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        市域快線新型鋼彈簧浮置板軌道設(shè)計(jì)與施工

        2024-12-09 00:00:00劉錦輝鄭曉練王偉華鐘杰柴劍平尹志超
        關(guān)鍵詞:施工設(shè)計(jì)

        摘 要:鋼彈簧浮置板軌道是城市軌道交通中常用的振動(dòng)控制措施之一,具有良好的減振性能。針對(duì)時(shí)速120km/h、大軸重的市域快線工況,本文提出了一種在單塊預(yù)制浮置板中設(shè)置內(nèi)置式隔振器與端部共享隔振器的組合布置方案,并采用數(shù)值模擬方法對(duì)該方案下車輛運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性以及軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和減振效果等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明,本文所提出方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求。此外,本文簡(jiǎn)述了新型隔振器組合布置方案的施工步驟及設(shè)計(jì)施工要點(diǎn),對(duì)類似軌道工程項(xiàng)目具有借鑒意義。

        關(guān)鍵詞:地鐵軌道;鋼彈簧預(yù)制浮置板;有限元模型

        中圖分類號(hào):U 23" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        隨著城市化進(jìn)程的加速,城市交通壓力增加,特別是對(duì)人口密集且交通需求旺盛的大城市來說,發(fā)展快速、高效、環(huán)保的公共交通系統(tǒng)顯得尤為重要。市域快線作為連接城市中心與郊區(qū)、衛(wèi)星城的重要交通方式,其快速性和舒適性直接影響城市交通的效率和居民出行體驗(yàn)。市域軌道交通系統(tǒng)為居民生活提供了極大便利,但同時(shí)也衍生出很多問題,例如列車運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲愈加嚴(yán)重,非常需要一種高效減振措施來解決[1]。目前國(guó)內(nèi)浮置板軌道系統(tǒng)在時(shí)速100km及以下的運(yùn)用已較為成熟,但傳統(tǒng)的鋼彈簧浮置板在市域快線中應(yīng)用較少,且大多以現(xiàn)澆工法為主。

        本文提出了一種適用于時(shí)速120km/h市域快線的新型裝配式鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)方案。通過建立ABAQUS列車-軌道-隧道-土體整體分析模型,研究該新型鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)方案下車輛的安全性、平穩(wěn)性、浮置板軌道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、減振效果等動(dòng)力學(xué)指標(biāo),對(duì)該新型浮置板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及應(yīng)用效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。此外,本文還提出了新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道的施工步驟及設(shè)計(jì)施工過程中的要點(diǎn)問題,以期為城市快速軌道交通線路鋼彈簧浮置板軌道的設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

        1 鋼彈簧浮置板方案設(shè)計(jì)

        1.1 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

        軌道交通中的車輛與軌道是密不可分、相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng),而輪軌間的接觸是連接車輛與軌道系統(tǒng)的界面,輪軌系統(tǒng)通過輪軌相互作用形成了一個(gè)整體,其相互作用關(guān)系如圖1所示。

        當(dāng)設(shè)計(jì)地鐵軌道鋼彈簧浮置板隔振器方案時(shí),需要利用數(shù)值模擬等方法評(píng)估該設(shè)計(jì)方案下車輛與軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)效果,保證設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到所預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

        設(shè)計(jì)軸重:A型車,軸重17t。最高運(yùn)營(yíng)速度:120km/h。軌道結(jié)構(gòu)高度:盾構(gòu)隧道940mm。

        采用1435mm標(biāo)準(zhǔn)軌距,全線設(shè)雙線。采用60kg/m鋼軌,鋪設(shè)無縫線路。

        扣件:WJ-14型,扣件高度最小為35mm,軌底坡1∶40在預(yù)制板承軌臺(tái)實(shí)現(xiàn),扣件間距600mm。

        2 新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道設(shè)計(jì)

        為了適應(yīng)本條線路的運(yùn)營(yíng)條件,在以往地鐵應(yīng)用設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,增加了鋼彈簧預(yù)制板隔振器的剛度,優(yōu)化了隔振器布置方式。浮置板板寬為2600mm,板厚為340mm,板長(zhǎng)為4.765m。中間采用4組內(nèi)置式隔振器,豎向剛度值為7.5kN/mm。板端采用4組共享隔振器,豎向剛度值為27.26kN/mm。預(yù)制板之間采用2組上置式剪力鉸連接。布置方案如圖2、圖3所示。

        3 鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道系統(tǒng)仿真分析

        3.1 車輛-軌道-隧道耦合動(dòng)力學(xué)分析模型與參數(shù)

        3.1.1 車輛模型

        車輛模型可視為多自由度振動(dòng)系統(tǒng),其由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)及彈簧-阻尼器懸掛系統(tǒng)裝置組成。根據(jù)A型車情況,設(shè)計(jì)軸重為17t,在ABAQUS部件模塊中按規(guī)定尺寸分別建立車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì),通過標(biāo)志點(diǎn)、笛卡爾梁、MPC梁對(duì)各部件進(jìn)行裝配,并設(shè)置各部件的質(zhì)量、慣量等參數(shù),即可建立車輛模型。建立的車輛模型如圖4所示。

