摘 要：文章針對(duì)地鐵浮置板軌道在長(zhǎng)期使用中出現(xiàn)的隔振器及剪力鉸失效等典型病害，通過(guò)有限元建模與動(dòng)力學(xué)仿真分析其影響。利用Absqus建立浮置板軌道模型，結(jié)合Universal Mechanism軟件構(gòu)建車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，模擬隔振器和剪力鉸在不同失效工況下的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：同側(cè)或異側(cè)雙隔振器失效僅使位移短暫超限（4mm），連接處全部失效會(huì)顯著影響列車(chē)穩(wěn)定性；剪力鉸失效對(duì)位移幾乎無(wú)影響；且輪軌力學(xué)參數(shù)在各類(lèi)失效工況下均未顯著惡化，表明系統(tǒng)安全性較高。研究對(duì)地鐵浮置板軌道傷損情況下穩(wěn)定性和安全性指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)特征仿真分析，為浮置板軌道服役狀態(tài)評(píng)估及維修決策提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵浮置板軌道 損傷形式 有限元仿真 車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)

1 緒論

振動(dòng)與噪聲問(wèn)題是軌道交通設(shè)計(jì)和建造人員當(dāng)今需要面對(duì)的一個(gè)非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。我們可以看到有眾多的學(xué)者針對(duì)其中的關(guān)鍵——浮置板，提出了許多先進(jìn)的概念，學(xué)者們有添加聲子晶體隔振器，或是設(shè)計(jì)三層動(dòng)力系統(tǒng)，又或是針對(duì)減震墊進(jìn)行更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，考慮現(xiàn)實(shí)中的施工偏差，地表震動(dòng)等等?；旧隙技性诹私Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、材料性能以及運(yùn)行環(huán)境這些方向。在這其中，我們選擇關(guān)注的點(diǎn)是浮置板軌道病害及整治措施手段，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，浮置板軌道會(huì)出現(xiàn)裂縫、沉降、水泥砂漿剝離等病害，這些病害會(huì)對(duì)軌道的穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。我國(guó)運(yùn)營(yíng)服役多年的減振軌道線路眾多，通過(guò)有效地評(píng)估典型減振軌道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，以此為地鐵線路的維修提供技術(shù)支持和理論支撐。

2 地鐵浮置板介紹

2.1 組成

地鐵浮置板通常由道床板、彈性支撐系統(tǒng)、限位裝置、軌道部件、輔助部件等組成。其中，彈性支撐系統(tǒng)可選用鋼彈簧浮置板的鋼彈簧隔振器或是橡膠浮置板的橡膠隔振器；限位裝置一般包括側(cè)向限位和垂向限位；軌道部件由鋼軌、扣件、軌枕組成；輔助部件包含防水層，觀測(cè)裝置等部件。

2.2 應(yīng)用范圍

地鐵浮置板可以應(yīng)用在某些對(duì)減振降噪要求高的區(qū)域，例如醫(yī)院和學(xué)校附近、居民區(qū)密集地段或是文物保護(hù)區(qū)周邊；像軟土地基路段與某些地震多發(fā)區(qū)域等擁有特殊地質(zhì)條件的區(qū)域同樣需要浮置板隔振緩沖；另外，像地鐵車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)、地鐵隧道等特殊功能區(qū)域也同樣需要優(yōu)化振動(dòng)環(huán)境[1]。

3 簡(jiǎn)易軌道浮置板有限元模型的建立與Universal Mechanism軟件的使用

3.1 模型創(chuàng)建

通過(guò)Abaqus建立長(zhǎng)4.8m、寬2.9m的浮置板模型，設(shè)置彈性模量為3.45×104MPa，密度2700kg/m3，泊松比0.2，定義16個(gè)MPC梁約束，并設(shè)置位移/轉(zhuǎn)角和保留結(jié)點(diǎn)自由度邊界條件，完成模型創(chuàng)建[2]。使用Universal Mechanism軟件導(dǎo)入軸箱、構(gòu)架、彈簧等部件，定義質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，建立一系和二系懸掛系統(tǒng)，生成車(chē)輛模型。運(yùn)行仿真程序，調(diào)整參數(shù)并輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，模擬浮置板病害。

