陳習(xí)之 李 威 朱劍月

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

0 引言

隨著軌道交通線路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，軌道結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題越來(lái)越突出。對(duì)城市軌道交通既有線路采用何種合理與有效的減振措施是地鐵運(yùn)營(yíng)管理部門急需解決的工程問(wèn)題。通過(guò)對(duì)既有線路不同軌道結(jié)構(gòu)的減振性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，根據(jù)比較分析試驗(yàn)結(jié)果，提出彈性扣件軌道的基于鋼軌調(diào)諧質(zhì)量系統(tǒng)的“線”“面”式減振措施。1)普通高彈性扣件軌道減振。彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)中，具有不同動(dòng)力參數(shù)的彈性扣件的應(yīng)用無(wú)疑是影響軌道結(jié)構(gòu)減振性能的主要因素。2)“線”式減振。彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)中，可將“鋼軌”看作一條“線”，通過(guò)在鋼軌扣件處定距增加鋼軌調(diào)諧質(zhì)量構(gòu)成鋼軌調(diào)諧質(zhì)量系統(tǒng)，改善彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的減振性能［1，2］。3)“面”式減振。彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)中，可以在鋼軌上附加殼面質(zhì)量，將鋼軌附加的質(zhì)量構(gòu)成面式結(jié)構(gòu)，這種減振的措施稱為“面”式減振。通過(guò)落軸沖擊［3，4］有限元模型，模擬不同軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

1 彈性扣件軌道三種改造模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

車輪模型采用輻條式車輪使用Plane42單元進(jìn)行模擬，網(wǎng)格劃分采用映射方式，四邊形網(wǎng)格形狀。車輪轂厚度a=0.062 7 m，直徑d=1.25 m，軸重1.2 t。車輪的落軸高度取20 mm，能夠較好的模擬車輪在軌道不平順狀態(tài)下彈起，被一系懸掛彈向軌道的沖擊荷載［5-7］。

1.1 高彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)

高彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，通過(guò)改變扣件剛度研究動(dòng)力性能的影響?；緟?shù)如下:1)鋼軌采用60軌:質(zhì)量m=60.64 kg/m、截面面積 A=77.45 cm2、彈性模量 E=210 GPa、泊松比μ=0.3、計(jì)算長(zhǎng)度25 m;ANSYS模型中采用Solid45單元模擬鋼軌實(shí)體;2)扣件剛度取6 kN/mm，25 kN/mm，50 kN/mm，阻尼7.5e4N·s/m，運(yùn)用Combin14單元模擬。

圖1 高彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)落軸沖擊模型圖

1.2 調(diào)諧質(zhì)量“線”式結(jié)構(gòu)

彈性扣件軌道“線”式結(jié)構(gòu)落軸沖擊模型如圖2所示。在每個(gè)扣件的鋼軌處附加調(diào)諧質(zhì)量塊，扣件垂向剛度分別取6 kN/mm，25 kN/mm與50 kN/mm，阻尼均為7.5e4N·s/m。質(zhì)量單元分別取15 kg，30 kg與50 kg，質(zhì)量單元和鋼軌的連接采用Combin14彈簧單元模擬，為保證質(zhì)量單元的穩(wěn)固連接，該處橡膠連接剛度取大值200e6kN/mm。

圖2 彈性扣件軌道“線”式結(jié)構(gòu)落軸沖擊模型圖

1.3 調(diào)諧質(zhì)量“面”式結(jié)構(gòu)

彈性扣件軌道“面”式結(jié)構(gòu)落軸沖擊模型如圖3所示，質(zhì)量系統(tǒng)采用殼結(jié)構(gòu)，板連續(xù)設(shè)置，兩軌中間板寬1.35 m，鋼軌兩端質(zhì)量板各寬0.5 m，板厚120 mm，采用Shell63單元進(jìn)行模擬;扣件剛度取6 kN/mm，25 kN/mm與50 kN/mm。質(zhì)量單元和鋼軌的連接運(yùn)用彈簧模擬，彈簧單元使用Combin14單元。同樣，為保證質(zhì)量單元的穩(wěn)固連接，鋼軌中間及兩邊的質(zhì)量與鋼軌的鏈接用較大剛度的彈簧單元，橫向及垂向均進(jìn)行固定連接，剛度設(shè)置為較大值200e6kN/mm。

