地鐵彈性長枕的技術優勢及研究現狀

摘 要：中等減振措施中，彈性長枕軌道結構正得到越來越多的應用。分析了傳統中等減振措施所存在的問題，并指出了彈性長枕存在的技術優勢，最后列舉了彈性長枕的應用及研究現狀，以期為中等減振軌道結構的選型提供參考。

關鍵詞：彈性長枕；軌道減振器；彈性短軌枕

截至2013年底，我國開通軌道交通的城市達到19個，累計運營里程2746公里，2020年線路規劃里程甚至超過一萬公里。軌道交通的蓬勃發展，給人們的出行提供了極大的方便，促進了經濟與社會的發展。但是由列車運行產生的振動與噪聲，嚴重影響著沿線居民的工作和生活。對城市軌道交通進行振動與噪聲的研究，對于軌道交通的健康發展具有重要意義。文章對傳統中等減振措施與彈性長枕進行對比分析，并對近年來取得的一些理論成果進行了闡述。

1 彈性長枕軌道結構形式及減振機理

1.1 彈性長枕軌道結構形式

彈性長枕無砟軌道是在彈性支承塊的基礎上發展起來的，彈性長枕的結構形式為：采用的特殊預應力混凝土枕增強了軌距保持能力；包裹支承塊的套靴被被包裹預應力軌枕的兩端開啟式的橡膠靴替代，可以排除進入箱內的雨水，并有利于結構的施工和后期維護。

1.2 彈性長枕軌道減振機理

在彈性長枕軌道結構中，較低剛度的彈性墊層布設在軌枕底部，并置于橡膠套靴之上，實現了把長軌枕與道床隔離開的目的。當列車通過彈性長軌枕時，垂直方向被壓縮一定的距離，但由于起緩沖作用的彈性墊層的存在，從而達到了減振的目的。

2 傳統地鐵常用中等軌道減振措施所面臨的問題

國內傳統地鐵常用中等軌道減振措施主要有軌道減振器扣件及彈性短軌枕[1]。

2.1 軌道減振器

軌道減振器又稱科隆蛋，最早由德國設計并實際應用，隨后被許多國家所采用。我國也在上海和廣州地鐵中采用了該扣件。軌道減振器扣件良好的減振性能在開通運營后得到完美體現，滿足了對減振降噪預期的設計要求。但是，軌道減振器在我國的應用并不理想，主要是存在著以下幾個缺點：其減振性能在運營一年以后衰減較快，減振性能約衰減20%；一旦橡膠失效，需成套更換；長時間運營后，誘發嚴重的鋼軌波磨。

2.2 彈性短軌枕

彈性短軌枕軌道結構得到廣泛應用并具有良好的減振降噪性能，但有以下幾個缺點：施工質量對彈性軌枕減振效果影響較大；套靴中夾入雜物或短軌枕與套靴綁扎不密貼，會導致病害的出現，且減振性能也會大打折扣；彈性層失效后不易被檢測發現，即使發現后，更換也很麻煩；軌距和軌底坡調整困難；在曲線地段鋼軌產生嚴重的波浪磨耗。

3 中等減振措施中彈性長枕存在的優勢

彈性長枕軌道的雛形，最早由日本于20世紀70年代提出。彈性長枕軌道作為一種新型減振降噪軌道結構，廣泛的應用于很多國家[2]。彈性長枕軌道主要存在以下幾點技術優勢[3]：彈性長枕軌道的軌枕設計成長枕，增強了軌排結構的整體性，提高了軌枕穩定性；在道床上設計了中央排水溝，便于橡膠套靴中的積水盡快排出；檢查和更換彈性墊層方便。

4 我國彈性長枕式無砟軌道的應用及研究現狀

4.1 我國彈性長枕無砟軌道的應用

相對其他國家對彈性長枕軌道結構的廣泛應用，我國的應用較少。僅在北京地鐵機場線、蘭新二線的烏鞘嶺隧道、上海地鐵7號線、北京地鐵9號線有少量鋪設。

4.2 我國彈性長枕無砟軌道的研究現狀

近幾年，我國學者才開始關注彈性長枕這一新型軌道結構型式，并對其進行了一些理論和實驗研究。以下介紹我國彈性長枕無砟軌道研究現狀。

吳曾等人[4]建立無砟軌道彈性長枕梁-梁-板模型，分析了行車速度與垂向位移、加速度的關系；行車速度與扣件瞬時上拔力的關系；垂向位移、加速度分別與軌道結構剛度和質量的關系；進一步分析了不同軌道結構剛度和質量下彈性長枕的動力響應；找出了軌道結構剛度和質量與垂向速度、加速度等的關系；最后計算了不同列車速度下的動力響應。