3.2 導(dǎo)入浮置板

接下來(lái)是浮置板模型的導(dǎo)入，由于浮置板有限元模型的建立是在Abaqus軟件當(dāng)中完成所以需要用到Abaqus-um接口程序進(jìn)行導(dǎo)入才能在UM軟件中使用。此程序可將Abaqus生成的input.fum文件轉(zhuǎn)化為可被UM input軟件識(shí)別的input.fss文件，完成后在UM input軟件中打開(kāi)并復(fù)制兩個(gè)浮置板模型，將浮置板模型坐標(biāo)依次改為（20，0，﹣0.2），（24.8，0，﹣0.2），（29.6，0，﹣0.2）。相鄰的浮置板以及浮置板和地基之間通過(guò)利用bushing力元模擬剪力鉸連接，再利用bushing在浮置板上建立力元模擬鋼彈簧和隔振器。

在UM input軟件中導(dǎo)入三塊浮置板模型作為三個(gè)子系統(tǒng)，添加柔性軌道作為一個(gè)子系統(tǒng)。定義子系統(tǒng)的參數(shù)：輪對(duì)質(zhì)量1360kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為920kg·m2、100kg·m2、920kg·m2；構(gòu)架質(zhì)量7360kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量5100kg·m2、1500kg·m2、4700kg·m2；車(chē)體質(zhì)量41860kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量160000kg·m2、2000000kg·m2、1900000kg·m2。同時(shí)，設(shè)置一系和二系彈簧的豎向、橫向剛度及阻尼系數(shù)。完成這些參數(shù)設(shè)置后，UM Input軟件的建模工作即告完成，接下來(lái)將使用UM Simulation進(jìn)行模擬仿真。

3.3 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真分析

使用Universal Mechanism軟件導(dǎo)入軸箱、構(gòu)架、彈簧等部件，定義質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，建立一系和二系懸掛系統(tǒng)，生成車(chē)輛模型。運(yùn)行仿真程序，以浮置板板中位置為輸出位移，第一個(gè)輪對(duì)位置輸出脫軌系數(shù)和輪軌力，調(diào)整參數(shù)并輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，模擬浮置板病害[3]。

3.4 浮置板垂向位移

當(dāng)測(cè)點(diǎn)在浮置板板中時(shí)，四種不同位置隔振器失效與四種不同位置剪力鉸失效結(jié)果如下。

3.4.1 四種不同位置隔振器失效

圖1中的數(shù)據(jù)分析深入探討了隔振器損壞對(duì)浮置板垂向位移的影響。首先，單個(gè)隔振器完全損壞的情況下，其與無(wú)損狀態(tài)的位移曲線幾乎完全重合，差值不超過(guò)1mm，遠(yuǎn)低于4mm的限制，顯示出系統(tǒng)的強(qiáng)冗余和魯棒性。隨后，對(duì)比了浮置板上隔振器在異側(cè)失效與無(wú)損狀態(tài)的位移變化，發(fā)現(xiàn)在0.42秒至0.91秒間，破壞比例逐漸增大，垂向位移在前輪接近失效點(diǎn)時(shí)增加，并在某些點(diǎn)超過(guò)限制，但總體影響不顯著。同側(cè)隔振器完全破壞時(shí)，位移差異較小，僅在車(chē)輪經(jīng)過(guò)損壞位置時(shí)，位移在0.89秒到0.94秒間超過(guò)限值，表明影響有限。最后，分析了浮置板連接處隔振器全部失效的情況，發(fā)現(xiàn)在0.87秒和1.68秒處，垂向位移明顯變化，超出限值，顯示連接處彈簧失效對(duì)列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性有顯著影響。這些結(jié)果表明，隔振器損壞對(duì)浮置板性能的影響取決于損壞位置和程度，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮這些因素以確保穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，這些分析揭示了隔振器損壞對(duì)浮置板垂向位移的不同影響程度。單個(gè)隔振器的損壞幾乎無(wú)影響，而對(duì)側(cè)隔振器的損壞影響有限，同側(cè)隔振器的損壞影響較小，而連接處隔振器的全部失效則會(huì)對(duì)列車(chē)穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解和優(yōu)化浮置板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

