劉笑凱，任娟娟，潘國瑞，龐 玲

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

貴陽軌道交通1號線鋼彈簧浮置板軌道過渡段合理設(shè)置方式研究

劉笑凱1，任娟娟1，潘國瑞1，龐 玲2

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

短軌枕式整體道床與鋼彈簧浮置板軌道的軌下基礎(chǔ)剛度差異很大，需要設(shè)置過渡段以實現(xiàn)軌下基礎(chǔ)剛度的合理過渡。結(jié)合貴陽軌道交通1號線中廣泛采用的短軌枕式整體道床與鋼彈簧浮置板軌道進行研究，建立短軌枕式整體道床與鋼彈簧浮置板軌道過渡段的力學(xué)模型，采用有限元方法，對不同過渡段的長度、不同過渡段分級不同車速對過渡段的影響進行分析，同時還分析“加密鋼彈簧支座減振扣件”的過渡方式。結(jié)果表明，不同的過渡段長度和不同的過渡段分級對過渡段的性能有不同程度的影響，采用加密鋼彈簧支座結(jié)合減振扣件的過渡方式比僅加密鋼彈簧支座的過渡方式過渡效果更好。

短軌枕式整體道床； 鋼彈簧浮置板；過渡段；減振扣件

1 概述

在城市軌道交通建設(shè)中，振動與噪聲問題是設(shè)計人員需要面對的一個很重要的問題，因此在城市軌道交通的建設(shè)中采用了許多減振形式的軌道結(jié)構(gòu)，鋼彈簧浮置板軌道是其中最有效的減振軌道，它在我國軌道交通建設(shè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。貴陽軌道交通1號線在部分減振地段擬采用鋼彈簧浮置板軌道，普通地段采用了普通短軌枕式整體道床。由于鋼彈簧浮置板軌道與普通短軌枕式整體道床軌道的軌下基礎(chǔ)剛度相差較大，在列車經(jīng)兩種軌道連接處時，鋼軌的垂向位移將發(fā)生急劇變化，嚴重影響行車的平穩(wěn)性，因此須在兩種軌道間設(shè)置過渡段[1-4]。

鋼彈簧浮置板軌道過渡段通常采用加密鋼彈簧支座的方式進行過渡，為了研究不同過渡方式的過渡效果，還將研究加密鋼彈簧支座與減振扣件同時設(shè)置的過渡方式，過渡段均采用線性過渡[5-6]。

2 計算模型及主要參數(shù)

2.1 力學(xué)模型

運用車輛—軌道耦合動力學(xué)原理建立車輛-軌道-過渡段動力分析模型。其中鋼軌采用彈性點支撐的Euler梁單元模擬，浮置板采用彈性殼單元模擬，扣件與鋼彈簧支座均采用非線性彈簧單元模擬。模型中車輛離散為具有一、二系懸掛的多剛體系統(tǒng)，主要考慮車體和轉(zhuǎn)向架的沉浮、點頭以及輪對的沉浮運動，共計10個自由度；由于鋼彈簧浮置板軌道均設(shè)置在隧道內(nèi)，故基礎(chǔ)簡化為剛性基礎(chǔ)；計算中只考慮軌下基礎(chǔ)剛度差異的影響，所以在計算時不加軌道不平順。動力學(xué)模型如圖1所示[7-10]。

圖1 過渡段動力學(xué)模型

2.2 主要參數(shù)

鋼軌采用CHN60鋼軌，普通扣件選用DZⅢ型扣件，減振扣件采用GJ-Ⅲ型扣件，車體采用B型地鐵列車。主要參數(shù)見表1[11-12]。

表1 主要參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 過渡段長度的影響

行車速度為160 km/h，過渡段分別按照長度為3.1 m(第1種設(shè)置方式)、6.9 m(第2種設(shè)置方式)、10.6 m(第3種設(shè)置方式)進行設(shè)置，設(shè)置方式如圖2所示。

圖2 不同長度過渡段的設(shè)置方式(單位：m)

不同長度過渡段設(shè)置方式的鋼軌撓度變化率、車體垂向加速度分別見圖3、圖4所示。

圖3 不同長度過渡段鋼軌撓度變化率

圖4 不同長度過渡段車體垂向加速度

從圖中可以看出，不設(shè)置過渡段時鋼軌的最大撓度變化率達到了1.397 mm/m，車體的最大垂向加速度達到了0.272 m/s2，增加過渡段的長度鋼軌的最大撓度變化率與車體的最大垂向加速度逐漸減小，過渡段長度從3.1 m增加到6.9 m時，鋼軌的最大撓度變化率由0.670 mm/m減小到了0.621 mm/m，減小幅度為7.5%，車體的最大垂向加速度由0.135 m/s2減小到0.098 m/s2，減小幅度為27.4%；過渡段長度從6.9 m增加到10.6 m時，鋼軌的最大撓度變化率由0.621 mm/m減小到了0.620 mm/m，減小幅度為0.2%，車體的最大垂向加速度由0.098 m/s2減小到0.093 m/s2，減小幅度為5.1%。不同長度的過渡段與不設(shè)置過渡段相比，兩項指標均有明顯的減小。

3.2 過渡段分級的影響

行車速度為160 km/h，過渡段分別按照兩級過渡(第三種設(shè)置方式)和三級過渡(第四種設(shè)置方式)進行設(shè)置(鑒于鋼彈簧支座的實際布置情況，四級過渡不予考慮)，設(shè)置方式如圖5所示。

圖5 分級不同的過渡段設(shè)置方式(單位：m)

