有砟梯式軌枕軌道減振性能的理論分析與試驗研究

第一作者馬蒙男，博士，講師,1983年生

郵箱：mameng_02231250@163.com

有砟梯式軌枕軌道減振性能的理論分析與試驗研究

馬蒙1,2，劉維寧1，劉衛(wèi)豐1，李玉路3，金浩1

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京100081； 3.北京易科路通鐵道設(shè)備有限公司，北京100044)

摘要：為實驗室鋪設(shè)有砟、無砟兩種梯式軌枕軌道，用自由落錘激勵裝置對兩種梯軌減振性能進行對比研究。建立有砟梯軌、有砟普通軌道的數(shù)值模型，利用試驗測試結(jié)果對模型進行驗證。通過在模型中施加貨運列車荷載對比兩種有砟軌道減振性能。結(jié)果表明，有砟梯軌減振性能不及浮置式梯軌，在低頻段有一定減振能力，20 Hz以下振動經(jīng)道砟平均衰減25 dB，對控制重載貨運列車環(huán)境振動具備潛在優(yōu)勢；梯式軌枕對分散列車沖擊振動、降低時域內(nèi)峰值有明顯優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：梯式軌枕軌道；道砟；振動試驗；減振軌道；數(shù)值分析

收稿日期：2013-10-21修改稿收到日期：2014-03-27

中圖分類號:U213.2；TB533+.2文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51078350，51208507)；爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室開放課題基金(DPMEIKF201406)；陜西省科技發(fā)展工業(yè)攻關(guān)項目(2014K10-15)；陜西省青年科技新星計劃項目(2013KJXX-81)

Theoretical analysis and tests for vibration mitigation characteristics of ballasted ladder track

MAMeng1,2,LIUWei-ning1,LIUWei-feng1,LIYu-lu3,JINHao1(1.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；2. State Key Lab. of Track Technology of High-Speed Railway, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China；3. Beijing IKeru Rail Transit Products Co., LTD, Beijing 100044, China)

Abstract:Both ballasted and ballastless ladder tracks were constructed in laboratory. A comparison study on the vibration mitigation performances of the two ladder tracks was performed with an automatic falling hammer system. A numerical model was built for ballasted tracks with ladder sleeper or normal concrete sleeper, it was validated with test results. The vibration mitigation characteristics under moving freight train loads were compared for the two ballasted tracks. Results indicate that the vibration mitigation of ballasted ladder track is worse than that of floating ladder track; ballasted ladder track has a vibration reduction ability within a lower frequency range with the averaged vibration attenuation of 25 dB below 20 Hz through ballast; ladder sleepers have obvious advantages of easing train-induced impulse vibrations and reducing vibration peak values in time domain; ballasted ladder track has potential advantages of controlling freight train-induced environmental vibrations.

Key words:ladder track; ballast; vibration test; vibration mitigation track; numerical analysis

作為一種新型軌道結(jié)構(gòu)-梯式軌枕軌道(簡稱梯軌)因其利于行車穩(wěn)定、軌道維修、降低基底應(yīng)力等特點廣受關(guān)注。由日本鐵道綜合技術(shù)研究所開發(fā)研制的梯軌為廣泛使用的代表性產(chǎn)品，其軌枕由預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁及橫向鋼管連接構(gòu)成，具有既能發(fā)揮軌枕特性、大幅度提高荷重分散能力又可補充鋼軌自身剛性及質(zhì)量等特點。梯軌主要形式有道砟梯軌、填充型梯軌、砂漿型梯軌及浮置式梯軌等。至目前，浮置式梯軌在我國城市軌道交通系統(tǒng)使用較廣。近年來，對浮置式梯軌的動力及減振性能研究包括實驗室減振試驗及模態(tài)試驗[1-2]、減振效果現(xiàn)場測試[3-4]、理論分析及優(yōu)化[5- 6]等。

有砟梯軌僅在上海地鐵7號線及廣州地鐵5號線等少數(shù)線路鋪設(shè)運營。較浮置式梯軌，對有砟梯軌研究較少。其中美國交通技術(shù)中心鋪設(shè)的有砟梯軌試驗段[7-8]試驗結(jié)果表明，有砟梯軌在沉降、穩(wěn)定性控制上優(yōu)于橫向混凝土軌枕[9]。文獻[10]利用數(shù)值模型進行模態(tài)計算，認為有砟梯軌具有整體性、傳遞性特點。歐洲在研究貨運列車環(huán)境振動時，從原理上分析認為有砟梯軌的特殊構(gòu)造可較好分擔列車軸重，降低單位基底承受的動應(yīng)力及響應(yīng)[11]，進而降低貨運重載列車引起的低頻振動，彌補質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)在自振頻率以下低頻段減振效果的不足，用于重載列車減振降噪具有潛在前景，但目前尚無專門針對有砟梯軌減振性能研究進行驗證。

縱向預(yù)應(yīng)力軌枕及道砟是構(gòu)成有砟梯軌的重要組成部分，直接影響動力特性。對此，本文利用實驗室激振試驗研究縱向軌枕下的道砟減振效果，與無砟梯軌對比分析；利用數(shù)值分析對比有砟梯軌與普通橫枕有砟軌道的減振效果，見圖1。

