不同形式地下軌道動力特性及減振性能研究

唐 娟

(合肥鐵路工程學校，安徽 合肥 230000)

0 引言

本文基于ANSYS，分別建立了地下常用軌道形式計算模型；列車荷載通過車輛簡化模型模擬；分別從隧道梁自振特性和時頻域的角度分析各類軌道的減振效果。

1 計算模型及參數

1.1 列車荷載的模擬

本文采用地鐵B型車，6節編組，單節車輛的軸距與定距為2.2 m，12.6 m。由于地鐵車輛重心在縱橫向都是對稱的，將其豎向振動簡化為單自由度模型如圖1a)所示。該輪系以速度V在不平順的軌道上行駛，輪軌間相互作用力為P(t)。模型中參數：1/8車體質量Mc=7 040 kg，1/2輪對質量Mw=750 kg、集總剛度K=0.79 kN/mm、集總阻尼C=32.7 kNs/m，其中，yc為車體振動位移；yw為車輪振動位移并假設為系統的外界激勵。

文中采用德國低干擾譜來模擬軌道不平順狀態，波長范圍取1.524 m～304.8 m，時間步長dt=0.002 5 s，車速分別取40 km/h，80 km/h。數定力采用三角級數法模擬，計算結果如圖1b)所示，該數定力可以反映不平順和車速的影響。

1.2 軌道—隧道梁—土體模型

基于ANSYS的不同軌道形式采用梁、質點、彈簧的模擬方法，分為整體道床、彈性短軌枕、橡膠支承浮置板軌道、鋼彈簧浮置板軌道四種工況。諧響應分析軌道長取60 m，瞬態分析時軌道長取180 m。工況3、工況4的道床寬3.2 m、厚0.4 m。隧道梁截面參數通過ANSYS獲取截面信息所得，各工況軌道模型中鋼軌為CHN60；扣件型號為DTV12，剛度k=30 kN/mm、阻尼c=75 kNs/m；彈性短軌枕軌道，軌枕質量M=111.4 kg、軌下支承剛度k=25 kN/mm、阻尼c=75 kNs/m；浮置板軌道，軌道板彈性模量3.3×1010N/m2、密度ρ=2 500 kg/m3，其中橡膠支承剛度k=20 kN/mm、阻尼c=75 kNs/m，彈簧支承剛度k=6.9 kN/mm、阻尼c=75 kNs/m；基礎梁彈性模量E=2.85×1010N/m2、密度ρ=2 500 kg/m3；土體剛度k=5.3×103kN/mm、損耗因子η=0.03。

2 掃頻分析

文中采用該法定量分析不同軌道形式在0 Hz～200 Hz內所有共振頻率對力的傳遞力的影響大小。為了判斷軌道—隧道土體這一復雜體系中各部件的作用，共設計了三個計算模型：1)不考慮隧道土體的模型；2)考慮隧道土體的模型；3)改變工況4模型的土體剛度來判斷土質的作用(ζ為土體剛度比例系數)。加載時，加載節點為跨中鋼軌節點、力的幅值F=1 kN、頻率范圍取0 Hz～200 Hz。文中采用力的傳遞率LT作為指標判斷系統的隔振效果，其定義如下式：

LT=20×log(∑fi/F)(i=底部約束節點數)。

式中：fi——底部約束節點的豎向反力；

F——加載力，1 kN。

根據圖2可知：

1)不考慮隧道土體時可以判斷各軌道形式的最不利共振點及工作頻段：一方面軌道的基頻決定其工作頻段，工況4的工作頻段最寬且單點最大共振反力也最小；另一方面軌道的振型特性決定了線路方向內反力的波動特性，0 Hz～200 Hz工況4于工作頻域的波動性使得單點的反力大大降低，但同時也使遠處軌道發生振動，表現在討論總反力的隔振效果時對于中高頻的隔振效果不佳。

2)考慮隧道土體時，傳遞力的頻域分布同時受到軌道與隧道梁的影響：一方面表現在共振頻率上；另一方面表現在中高頻力的傳遞率。

3)土體剛度決定了隧道梁的共振主頻及振型的波動性，土體剛度越小對跨過隧道梁基頻后的頻段力的衰減更快。

3 瞬態分析

瞬態分析時考慮三種因素的影響：

1)由模型B得出軌道形式的影響(V=80 km/h)；2)由模型C得出土體剛度的影響(V=80 km/h)；3)由模型B中的鋼彈簧浮置板軌道模型確定車速的影響(V=40 km/h～80 km/h)。上述模型中時間步長dt=0.002 5 s，取各軌道跨中部件節點為觀察點。上述不同工況下隧道梁振動的頻域分布見圖3。

根據圖3可知：

1)隨機荷載下不同軌道形式隧道振動的頻域分布走勢大致相同，各軌道對應的主頻皆為隧道梁的基頻，可見隧道梁對整個減振系統傳遞到大地的振動影響較大；以整體道床為參考，其他各軌道表現的頻域內差異大致可用圖3b)解釋，在靠近軌道基頻范圍內的隔振效果略差，跨過基頻后振動衰減；彈性短軌枕的工作頻率在100 Hz以上且100 Hz以內的隔振效果要差于整體道床，鋼彈簧浮置板在10 Hz～50 Hz的隔振效果要優于橡膠支承浮置板軌道；各軌道的不利頻段內的放大現象影響不大。

2)隨機荷載下不同土質同樣決定了隧道梁的振動分布：一方面，土體剛度越大隧道梁的振動越小，0 Hz～200 Hz內振動分布幾乎整體下移；另一方面，不同土體剛度的隧道梁振動主頻也對應其隧道梁的基頻。

3)隨機荷載下不同車速引起隧道梁振動分布走勢大致相同，基本上各頻道內車速越大有效振級越大。

4 結語

不同軌道形式下軌道自身的振動特性直接影響到隧道的振動，使得隧道梁的波動特性的陣型幅值及激發頻率不同，鋼彈簧浮置板軌道所需的激發頻率最小且同階振型幅值最小。不同的土質對軌道的振動影響不大但決定了隧道的振動，一方面影響隧道的振級大小，另一方面影響隧道振動頻域內的主頻分布。

參考文獻：

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