        3.1.2 鋼彈簧浮置板軌道模型

        鋼彈簧浮置板軌道是在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上,利用鋼彈簧對(duì)鋼筋混凝土道床進(jìn)行支撐,并通過扣件將鋼軌部件與道床板進(jìn)行固定。

        當(dāng)建模時(shí),考慮鋼筋作用對(duì)浮置板材料密度及強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,浮置板材料為C50混凝土。鋼軌60kg/m采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體縮減積分單元(C3D8R)模擬。在模型中,鋼軌支承采用離散方式,考慮軌枕的作用,在與軌枕相連的扣件處,采用4個(gè)連接點(diǎn)與鋼軌相連,鋼軌的縱向網(wǎng)格尺寸取0.05m。鋼軌通過扣件與道床板連接,為簡(jiǎn)化模型,不考慮扣件的非線性,只考慮扣件的線彈性,將鋼軌與道床板間的連接視為彈簧-阻尼連接,通過設(shè)置彈簧阻尼單元并在豎向、橫向、縱向方向上分別設(shè)置其剛度值和阻尼值,對(duì)鋼軌與道床板間連接關(guān)系進(jìn)行模擬。此外,道床板模擬采用實(shí)體單元,并約束其端部旋轉(zhuǎn)。采用豎向、橫向、縱向剛度值及阻尼值的彈簧-阻尼單元進(jìn)行模擬,可有效模擬隔振器的連接及限位作用。

        3.1.3 隧道模型

        在隧道與土體模型中,為消除邊界條件影響,建模時(shí)選取了150m×100m×60m的大土體結(jié)構(gòu),隧道斷面為圓形,如圖5所示?;住⒐芷屯馏w均采用實(shí)體單元模擬,土體采用巖土工程中應(yīng)用十分廣泛的Mohr-Coulomb模型,管片和基底采用線彈性模型。本文假設(shè)土體與管片之間、管片與基底之間接觸良好,不考慮結(jié)構(gòu)間相對(duì)位移。

        3.2 列車運(yùn)行安全性分析

        列車與軌道間的輪軌垂向、橫向作用力、輪重減載率、脫軌系數(shù)是評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行安全性的重要指標(biāo)。

        本次分析基于120km/h運(yùn)營(yíng)速度線路進(jìn)行運(yùn)行安全性分析??梢酝ㄟ^輪軌垂向及橫向力這兩個(gè)指標(biāo)評(píng)估列車運(yùn)行安全性,基于仿真模型計(jì)算,其結(jié)果如圖6、圖7所示。根據(jù)圖6及圖7可知,新型浮置板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案下計(jì)算的最大輪軌垂向力為99.40kN,最大橫向力為16.12kN。本文中的列車型號(hào)為A型車,軸重為17t,因此輪軌橫向力限值取68kN(一般采用軸重的0.4倍),說明輪軌橫向力小于限值,滿足規(guī)范要求。

        輪重減載率和脫軌系數(shù)亦可用于評(píng)估列車運(yùn)行安全性。輪重減載率是評(píng)價(jià)運(yùn)行列車因單側(cè)車輪減載而產(chǎn)生的脫軌風(fēng)險(xiǎn)的安全性指標(biāo)。脫軌系數(shù)為輪軌橫向力和垂向力之比,數(shù)值越大表明列車脫軌風(fēng)險(xiǎn)越大。脫軌系數(shù)時(shí)程曲線如圖8所示,輪重減載率時(shí)程曲線如圖9所示,計(jì)算最大脫軌系數(shù)和輪軌減載率分別為0.212和0.418,均滿足《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB/T 5599—2019)[2]中的限值要求,車輛運(yùn)行安全性可以得到保障。

        3.3 列車運(yùn)行平穩(wěn)性分析

        車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性是評(píng)估其動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo),其中,Sperling指標(biāo)可以有效評(píng)估列車本身的運(yùn)行舒適度,是國(guó)內(nèi)常用的平穩(wěn)性評(píng)估方法[3]?;诮⒌臄?shù)值仿真模型,計(jì)算列車行車速度120km/h條件下的車體垂向加速度及車體橫向加速度時(shí)程曲線,如圖10、圖11所示,其中,車體垂向加速度和橫向加速度峰值分別為0.282m/s2和0.140m/s2。計(jì)算的垂向和橫向Sperling指標(biāo)W分別為1.717和1.461,小于相關(guān)規(guī)范[2]中的限值(平穩(wěn)性Ⅰ級(jí),W≤2.5),說明列車行車平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)價(jià)為優(yōu),可滿足乘客的舒適性需求。