圖1　三種軌道型式對比示意圖 Fig.1 Sketch of 3 kinds of tracks to be studied

1有砟梯軌與無砟梯軌減振性能對比試驗

1.1試驗方案

在實驗室分別鋪設(shè)有砟、無砟梯軌試驗平臺，見圖2。選取一個梯軌單元(6.15 m)作為研究對象，測試斷面位于梯軌中斷面，并在鋼軌、軌枕、地表布置測點(有砟梯軌地表測點位于道砟坡腳，無砟梯軌地表測點位于混凝土承臺中心)。由于本文僅考慮軌道的豎向減振能力，因此傳感器僅布置豎向。

圖2　有砟、無砟梯軌試驗平臺 Fig.2 Tested ballasted and ballastless ladder track

圖3　自動落錘激勵裝置 Fig.3 Automatic falling weight system

激振用自動落錘激勵裝置，錘擊鋼軌軌頭。用腳手架支撐激振設(shè)備使其與軌枕分離，避免設(shè)備自身質(zhì)量對軌枕振動響應(yīng)影響，見圖3。試驗時選10次有效錘擊數(shù)據(jù)取平均，典型錘擊力時程及頻譜見圖4。數(shù)采設(shè)備選INV3020D型24位高精度數(shù)據(jù)采集儀，鋼軌上選Lance AS 0123壓電式加速度傳感器，量程200 g；軌枕選Lance AS 0105壓電式加速度傳感器，量程20 g；地表用Lance AS 0156壓電式加速度傳感器，量程3 g。

圖4　典型錘擊力時程及頻譜 Fig.4 Typical time history and spectrum of impulse forces

設(shè)計4種試驗工況，工況1為有砟梯軌，工況2～4為無砟梯軌，見表1。其中工況2、3分別為點支撐、線支撐的浮置式梯軌，工況4不采用任何彈性支承，軌枕直接置于混凝土基底，作為對照工況。

表1　試驗工況

1.2試驗結(jié)果

圖5為10次有效錘擊荷載作用下鋼軌、軌枕及地表加速度響應(yīng)最大值的平均值。由圖5看出，①4種工況鋼軌時程最大值有一定差異，但基本處于同一振動水平。盡管各次試驗質(zhì)量塊數(shù)量及下落高度恒定，但軌枕支撐方式不同及各工況間軌枕頂升、彈性材料施工等因素影響會造成差異。②由于采用相同扣件，各工況從鋼軌到軌枕的振動衰減幅度基本一致，鋼軌及軌枕加速度最大值處于同一量級。③各工況間振動衰減差異主要體現(xiàn)在軌枕-地表的傳遞，工況3相對衰減量最大，工況4相對衰減量最小。

圖5　不同響應(yīng)點加速度最大值 Fig.5 Maximum acceleration of different points

分析各工況“軌枕-地表”在不同頻率下的傳遞衰減特性，描述量采用傳遞損失，定義為

(1)

式中：as(fi)，ag(fi)分別為中心頻率fi上軌枕、地表加速度有效值；a0=10-6m/s2為參考加速度。

圖6為各工況傳遞損失對比。由圖6看出，①有砟梯軌(工況1)在頻率極低時振動衰減量大于其余工況，可能與道砟對極低頻率類似“準靜載”的分散效應(yīng)有關(guān)。②工況2、3的傳遞損失曲線非常接近，從3 Hz開始明顯優(yōu)于其余兩工況，多數(shù)頻率范圍內(nèi)線狀支撐的工況3傳遞損失大于點狀支撐的工況2。此因工況3所用天鐵USM 1000W減振墊板底部為錐形凸起設(shè)計，與水泥基底間并非完全的純線狀貼合。③振動經(jīng)過道砟在20 Hz以下平均可衰減25 dB，在該頻段較工況4軌枕-地面可多衰減8 dB；但有砟梯軌在20～50 Hz頻率范圍的傳遞損失小于工況4。由于我國目前新建高速鐵路及城市軌道交通主要采用無砟軌道，有砟軌道主要用于貨運及既有線客運鐵路。歐洲多個測試結(jié)果表明，貨運列車在20 Hz以下會引起更大的環(huán)境振動，在該頻段相較客車平均高出15 dB[12]。可見有砟梯軌對貨運列車低頻減振具備一定優(yōu)勢。

圖6　不同工況下軌枕-地表傳遞損失對比 Fig.6 Comparison of transfer loss between sleeper and ground under different test cases

2列車荷載作用下有砟梯軌減振性能

為進一步分析列車荷載作用下有砟梯軌減振性能，建立有砟梯軌及普通混凝土軌枕有砟軌道(簡稱普通有砟軌道)數(shù)值對比模型。

2.1計算模型

由于特殊的離散性質(zhì)，對道砟的計算模擬是個難點。目前常用方法有3種，即①用離散元模擬道砟[13-14]，適合分析道砟沉降、道砟動力特性等；②用有限元實體單元等效模擬道砟[15-16]，廣泛用于模擬自由場振動、研究軌道減振效果等；③用等效彈簧-阻尼系統(tǒng)模擬道砟[17-18]，廣泛用于車軌相互作用分析、軌道動力分析等。有研究表明[15]，在時域內(nèi)實體單元模型模擬值偏大，彈簧阻尼模型模擬值偏小；在頻域內(nèi)實體模型在低頻段模擬結(jié)果更好。

