曾 成 耿傳智 徐天然

預(yù)制浮置板軌道是在預(yù)制件廠生產(chǎn)的一種標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為3.6 m的軌道板，通過(guò)軌道車(chē)和現(xiàn)場(chǎng)龍門(mén)吊車(chē)運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋪設(shè)。預(yù)制浮置板施工可一步到位（傳統(tǒng)現(xiàn)澆浮置板軌道施工，混凝土凝固需28天后才具備頂升條件），從而有效縮短軌道施工工期，加快工程建設(shè)進(jìn)度。本文對(duì)鋼彈簧浮置板軌道和橡膠浮置板軌道2種預(yù)制浮置板軌道隔振性能進(jìn)行研究。

1 預(yù)制浮置板軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 鋼彈簧浮置板軌道

與橡膠浮置板相比，鋼彈簧浮置板與隧道基底間只需極小的空隙（約40 mm），因此，能夠更好地滿(mǎn)足隧道限界要求。為提高軌道結(jié)構(gòu)縱向與橫向的彈性，同時(shí)防止沙石、塵土進(jìn)入浮置板與隧道底板之間的間隙，形成新的振動(dòng)源，在浮置板的相互連接處及浮置板與隧道內(nèi)壁之間的間隙間均設(shè)有橡膠支擋。在2塊預(yù)制板的端部的側(cè)面和中間設(shè)置4組夾板式剪力鉸，并在凸臺(tái)上預(yù)留檢修孔（圖1）。

1.2 橡膠浮置板軌道

橡膠浮置板軌道一般由鋼筋混凝土板、橡膠支座、混凝土底座和配套扣件組成。本文中研究的橡膠浮置板軌道采用橡膠支座的點(diǎn)支承型式。橡膠支座點(diǎn)支承型式支撐面小，抵抗軌道縱向力和橫向力的能力差，為將變形限制在可靠范圍內(nèi)，必須使材料的剪切模量、彈性模量、支承橡膠厚度和墊板大小匹配。如果設(shè)計(jì)合理，可使得軌道結(jié)構(gòu)整體固有頻率低、減振效果好且維修方便。本研究中，橡膠浮置板軌道考慮有凸臺(tái)和無(wú)凸臺(tái)2種型式（圖2、圖3）。

2 浮置板軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率分析

2.1 有限元模型

圖1 鋼彈簧浮置板軌道示意圖

圖2 有凸臺(tái)橡膠浮置板軌道示意圖

本文分別建立鋼彈簧浮置板、有凸臺(tái)橡膠浮置板和無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板軌道三維有限元模型見(jiàn)圖4～圖6。模型中鋼軌以三維梁?jiǎn)卧狟EAM188來(lái)模擬，2個(gè)相鄰扣件之間的鋼軌作為1個(gè)梁?jiǎn)卧?，每個(gè)鋼彈簧支座和橡膠支座以及扣件都以彈簧阻尼單元COMBIN14來(lái)模擬，軌道板均以實(shí)體單元SOLID185模擬。浮置板軌道結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的荷載取零位移約束荷載。

2.2 有限元分析參數(shù)

3種浮置板軌道結(jié)構(gòu)模型均采用相同的鋼軌和扣件，其參數(shù)如下：

（1）鋼軌。質(zhì)量60kg/ m，截面面積77.45 cm2，截面慣性矩3 217 cm4，彈性模量210 GPa，泊松比 0.3；

（2）扣件。剛度30 kN/ mm；

（3）鋼彈簧浮置板。長(zhǎng)3.6 m，寬2.7 m，浮置板厚分別取0.25 m、0.3 m和0.35 m。凸臺(tái)高分別取0.1 m、0.15 m和0.2 m，凸臺(tái)寬1 m。板下鋼彈簧支座布置間距1.2 m，單塊板布置6個(gè)鋼彈簧支座，鋼彈簧支座靜剛度7 kN/ mm；

