劉海濤，劉偉斌，王繼軍

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

基于目前應(yīng)用情況，減振軌道需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究：①高速鐵路浮置板軌道減振效果主要由減振墊剛度和軌道板參振質(zhì)量決定，為滿足減振需求，需要進(jìn)一步研究減振墊最低剛度以及與之匹配的軌道板厚度；②減振軌道造價(jià)昂貴，有必要采取措施進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性；③改變減振墊鋪設(shè)方式時(shí)，需根據(jù)軌道板特點(diǎn)采用相應(yīng)的施工工藝。

1 高速鐵路環(huán)境振動(dòng)特性

當(dāng)列車通過時(shí)，減小高速鐵路沿線環(huán)境振動(dòng)為減振軌道的控制目標(biāo)。為確定高速鐵路無砟軌道沿線環(huán)境振動(dòng)的主要頻段，分別對(duì)武廣高速鐵路和滬寧城際鐵路沿線環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，分析高速鐵路無砟軌道環(huán)境振動(dòng)特性。武廣高速鐵路分別選取5種典型無砟軌道類型(Rheda2000雙塊式、CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅠ型減振板式、CRTSⅡ型板式)，測(cè)點(diǎn)為線路外側(cè)距離軌道中心線30 m地面處，線下基礎(chǔ)分為橋梁、路基區(qū)段。滬寧城際鐵路分別測(cè)試CRH2C和CRH3型動(dòng)車組以300 km/h速度通過橋梁、路基區(qū)段時(shí)環(huán)境振動(dòng)的頻率特性[5]。

根據(jù)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，路堤區(qū)段與橋梁區(qū)段的環(huán)境振動(dòng)頻譜特性基本相似，主頻主要出現(xiàn)在31.5～40.0 Hz之間。圖1為列車時(shí)速300 km時(shí)，武廣高速鐵路雙塊式軌道橋梁區(qū)段距離軌道中心線30 m處環(huán)境振動(dòng)時(shí)域、頻域信號(hào)；圖2為列車時(shí)速340 km時(shí)，武廣高速鐵路雙塊式軌道路堤區(qū)段距離軌道中心線30 m 處環(huán)境振動(dòng)時(shí)域、頻域信號(hào)。

圖1 橋梁區(qū)段環(huán)境振動(dòng)時(shí)域、頻域信號(hào)

圖2 路堤區(qū)段環(huán)境振動(dòng)時(shí)域、頻域信號(hào)

2 高速鐵路減振軌道減振墊鋪設(shè)方式

為了提高減振軌道的經(jīng)濟(jì)性能，研究減振墊鋪設(shè)方式對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，確定減振墊鋪設(shè)方式。

圖5 3種鋪設(shè)方式下軌道結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)曲線

2.1 鋪設(shè)方式

減振墊鋪設(shè)方式分為面鋪、條鋪和點(diǎn)鋪3種。以中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)為例，面鋪是在自密實(shí)混凝土層和底座之間全面積鋪設(shè)減振墊；條鋪是在自密實(shí)混凝土層和底座之間對(duì)應(yīng)2根鋼軌位置處，各鋪設(shè)縱向條狀減振墊；點(diǎn)鋪是在自密實(shí)混凝土層和底座之間，每塊軌道板從端部第1個(gè)承軌臺(tái)開始，分別在第1，3，5，7，9個(gè)承軌臺(tái)對(duì)應(yīng)位置下方鋪設(shè)點(diǎn)狀減振墊。減振墊鋪設(shè)方式如圖3所示。條鋪減振墊寬度為0.3 m；點(diǎn)鋪減振墊寬度為0.3 m，長(zhǎng)度為0.4 m。

圖3 減振墊鋪設(shè)方式示意

2.2 3種鋪設(shè)方式力學(xué)性能對(duì)比

針對(duì)3種鋪設(shè)方式分別建立有限元模型，計(jì)算靜力荷載作用下3種軌道結(jié)構(gòu)的變形和軌道板應(yīng)力，并通過諧響應(yīng)分析3種軌道結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)特性[6]。保持3種鋪設(shè)方式下減振墊等效減振剛度相同，減振墊采用面鋪時(shí)，減振墊剛度為0.05 MPa/mm，依此換算條鋪和點(diǎn)鋪時(shí)的減振墊剛度。