圖3 彈性扣件軌道“面”式結(jié)構(gòu)落軸沖擊模型圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 高彈性扣件軌道減振結(jié)果

高彈性扣件軌道的落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)如圖4與圖5所示。各動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果最大值列于表1，對(duì)其分析可知，在保持同一落高(20 mm)下，隨著扣件剛度由6 kN/mm至25 kN/mm再增至50 kN/mm時(shí)，鋼軌最大位移從1.225 mm至1.106 mm再到0.940 mm逐漸減小;而扣件支座反力隨著扣件剛度的增加而增加，相應(yīng)的最大扣件支座反力分別為 44.534 kN，63.721 kN，84.472 kN。

圖4 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時(shí)鋼軌位移（一）

圖5 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時(shí)扣件支座反力（一）

表1 高彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果

分析落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果可知(見(jiàn)圖6)，對(duì)于鋪設(shè)普通彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)的線路，較為經(jīng)濟(jì)可行的既有線減振改造措施為降低扣件剛度，利用高彈性扣件，使得扣件支座反力隨之減小，從而降低傳遞至道床基礎(chǔ)的作用力，起到一定的軌道結(jié)構(gòu)減振效果。但鋼軌位移將隨著扣件剛度的減小而增加，會(huì)對(duì)線路不平順與鋼軌磨耗產(chǎn)生一定程度的影響。

圖6 扣件剛度對(duì)落軸沖擊結(jié)果的影響

2.2 調(diào)諧質(zhì)量“線”式減振結(jié)果

鋼軌調(diào)諧質(zhì)量為15 kg時(shí)，彈性扣件軌道“線”式結(jié)構(gòu)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)如圖7(鋼軌位移)與圖8(扣件支座反力)所示，相應(yīng)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)的最大值列于表2。分析彈性扣件軌道“線”式結(jié)構(gòu)鋼軌調(diào)諧質(zhì)量改變對(duì)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)的影響可知(見(jiàn)圖9)，對(duì)于采用鋼軌調(diào)諧質(zhì)量系統(tǒng)的彈性扣件軌道“線”式結(jié)構(gòu)，當(dāng)保持扣件剛度不變時(shí)，改變調(diào)諧質(zhì)量的大小，鋼軌最大位移和支座反力等動(dòng)力響應(yīng)隨著鋼軌調(diào)諧質(zhì)量的增加而減小，但變化幅度較小;而在鋼軌調(diào)諧質(zhì)量一定時(shí)，彈性扣件軌道“線”式結(jié)構(gòu)的鋼軌位移隨著扣件剛度的增加而減小，支座反力則隨著扣件剛度的增加而顯著增加。

結(jié)果分析表明，對(duì)于采用調(diào)諧質(zhì)量系統(tǒng)的彈性扣件軌道“線”式結(jié)構(gòu)，鋼軌上加入調(diào)諧質(zhì)量能在一定程度上降低扣件支座反力，但在鋼軌調(diào)諧質(zhì)量和扣件剛度共同作用時(shí)，扣件剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力影響遠(yuǎn)大于鋼軌調(diào)諧質(zhì)量所產(chǎn)生的影響(見(jiàn)圖10)。因此，在改造地鐵既有線路減振性能時(shí)，增加鋼軌調(diào)諧質(zhì)量，同時(shí)保持較低的扣件剛度值，會(huì)達(dá)到較好的軌道結(jié)構(gòu)減振效果。相比之下，由于扣件剛度對(duì)整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的減振特性影響較大，對(duì)于彈性扣件軌道“線”式減振結(jié)構(gòu)，應(yīng)確?？奂捎幂^低的剛度，從而能夠?yàn)檐壍澜Y(jié)構(gòu)提供彈性與產(chǎn)生較好的減振性能。