圖3 無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板軌道示意圖

圖4 鋼彈簧浮置板軌道有限元模型

圖5 有凸臺(tái)橡膠浮置板軌道有限元模型

圖6 無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板軌道有限元模型

（4）有凸臺(tái)橡膠浮置板。長(zhǎng)3.6 m，寬2.7 m，復(fù)制板厚分別取0.25 m、0.3 m和0.35 m。凸臺(tái)高分別取0.1 m、0.15 m和0.2 m，凸臺(tái)寬1 m。板下橡膠支座布置間距1.1 m，單塊板布置8個(gè)橡膠支座，橡膠支座靜剛度6 kN/mm。

（5）無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板。長(zhǎng)3.6 m，寬2.7 m，復(fù)制板厚分別取0.25 m、0.3 m和0.35 m。板中2個(gè)孔洞尺寸為0.5 m×0.6 m，板下橡膠支座布置間距1.1 m，單塊板布置8個(gè)橡膠支座，橡膠支座靜剛度6 kN/ mm；

為了更好地確定預(yù)制浮置板軌道結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響，本文分別采用了不同凸臺(tái)厚度、不同板厚度的浮置板。通過(guò)以上參數(shù)對(duì)各自振動(dòng)模態(tài)的影響分析，得到各自的模態(tài)特性，而后再進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

浮置板軌道是將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土板浮置在隔振器上，構(gòu)成質(zhì)量-彈簧隔振系統(tǒng)。根據(jù)理論分析可知，盡管浮置板軌道結(jié)構(gòu)具有很多高階振動(dòng)模態(tài)，但當(dāng)列車(chē)通過(guò)時(shí)對(duì)隔振效果起關(guān)鍵作用的是浮置板軌道結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率，尤其是低階固有頻率。為此，本文計(jì)算了浮置板軌道結(jié)構(gòu)在各種不同參數(shù)影響下的前5階固有頻率，結(jié)果如表1、表2及圖7、圖8所示。從表1、表2以及圖7、圖8中可以看出：

（1）鋼彈簧浮置板軌道的1階固有頻率通常在8～10 Hz范圍內(nèi)，橡膠浮置板軌道的1階固有頻率通常在11～14 Hz范圍內(nèi)；

（2）隨著浮置板厚度的增加，浮置板軌道的固有頻率在1～3階時(shí)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，即，質(zhì)量越大，固有頻率越低，而固有在頻率4～5階時(shí)卻隨著浮置板厚度（質(zhì)量）的增加有所增加；

（3）隨著浮置板凸臺(tái)厚度的增加，浮置板軌道的固有頻率在1～3階時(shí)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，即，質(zhì)量越大，固有頻率越低，而固有頻率在4～5階時(shí)卻隨著凸臺(tái)厚度（質(zhì)量）的增加有所增加；

（4）加裝凸臺(tái)使得橡膠浮置板軌道的1階固有頻率有明顯降低，但是相比于鋼彈簧浮置板軌道的1階固有頻率仍然高出不少。

3 落軸試驗(yàn)分析

3.1 落軸試驗(yàn)

落軸試驗(yàn)是在選定的軌道斷面上，輪對(duì)由一定高度做自由落體運(yùn)動(dòng)，垂直沖擊鋼軌軌面，測(cè)定鋼軌、軌道板與基底等軌道結(jié)構(gòu)各部分的振動(dòng)加速度，分析軌道振動(dòng)傳遞和衰減規(guī)律，評(píng)價(jià)軌道結(jié)構(gòu)的隔振效果。本試驗(yàn)采用1 200 kg輻條式輪對(duì)，在浮置板試驗(yàn)線(xiàn)上進(jìn)行落軸沖擊試驗(yàn)，不同的落軸高度對(duì)應(yīng)不同的沖擊荷載，本次試驗(yàn)統(tǒng)一采用15 mm的落軸高度（圖9）。

表1 不同浮置板厚度下浮置板軌道固有頻率

表2 不同凸臺(tái)厚度下浮置板軌道固有頻率

圖7 不同浮置板厚度下1階固有頻率

圖8 不同凸臺(tái)厚度下1階固有頻率

試驗(yàn)中在鋼彈簧浮置板、有凸臺(tái)橡膠浮置板和無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板兩側(cè)鋼軌、浮置板面和地面分別布置垂向加速度測(cè)點(diǎn) （圖10）。