        3.4 軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

        軌道的動(dòng)力響應(yīng)選用鋼軌垂向位移和浮置板垂向位移作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]?;趫D12及圖13的鋼軌位移和浮置板位移時(shí)程曲線可知,本文工況下計(jì)算的對(duì)應(yīng)鋼軌最大豎向位移為3.49mm,浮置板最大豎向位移為2.67mm,各指標(biāo)均滿足《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T191—2012)[5]中的限制要求,說明在120km/h的市域快線列車作用下,本文所述的新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性。

        3.5 減振效果分析

        選取隧道壁處作為計(jì)算點(diǎn),以該處振動(dòng)加速度來計(jì)算浮置板軌道系統(tǒng)的垂向振動(dòng)指標(biāo)。基于本文工況及所建立的仿真計(jì)算模型,可以得到圖14所示的普通道床和鋼彈簧浮置板的隧道壁1/3倍頻程振級(jí)曲線。

        根據(jù)圖14可知,在12Hz附近(與系統(tǒng)固有頻率接近),浮置板軌道與普通道床的總振級(jí)十分接近,說明當(dāng)外界激勵(lì)頻率與鋼彈簧浮置板系統(tǒng)固有頻率趨于一致時(shí),鋼彈簧浮置板并不能起到較好的減振效果。當(dāng)頻率較高時(shí),浮置板軌道與普通道床的總振級(jí)相差較大,減振效果較好。

        分別對(duì)鋼彈簧浮置板道床與普通道床的各頻率段振級(jí)進(jìn)行計(jì)權(quán)計(jì)算,可得出普通道床與鋼彈簧浮置板道床的總振級(jí)分別為80.55dB和65.32dB,從而可計(jì)算出鋼彈簧浮置板的減振效果為兩者差值15.23dB。

        綜上可知,在新型鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)的固有頻率處,系統(tǒng)的減振效果較為一般,且軌道系統(tǒng)在高、低頻段的減振效果有明顯差異,表現(xiàn)為高頻段減振能達(dá)到更好的效果。通過計(jì)權(quán)計(jì)算得到的浮置板系統(tǒng)整體減振效果可以達(dá)到15dB以上,符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)要求(≥15dB)。

        4 新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道施工

        本工程軌道的作業(yè)施工具有施工周期緊、精確度和作業(yè)質(zhì)量要求高、不同工種同時(shí)施工、高環(huán)保性等特點(diǎn)。為了能夠高效完成新型方案的工程,并達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),施工步驟如圖15所示。

        5 設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)重視的問題

        軌道工程涉及多工種、多專業(yè)且存在接口和施工干擾大等問題?;诟鲗I(yè)方向的設(shè)計(jì)進(jìn)度不完全一致,且設(shè)計(jì)存在變更、疏漏等客觀情況,因此需要在設(shè)計(jì)、施工過程中,對(duì)全過程進(jìn)行管控。

        當(dāng)施工時(shí),各類專業(yè)管線如信號(hào)、電力通信、給排水等須預(yù)埋于道床中,其預(yù)埋點(diǎn)位、尺寸、數(shù)量等需要各相關(guān)專業(yè)在施工開始前確定。

        在設(shè)計(jì)開始前,結(jié)構(gòu)專業(yè)須考慮軌道結(jié)構(gòu)高度差異,在軌道結(jié)構(gòu)竣工后,應(yīng)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)調(diào)線調(diào)坡進(jìn)行設(shè)計(jì),使其符合軌道結(jié)構(gòu)高度。

        在浮置板地段,施工時(shí)要嚴(yán)格控制基底的高程,將施工誤差控制為0~-5mm。一般位置平整度要求±2mm/㎡。尤其注意曲線段基底為斜線,中心水溝模板處由于混凝土自流性,因此外側(cè)容易高,內(nèi)側(cè)容易低。在澆筑完成后按規(guī)范要求進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

        在頂升過程中,所有工具、配件必須妥善放置,嚴(yán)禁雜物掉入浮置板周邊縫隙,若發(fā)現(xiàn)則須及時(shí)清出。如果與浮置板道床相接的整體道床在浮置道床頂升后進(jìn)行施工,就不能讓澆筑的混凝土進(jìn)入浮置板道床頂升后形成的間隙內(nèi)。

        6 結(jié)語

        本文提出的時(shí)速120km/h市域快線新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道設(shè)計(jì)方案合理可行,計(jì)算分析結(jié)果滿足車輛運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求,理論計(jì)算的總振級(jí)插入損失即減振效果達(dá)到15dB以上,符合設(shè)計(jì)要求。

        本文簡(jiǎn)述新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道的施工過程,并針對(duì)軌道工程設(shè)計(jì)、施工涉及專業(yè)面廣、設(shè)計(jì)施工對(duì)接不同步等特點(diǎn),對(duì)設(shè)計(jì)與施工過程中的重難點(diǎn)問題進(jìn)行總結(jié)歸納,為類似工程項(xiàng)目提供了借鑒。

        參考文獻(xiàn)

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