采用80 kN靜輪重進(jìn)行單輪對(duì)加載，鋼軌豎向位移曲線見圖4，軌道板應(yīng)力見表1，諧響應(yīng)曲線見圖5。

圖4 3種減振墊鋪設(shè)方式下鋼軌豎向位移曲線

由圖4、圖5和表1可以看出：在保持板下等效剛度不變的情況下，減振墊3種鋪設(shè)方式引起的鋼軌豎向位移、軌道板應(yīng)力基本相同，豎向振動(dòng)頻率基本一致。

2.3 鋪設(shè)方式比選

減振墊采用面鋪時(shí)，減振墊材料用量較多，為條鋪的4倍，點(diǎn)鋪的10倍，經(jīng)濟(jì)性較差；采用點(diǎn)鋪時(shí)，由于點(diǎn)鋪是在承軌臺(tái)下方間隔布置減振墊，當(dāng)減振墊發(fā)生損傷時(shí)，對(duì)軌道板受力、位移影響較大。綜合面鋪、條鋪和點(diǎn)鋪的力學(xué)性能及優(yōu)缺點(diǎn)(見表2)，本方案中減振墊采用條鋪方式。

表2 面鋪、條鋪和點(diǎn)鋪優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 高速鐵路減振墊剛度和軌道板厚度確定

3.1 減振墊剛度確定

參照TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》[7]，無砟軌道鋼軌位移基準(zhǔn)值為1.5 mm，最大值為2.0 mm；有砟軌道鋼軌位移基準(zhǔn)值為2.0 mm，最大值為2.5 mm。高速鐵路減振軌道彈性較好，目前參照有砟軌道執(zhí)行，即鋼軌位移基準(zhǔn)值為2.0 mm，最大值為2.5 mm。

當(dāng)軌道板厚度取350 mm，減振墊剛度取0.03～0.12 MPa/mm時(shí)，分別計(jì)算列車靜軸重作用下鋼軌的位移及軌道板自振頻率，計(jì)算結(jié)果見圖6?？芍?，根據(jù)正常運(yùn)營(yíng)條件下鋼軌位移不大于2.0 mm的原則，減振墊剛度需大于0.04 MPa/mm；根據(jù)減振軌道自振頻率需小于22 Hz方能起到較好減振效果的要求，減振墊剛度需小于0.06 MPa/mm。故減振墊剛度取值為0.05 MPa/mm。

圖6 不同減振墊剛度下鋼軌位移及軌道板自振頻率

3.2 軌道板厚度確定

圖7 減振軌道結(jié)構(gòu)一階自振頻率隨軌道板厚度變化曲線

圖7為高速鐵路減振軌道一階自振頻率隨軌道板厚度變化曲線。隨軌道板厚度的增加，一階豎向自振頻率逐漸降低，當(dāng)軌道板厚度(含自密實(shí)混凝土層)為500 mm時(shí)減振軌道一階自振頻率為17 Hz。

較厚軌道板會(huì)增加軌道結(jié)構(gòu)高度，受建設(shè)環(huán)境制約，軌道板不能太厚。而較薄軌道板除增加軌道結(jié)構(gòu)自振頻率外，還會(huì)導(dǎo)致軌道板振動(dòng)增大，容易產(chǎn)生運(yùn)營(yíng)病害。故軌道板厚度取值為300～500 mm。

4 基于條鋪的高速鐵路減振軌道方案

4.1 結(jié)構(gòu)方案

大西客運(yùn)專線減振軌道減振墊剛度采用0.03 MPa/mm，隧道內(nèi)道床板厚度為350 mm，隧道邊墻處減振效果為7 dB(Z)；成灌鐵路減振軌道減振墊剛度采用0.019 MPa/mm，軌道板厚度為190 mm，梁面處減振效果為9 dB(Z)；北京地下直徑線實(shí)尺模型減振墊剛度采用0.012 MPa/mm，道床板厚度為 500 mm，減振效果為11 dB(Z)。

圖8 減振方案分頻振級(jí)計(jì)算值

針對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)板式軌道，確定減振軌道結(jié)構(gòu)方案。減振地段取減振墊剛度為0.05 MPa/mm；軌道板結(jié)構(gòu)形式與一般地段保持一致，便于工廠化生產(chǎn)；為增大軌道板的參振質(zhì)量，自密實(shí)混凝土層厚度采用150 mm，即復(fù)合板厚度為350 mm；減振效果為10 dB(Z)。特殊減振地段取減振墊剛度為0.05 MPa/mm，軌道板和自密實(shí)混凝土層總厚度取500 mm，即軌道板厚350 mm，自密實(shí)混凝土層厚150 mm，減振效果為12 dB(Z)。過渡段采用2級(jí)過渡，軌道板結(jié)構(gòu)與減振地段保持一致，減振墊剛度分別采用0.01，0.03 MPa/mm。