結(jié)合本文研究目的，利用有限元法分別建立車輛-軌道及軌道-自由場地模型。前者道砟用彈簧-阻尼系統(tǒng)模擬，并計算作用軌枕表面的列車荷載反力。后者道砟用實體單元模擬，通過在軌枕上施加列車荷載分析地表振動情況。車輛為3節(jié)C62A型貨車，每節(jié)車輛僅考慮一系懸掛；有砟普通軌枕軌道及有砟梯軌模型示意圖見圖7。選UIC-60鋼軌，軌道及自由場主要計算參數(shù)見表2。車輛計算參數(shù)見文獻[17]，軌道不平順用歐洲有砟軌道線路的實測不平順數(shù)據(jù)，見圖8。

圖7　計算模型示意圖 Fig.7 Sktech of numerical model

圖8　有砟軌道不平順實測 Fig.8 Tested irregularity on ballasted track

表2　主要計算參數(shù)

2.2模型驗證

為驗證道砟實體模型等效參數(shù)取值情況，在有砟梯軌模型上增加鋼軌及扣件單元見圖9，并在鋼軌上施加實測沖擊力(圖4)，充分利用有砟梯軌實測鋼軌、道砟坡腳振動響應(yīng)，驗證模型的有效性。鋼軌-地表振動響應(yīng)傳遞函數(shù)對比見圖10。由圖10看出，計算模型的傳遞特性在80 Hz以內(nèi)與實測結(jié)果吻合較好，但100 Hz以上高頻段誤差較大，此與網(wǎng)格尺寸劃分、瑞利阻尼頻率值選取有關(guān)。由于環(huán)境振動對人體影響的主要頻率范圍為5～80 Hz，因此分析該頻段軌道減振效果時具有一定可靠性。

圖9　模型及響應(yīng)點驗證示意圖 Fig.9 Validation model and point locations

圖10　測試、計算傳遞函數(shù)對比 Fig.10 Tested and calculated transfer function

2.3結(jié)果分析

通過車輛-軌道有限元模型計算獲得作用于軌枕的列車荷載，車速72 km/h，見圖11。將列車荷載先后作用于有砟梯軌及有砟普通軌道(圖7)。

圖12為兩種軌道距離道砟坡腳0 m、3 m地表處的豎向加速度時程，圖13為道砟坡腳0 m地表處豎向加速度頻譜。由二圖看出，兩種軌道型式在頻譜上總體差別不大，但有砟梯軌在頻率很低時響應(yīng)明顯小于普通有砟軌道。在時域內(nèi)有砟梯軌總體上峰值更小，且振動經(jīng)道砟衰減后，每個輪對引起的沖擊效應(yīng)在有砟梯軌附近地表已不太明顯。

圖11 列車荷載時程Fig.11Calculatedtrainloads圖12 地表豎向加速度時程Fig.12Timehistoryofgroundverticalaccelerations圖13 地表豎向加速度頻譜Fig.13Spectrumofgroundverticalaccelerations

分析整個模型道砟頂面、地面各點加速度峰值分布情況。圖14中上半部分為有砟普通軌道，下半部分為有砟梯軌。由圖14看出，每根普通橫枕下均出現(xiàn)不同程度的振動響應(yīng)集中，各根軌枕下振動相互疊加造成道砟頂面振動場分布復(fù)雜，峰值頻繁出現(xiàn)，經(jīng)過道砟分散后亦未完全消減。相反，列車荷載經(jīng)縱向軌枕衰減后時域圖未見明顯峰值，僅在每段縱向軌枕斷開處出現(xiàn)較小的振動能量集中。因此，有砟梯軌在降低響應(yīng)時域峰值、分擔列車荷載沖擊振動、降低極低頻率具有一定優(yōu)勢。

圖14　道砟加速度峰值云圖 Fig.14 Peak acceleration contour of ballasts

據(jù)有砟梯軌減振特性可認為，有砟梯軌具有控制重載貨運列車環(huán)境振動的潛在優(yōu)勢，建議進一步通過實驗室及現(xiàn)場試驗全面評估其動力特性及減振性能，研究有砟梯軌與枕下、道砟下彈性材料配合使用的減振效果。

3結(jié)論

通過有砟、無砟梯軌對比試驗及有砟梯軌、普通有砟軌道數(shù)值分析比較，結(jié)論如下：

(1)僅考慮減振時，有砟梯軌減振能力不及具有枕下彈性材料的浮置式梯軌。

(2)有砟梯軌在低頻段具有一定減振性能。頻率極低時，減振性能優(yōu)于無砟梯軌及普通有砟軌道。振動經(jīng)道砟在20 Hz以下平均可衰減25 dB。

(3)梯式軌枕能較好分擔列車沖擊荷載，能有效消除枕下振動響應(yīng)時程峰值。

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