王偉華等人[5]對彈性長枕無砟軌道進行了穩定性分析。通過建立彈性長枕模態分析及抗翻轉剛度模型，得出結論：軌枕的埋深對抗翻轉剛度的影響更大；得出了彈性長枕支承剛度及埋深的合理取值。

趙信洋[6]運用ANSYS軟件建立彈性長枕垂向受力模型，分析了彈性長枕軌下及枕中彎矩在不同枕長和不同支撐長度下的數值，得出以0.4作為彈性長枕枕長與支撐長度的合理比例關系。

范志材[7]利用ANSYS/LS-DYNA軟件和落軸試驗原理，對橋上彈性長枕無砟軌道的枕下、軌下剛度進行分析，并給出了合理的取值范圍；利用SIMPACK軟件建立車輛-軌道-線路模型，分別分析了列車各輪軌力在同一速度和不同速度條件下的變化規律；利用ANSYA建立橋上彈性長枕無砟軌道模型進行模態分析，并分析不同速度的軌下剛度、枕下剛度和輪軌力對結構動力響應的影響。

焦雷[3]建立車輛-軌道-下部基礎空間耦合動力學模型，分別從直線與曲線地段分析了結構的動力響應；從頻域分析的角度，采用模態分析、荷載沖擊數值模擬和行車過程仿真分析三種方法對地鐵彈性長枕軌道結構減振效果進行分析；針對軌道結構參數的變化，分別對地鐵直線段和曲線段軌道結構的動力學特性進行研究。

趙磊等人[8]建立了預應力配筋彈性長枕并考慮實際截面尺寸的新型計算模型。分兩種情況分析了枕下套靴硬化對軌枕強度的影響，分析出了枕中裂紋產生原因，并對套靴硬化給出限制建議。

姜浩等人[2]建立彈性長枕三維有限元模型，對不同參數的軌道結構進行模態分析，得出結構參數的合理匹配。并對三種減振型軌枕進行穩定性對比分析，得出結論；彈性長枕的結構最優。

綜上所述，相比軌道減振器和彈性短軌枕，彈性長枕軌道結構擁有明顯的技術優勢、減振效果較好。結構參數的選擇和匹配對充分發揮減振效果至關重要。

5 結束語

作為一種新型且具有中等減振功能的軌道結構，相對傳統中等減振措施，彈性長枕有相當多的優點。隨著傳統中等減振措施所暴露出的缺陷，以及彈性長枕軌道結構在我國的逐步應用，彈性長枕軌道必將會被越來越多的設計、施工、運營單位所認可。雖然我國學者對彈性長枕進行了一些研究，但是彈性長枕的一些結構和性能參數尚未很明確，這就要求科研工作者對其進行進一步的理論和試驗研究，進而創造更好的經濟和社會效益，造福全人類。

參考文獻

[1]曾向榮，鄭瑞武，孫大新.彈性長軌枕在首都機場線的設計與應用[J].都市快軌交通，2009，22（3）：43-45.

[2]姜浩，趙坪銳，劉觀.減振型無砟軌道軌枕結構對比分析[J].2014，58（10）：51-55.

[3]焦雷.地鐵彈性長枕減振軌道結構的振動特性研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[4]伍曾，全順喜，劉學毅.彈性長枕無砟軌道垂向動力學計算分析[J].中國鐵路，2008（9）：35-39.

[5]王偉華，劉學毅，張珍珍.無砟軌道彈性長枕穩定性分析[J].路基工程，2009（6）：180-181.

[6]趙信洋.彈性長枕無砟軌道枕長與支撐長度比例分析[J].路基工程，2010（4）：202-203.

[7]范志材.簡支梁橋上彈性長枕無砟軌道垂向動力特性分析[D].長沙：中南大學，2011.

[8]趙磊，高亮.枕下套靴硬化對預應力配筋彈性長枕強度影響[J].北京交通大學學報，2014，38（1）：77-82.

作者簡介：李貴闊（1986，8-），男，山東鄆城人，在讀碩士研究生，研究方向：軌道減振，專業：交通運輸工程專業，學校：石家莊鐵道大學。