23;

2014-01-06

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2011G009)

趙留輝(1978—),男,高級工程師,E-mail:zhaoliuh@ 163.com。