圖7 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時(shí)鋼軌位移（二）

圖8 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時(shí)扣件支座反力（二）

圖9 調(diào)諧質(zhì)量“線”式結(jié)構(gòu)調(diào)諧質(zhì)量對(duì)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)的影響

圖10 調(diào)諧質(zhì)量“線”式結(jié)構(gòu)扣件剛度改變對(duì)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)的影響

2.3 調(diào)諧質(zhì)量“面”式減振結(jié)果

表2 調(diào)諧質(zhì)量“線”式結(jié)構(gòu)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)

彈性扣件軌道“面”式結(jié)構(gòu)(通過(guò)鋼軌之間及兩邊附加質(zhì)量)的落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)如圖11與圖12所示，不同扣件剛度下各動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果最大值列于表3。分析彈性扣件軌道“面”式結(jié)構(gòu)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)的影響可知(見(jiàn)圖13)，隨著扣件剛度的增加，鋼軌位移逐漸減小，而扣件支座反力逐漸增加，變化幅度較為明顯。

圖11 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時(shí)鋼軌位移（三）

圖12 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時(shí)扣件支座反力（三）

圖13 彈性扣件軌道“面”式結(jié)構(gòu)落軸沖擊鋼軌位移和支反力

對(duì)鋼軌上附加質(zhì)量的彈性扣件軌道“面”式結(jié)構(gòu)進(jìn)行落軸沖擊計(jì)算模擬時(shí)，鋼軌位移和扣件支座反力的峰值出現(xiàn)時(shí)間比普通扣件軌道和基于調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的彈性扣件軌道的峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲0.2 s，說(shuō)明鋼軌上附加質(zhì)量后，延緩了整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)沖擊的響應(yīng)。與彈性扣件軌道“點(diǎn)”式與“線”式結(jié)構(gòu)相比，彈性扣件軌道“面”式結(jié)構(gòu)在落軸沖擊作用下產(chǎn)生的鋼軌位移和扣件支座反力等動(dòng)力響應(yīng)均小于前述兩種模型。因此，彈性扣件軌道“面”式結(jié)構(gòu)減小了扣件支座反力，降低了傳遞至道床基礎(chǔ)的作用力，具有較好的軌道結(jié)構(gòu)減振性能;同時(shí)，對(duì)線路不平順與鋼軌磨耗的發(fā)展起到了一定的緩解作用。

表3 調(diào)諧質(zhì)量“面”式結(jié)構(gòu)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立落軸沖擊有限元模型，計(jì)算分析了地鐵既有線彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)不同軌道結(jié)構(gòu)的減振模型進(jìn)行了動(dòng)力性能對(duì)比。

對(duì)于彈性扣件軌道通過(guò)更換扣件的措施，將原有扣件換為高彈性扣件，較為經(jīng)濟(jì)可行的既有線減振改造措施為采用高彈性扣件，降低傳遞至道床基礎(chǔ)的作用力，達(dá)到較好的軌道結(jié)構(gòu)減振效果。對(duì)于采用調(diào)諧質(zhì)量系統(tǒng)的彈性扣件軌道“線”式結(jié)構(gòu)，在改造地鐵既有線路減振性能時(shí)，增加鋼軌調(diào)諧質(zhì)量，同時(shí)保持較低的扣件剛度值，能夠使軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較好的減振性能。與彈性扣件軌道“線”式結(jié)構(gòu)相比，對(duì)鋼軌上附加質(zhì)量的彈性扣件軌道“面”式結(jié)構(gòu)由于減小了扣件支座反力，降低了傳遞至道床基礎(chǔ)的作用力，具有較好的軌道結(jié)構(gòu)減振性能;通過(guò)對(duì)落軸沖擊動(dòng)力響應(yīng)的分析，對(duì)線路不平順與鋼軌磨耗的發(fā)展起到了一定的緩解作用。

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