3.4.2 四種不同位置剪力鉸失效

如圖2所示，不論是單個(gè)、異側(cè)、同側(cè)還是靠近邊緣隔振器的四個(gè)剪力鉸失效時(shí)，浮置板垂向位移幾乎沒(méi)有發(fā)生任何變化，且最大差值在限值4mm之內(nèi)，由此可以得出結(jié)論：剪力較失效時(shí)不會(huì)對(duì)浮置板板中位移產(chǎn)生影響。

3.5 數(shù)據(jù)分析

表1的數(shù)據(jù)深入分析了隔振器和剪力鉸在不同失效工況下，輪軌系統(tǒng)力學(xué)參數(shù)在0.42-1.06秒內(nèi)的變化。結(jié)果顯示，無(wú)論是單個(gè)隔振器或剪力鉸失效，還是同側(cè)或異側(cè)的組合失效，輪軌系統(tǒng)的力學(xué)性能均表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性和冗余性。在單個(gè)隔振器失效的情況下，輪軌垂向力、脫軌系數(shù)和橫向力的變化極小，幾乎與無(wú)損傷狀態(tài)重合，表明其對(duì)系統(tǒng)的影響微乎其微。同樣，單個(gè)剪力鉸失效時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)的變化也可忽略不計(jì)。在同側(cè)隔振器或剪力鉸完全破壞的情況下，力學(xué)參數(shù)與無(wú)損傷狀態(tài)相比沒(méi)有顯著差異，顯示出系統(tǒng)的強(qiáng)魯棒性。異側(cè)隔振器完全破壞時(shí)，參數(shù)的量值分布未發(fā)生本質(zhì)性改變，而對(duì)側(cè)剪力鉸完全破壞時(shí)，波動(dòng)幅度一致，脫軌系數(shù)在特定時(shí)刻雖有所增大但未超限。在兩側(cè)剪力鉸同時(shí)失效的極端情況下，輪軸橫向力、垂向力和脫軌系數(shù)均未超出安全限值，系統(tǒng)仍能安全運(yùn)行。這些數(shù)據(jù)一致表明，輪軌系統(tǒng)在面臨不同失效工況時(shí)，其力學(xué)性能保持穩(wěn)定，展現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性和對(duì)意外故障的高容忍度。

綜合以上分析，無(wú)論是單一失效還是組合失效工況下，輪軌垂向力、脫軌系數(shù)及橫向力的波動(dòng)范圍與初始狀態(tài)高度重合，未出現(xiàn)顯著惡化。這表明輪軌系統(tǒng)的力學(xué)性能在各種失效工況下均保持穩(wěn)定，系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)和安全性能得到了有效驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

研究通過(guò)數(shù)值建模探討了地鐵浮置板軌道隔振系統(tǒng)失效對(duì)行車(chē)的影響。結(jié)果顯示，單隔振器失效對(duì)軌道垂向位移影響有限，而四隔振器失效時(shí)位移增幅達(dá)0.15mm，導(dǎo)致位移顯著增加，需注意維護(hù)。剪力鉸失效對(duì)軌道位移影響不大，但隔振器失效超過(guò)兩個(gè)會(huì)影響行車(chē)平穩(wěn)性。輪軌系統(tǒng)在不同失效工況下的力學(xué)性能分析表明，即便在失效情況下，系統(tǒng)性能保持穩(wěn)定，顯示出結(jié)構(gòu)的冗余安全性。然而，研究尚存局限性，未考慮地質(zhì)差異、長(zhǎng)期荷載及速度變化等因素，未來(lái)研究需結(jié)合更多實(shí)際數(shù)據(jù)和復(fù)雜工況，以進(jìn)一步完善軌道狀態(tài)評(píng)估體系。

基金項(xiàng)目：上海工程技術(shù)大學(xué)課題“地鐵浮置板軌道病害危害及整治措施研究”（項(xiàng)目編號(hào)：cx2410005）。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱良凱.浮置板軌道在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].山西建筑，2007（15）：333-334.

[2]蔣崇達(dá)，雷曉燕.城市軌道交通鋼彈簧浮置板軌道動(dòng)力特性分析[J].城市軌道交通研究，2013，16（03）：34-41.

[3]耿傳智，宮寅.浮置板軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析[J].城市軌道交通研究，2012，15（03）：14-19.

[4]王子堯.地鐵鋼彈簧浮置板軌道扣件錨固螺栓力學(xué)特性仿真分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2022.