4.2 施工工藝

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)板式減振結(jié)構(gòu)從上至下分為軌道板、自密實(shí)混凝土層、減振墊和底座[8-9]。施工方法為在保持原結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，增加鋪設(shè)減振墊環(huán)節(jié)，即底座施工完后，在底座上(與自密實(shí)混凝土層之間)鋪設(shè)減振墊和泡沫板，泡沫板位于自密實(shí)混凝土層和底座之間除減振墊之外的所有空間，起到施工隔離的作用;減振墊和泡沫板之上鋪土工布，安放鋼筋。泡沫板比減振墊低 5 mm，自密實(shí)混凝土在澆筑過程中自動(dòng)形成減振墊卡槽。

5 減振軌道現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于條鋪的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)板式減振軌道施工工藝，對(duì)比點(diǎn)鋪和條鋪的差異，評(píng)估減振效果，在國(guó)家鐵路試驗(yàn)線分別建立2條試驗(yàn)段。第1條試驗(yàn)段長(zhǎng)度為85 m，含條鋪和點(diǎn)鋪2種減振墊鋪設(shè)方式，試驗(yàn)段條鋪減振墊剛度采用0.08 MPa/mm，點(diǎn)鋪減振墊剛度采用0.15 MPa/mm，復(fù)合板厚度為300 mm；第2條試驗(yàn)段長(zhǎng)度為54 m，復(fù)合板厚度為350 mm，減振墊采用條鋪方式，減振墊剛度為0.05 MPa/mm。表3為不同速度下軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度時(shí)域最值及加速度分頻振級(jí)均方根值，圖9和圖10分別為80，100 km/h兩種速度下第1條試驗(yàn)段底座加速度分頻振級(jí)，圖11為100 km/h 速度下第2條試驗(yàn)段底座加速度分頻振級(jí)。圖12為施工效果。

圖9 第1條試驗(yàn)段80 km/h速度下底座加速度分頻振級(jí)

圖10 第1條試驗(yàn)段100 km/h速度下底座加速度分頻振級(jí)

圖11 第2條試驗(yàn)段100 km/h速度下底座加速度分頻振級(jí)

圖12 施工效果

表3及圖9—圖12結(jié)果表明：條鋪和點(diǎn)鋪具有一致效果；在條鋪面剛度為0.08 MPa/mm，復(fù)合板厚度為300 mm的情況下，底座加速度分頻振級(jí)均方根插入損失為8 dB(Z)；在條鋪面剛度為0.05 MPa/mm，復(fù)合板厚度為350 mm的情況下，底座加速度分頻振級(jí)均方根插入損失為12 dB(Z)。試驗(yàn)效果驗(yàn)證了條鋪方案的可靠性。

6 結(jié)論

通過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)總結(jié)了高速鐵路環(huán)境振動(dòng)頻譜分布特征，其主頻主要位于31.5～40.0 Hz；參考既有規(guī)范，建議正常運(yùn)營(yíng)情況下鋼軌最大容許位移不大于2.5 mm。根據(jù)隔振原理，將軌道結(jié)構(gòu)自振頻率小于22 Hz作為指標(biāo)上限，將鋼軌最大容許位移作為指標(biāo)下限，確定減振軌道結(jié)構(gòu)減振墊剛度和軌道板厚度。經(jīng)靜力、動(dòng)力分析對(duì)比，驗(yàn)證板下等效剛度一致的情況下，減振墊采用面鋪、條鋪和點(diǎn)鋪具有同等效果，推薦采用條鋪方式，可顯著提高減振軌道經(jīng)濟(jì)性能。針對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)板式無砟軌道，提出基于條鋪的減振墊剛度為0.05 MPa/mm，軌道板結(jié)構(gòu)形式與一般地段保持一致，自密實(shí)混凝土層厚度為150 mm，減振效果不小于10 dB(Z)，特殊地段增加軌道板厚度。過渡段在減振墊處采用2級(jí)過渡。在國(guó)家鐵路試驗(yàn)線建立了試驗(yàn)段，驗(yàn)證了條鋪和點(diǎn)鋪在等效剛度保持一致的情況下，減振性能較為一致，在條鋪減振墊剛度為0.08 MPa/mm，復(fù)合板厚度為300 mm的情況下底座處加速度分頻振級(jí)均方根插入損失為8 dB(Z);在條鋪減振墊剛度為0.05 MPa/mm，復(fù)合板厚度為350 mm的情況下底座處加速度分頻振級(jí)均方根插入損失為12 dB(Z)。