不同分級過渡段設(shè)置方式的鋼軌撓度變化率、車體垂向加速度分別如圖6、圖7所示。

圖6 不同分級過渡段鋼軌撓度變化率

圖7 不同分級過渡段分級車體垂向加速度

采用兩級過渡和采用三級過渡鋼軌的的最大撓度變化率分別為0.620 mm/m和0.623 mm/m，車體的最大垂向加速度分別為0.093 m/s2和0.096 m/s2，兩級過渡與三級過渡兩項指標并無明顯差別，兩項指標三級過渡反而比兩級過渡更大。與設(shè)置過渡段相比，這兩項指標有明顯減小。

3.3 采用減振扣件的影響

行車速度為160 km/h，采用“加密鋼彈簧支座+減振扣件”的過渡段設(shè)置方式是在整體道床一側(cè)靠近過渡段的端部的3組扣件采用垂向剛度更小的減振扣件(DZⅢ型扣件，垂直靜剛度為11.5 kN/mm),鋼彈簧支座的布置方式與第一種設(shè)置方式相同。減振扣件與普通扣件的參數(shù)已列于表1當中。

采用“加密鋼彈簧支座+減振扣件”(第5種設(shè)置方式)與僅加密鋼彈簧支座的過渡段設(shè)置方式(第1種設(shè)置方式)鋼軌撓度變化率、車體垂向加速度分別如圖8、圖9所示。

圖8 僅加密支座與“加密鋼彈簧支座+減振扣件”鋼軌撓度變化率

圖9 僅加密支座與“加密鋼彈簧支座+減振扣件”車體垂向加速度

從圖中可以看出，采用“加密鋼彈簧支座+減振扣件”的過渡段設(shè)置方式與僅加密鋼彈簧支座的過渡段設(shè)置方式相比，鋼軌的最大撓度變化率由0.670 mm/m減小到 0.370 mm/m，減小幅度為44.8%，車體的最大垂向加速度由0.135 m/s2減小到0.102 m/s2，減小幅度為24.4%，兩項指標的減小程度均比較大。這是因為在整體道床一側(cè)采用減振扣件可以減小整體道床一側(cè)的軌下基礎(chǔ)剛度，可以更好地實現(xiàn)過渡段的平穩(wěn)過渡。與不設(shè)置過渡段相比，這兩項指標有明顯的減小。

3.4 列車速度的影響

研究車速對過渡段性能的影響，采用第5種過渡段設(shè)置方式進行研究，分別研究車速為90、120、140、160 km/h四種情況。不同車速時鋼軌撓度變化率如圖10所示，車體垂向加速度見表2。

圖10 不同車速時鋼軌撓度變化率

車速/(km/h)90120140160車體最大垂向加速度/(m/s2)-0.064-0.078-0.089-0.102

4種車速情況下，鋼軌的最大撓度變化率分別為0.380、0.374、0.366 mm/m和0.366 mm/m，隨著車速的增大，鋼軌的最大撓度變化率逐漸減小，車體的最大垂向加速度逐漸增加。

4 結(jié)論

(1)短軌枕式整體道床與鋼彈簧浮置板軌道的軌下基礎(chǔ)剛度差異較大，應(yīng)當設(shè)置過渡段，設(shè)置過渡段可以明顯減小鋼軌的最大撓度變化率和車體的最大垂向加速度。

(2)增加過渡段的長度可以減小鋼軌的最大撓度變化率和車體的最大垂向加速度，但是隨著長度的增加，兩項指標的減小幅度逐漸降低，因此過渡段達到一定長度后，增加過渡段長度就不能有效改善過渡段的性能。

(3)只采用加密鋼彈簧支座的過渡段設(shè)置方式，三級過渡與兩級過渡相比鋼軌的最大撓度變化率和車體最大垂向加速度幾乎相同，因此增加過渡段級數(shù)并不能改善過渡段的性能。

(4)采用“加密鋼彈簧支座+減振扣件”的過渡段設(shè)置方式與僅加密鋼彈簧支座的設(shè)置方式相比，兩項指標均有明顯的降低，這說明這種過渡段設(shè)置方式可以更好地實現(xiàn)兩種軌道結(jié)構(gòu)的過渡。

(5)車速對過渡段的的影響體現(xiàn)在車速越大，鋼軌的最大撓度變化率越小，車體的最大垂向加速度越大。

綜合考慮經(jīng)濟因素，鋼彈簧支座要求盡可能的少設(shè)置，因此建議過渡段采用“加密鋼彈簧支座+減振扣件”的設(shè)置方式，即第5種設(shè)置方式。

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Setting of Transition Section of Spring-steel Floating Slab Track on Guiyang Rail Transit Line 1

LIU Xiao-kai1， REN Juan-juan1， PAN Guo-rui1， PANG Ling2

(1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China)

The big difference of stiffness between the short sleeper monolithic track bed and the spring-steel floating slab track foundation calls for a transition section for smooth transition of the stiffness under the rail. The author， based on the short sleeper monolithic track bed and the spring-steel floating slab track that are widely used in Guiyang rail transit line 1， sets up a mechanics model of transition section between the short sleeper monolithic track bed and the spring-steel floating slab track. This paper analyzes the influence of different length， classification and speed on the transition section with the finite-element method. At the same time， the pattern of transition section with encryption steel spring bearing in combination with fasteners on the side of sleeper monolithic track bed is also analyzed. The results show that different length and classification have different impact on the performance of the transition section. The pattern of transition section of encryption steel spring in combination with fasteners is better than that of only encryption steel spring.

Short sleeper monolithic track bed; Spring-steel floating slab; Transition section; Damping fasteners

2014-05-15；

2014-06-10

中鐵二院科研項目(科2013-36)；中國鐵路總公司科技開發(fā)重點項目(2013G008-C)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金科技創(chuàng)新項目(A0920502051308-46)

劉笑凱(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：jlallk@163.com。

1004-2954(2015)03-0050-04

U213.2+41

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.012