3.2 落軸試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9 落軸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

本試驗(yàn)測(cè)量了鋼彈簧浮置板、有凸臺(tái)和無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板3種落軸試驗(yàn)工況下，鋼軌、板面和地面的1/3倍頻程垂向加速度振級(jí)，見(jiàn)圖11～13，從圖11～13可以看出：

（1）3種工況下1/3倍頻程曲線(xiàn)在15 Hz左右出現(xiàn)第1個(gè)峰值，說(shuō)明浮置板軌道結(jié)構(gòu)在15 Hz頻段振動(dòng)敏感，容易發(fā)生共振；

（2）鋼彈簧浮置板在40 Hz以下的振動(dòng)中比橡膠浮置板隔振效果好；

（3）浮置板到地面的振動(dòng)傳遞損失，在60 Hz以下時(shí)傳遞損失達(dá)到25 dB以上，在60 Hz以上時(shí)傳遞損失達(dá)到40 dB以上；

（4）橡膠浮置板在80 Hz以上時(shí)的隔振效果好于鋼彈簧浮置板。

圖10 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

為比較3種浮置板軌道振動(dòng)的傳遞損失，進(jìn)而比較其隔振性能，表3、表4給出了1～80 Hz計(jì)權(quán)和1～200 Hz計(jì)權(quán)時(shí)3種浮置板軌道鋼軌、板面和地面測(cè)點(diǎn)的振級(jí)。通過(guò)計(jì)算表3中3種浮置板軌道鋼軌和地面測(cè)點(diǎn)的振級(jí)平均值的差，可以得出：

圖11 鋼彈簧浮置板軌道測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程垂向加速度振級(jí)

圖12 有凸臺(tái)橡膠浮置板軌道測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程垂向加速度振級(jí)

圖13 無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板軌道測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程垂向加速度振級(jí)

（1）1～80 Hz計(jì)權(quán)時(shí)，鋼彈簧浮置板軌道、有凸臺(tái)橡膠浮置板和無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板軌道振動(dòng)傳遞損失（振級(jí)平均值的差，以下同）分別為30.42 dB、26.69 dB和25.84 dB；1～200 Hz計(jì)權(quán)時(shí)，3種浮置板軌道振動(dòng)傳遞損失分別為31.04 dB、26.85 dB和25.94 dB。這說(shuō)明，使用1～200 Hz計(jì)權(quán)可以得到較大的振動(dòng)傳遞損失，體現(xiàn)了浮置板軌道結(jié)構(gòu)高頻濾波的工作特性；

（2）從鋼彈簧浮置板軌道、有凸臺(tái)橡膠浮置板和無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板軌道振動(dòng)傳遞損失可以看出，鋼彈簧浮置板軌道振動(dòng)傳遞損失大于橡膠浮置板軌道，有凸臺(tái)橡膠浮置板軌道振動(dòng)傳遞損失大于無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板軌道。這說(shuō)明，鋼彈簧浮置板軌道隔振性能優(yōu)于橡膠浮置板軌道，有凸臺(tái)橡膠浮置板軌道隔振性能優(yōu)于無(wú)凸臺(tái)橡膠浮置板軌道。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)浮置板軌道的固有振動(dòng)頻率分析以及浮置板軌道落軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得到如下結(jié)論出：

（1）鋼彈簧浮置板軌道的1階固有頻率通常在8～10 Hz范圍內(nèi)，橡膠浮置板軌道的1階固有頻率通常在11～14 Hz范圍內(nèi)；

表3 3種浮置板軌道振動(dòng)加速度總振級(jí) dB

（2）在滿(mǎn)足列車(chē)安全運(yùn)行的情況下，選擇較大的浮置板厚度、加裝凸臺(tái)以及提高凸臺(tái)厚度都可以使浮置板軌道結(jié)構(gòu)的隔振性能有所提高。

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