鋼彈簧浮置板中低頻振動特性分析

石 蕊，張曉蕓，石廣田，張小安，和振興

(蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070)

為了抑制地鐵列車運營時對周邊環境帶來的振動影響，在城市軌道交通中特殊敏感路段采用了減振軌道。浮置板軌道具有良好的減振性能，其中鋼彈簧浮置板已被證實減振效果最好。雖然鋼彈簧浮置板軌道具有良好的隔振性能，但其自身的振動問題有待進一步的研究。

浮置板軌道可以有效地降低城市軌道交通引起的振動問題，很多學者對浮置板軌道的結構特點以及減振特性進行了大量研究[1-8]。通過大量的對比研究，現已表明鋼彈簧浮置板減振軌道具有隔振頻率低和范圍大等特點，具有明顯的減振效果，目前是減振效果最好的軌道結構[8]?，F已在醫院、博物館等特殊地帶被廣泛應用。除了對其隔振性能進行研究外，很多學者通過理論和試驗研究對鋼彈簧浮置板軌道的不同影響參數對其動態性能等進行了研究。翟婉明等基于車輛-軌道耦合動力學理論，系統研究了鋼彈簧浮置板軌道在時域和頻域內車速、浮置板長度、厚度以及鋼彈簧的分布等因素對鋼彈簧支點力的影響[9]。李增光等建立了符合軌道動態特性的力學模型，采用動柔度方法分析了浮置板的隔振性能及其影響因素[7]。劉維寧等對鋼彈簧浮置板的低頻特征進行了現場測試，研究了鋼彈簧浮置板的軌道彈簧剛度、支承間距的變化對低頻振動的影響[10]。丁德云等進行了鋼彈簧浮置板的道床板長度、道床板厚度、彈簧剛度、支承間距和扣件剛度對其動力學性能的影響進行了試驗研究[11]。余關仁等通過建立鋼彈簧浮置板軌道三維有限元模型，對扣件和鋼彈簧隔振器失效對整體系統動力響應的影響進行了研究[12]。金浩等對液壓彈簧阻尼器的布置形式進行了設計，對已有和新設計的兩種布置方式的隔振性能進行了對比研究[13]。

有關鋼彈簧浮置板軌道結構目前大部分的研究主要針對的是地鐵隧道內鋼彈簧浮置板的隔振性能以及動態性能方面的研究，但對高架線路上的研究相對較少。石廣田等對高架線路的振動噪聲進行了很多的研究工作，并利用格林函數法建立了車輛-鋼彈簧浮置板-橋梁耦合動力學模型，對整體系統中高頻段的動力學響應以及影響參數進行詳細的研究[14-16]。江阿蘭等為了探究鋼彈簧浮置板在高速鐵路上的振動特性，利用ANSYS軟件建立了耦合動力學模型進行了隔振性能分析，并與普通板式無砟軌道進行了對比，研究表明鋼彈簧浮置板軌道具有良好的隔振效果[17]。馮讀貝等基于車輛-軌道耦合動力學理論與有限元法，對高架簡支箱梁上的非減振軌道，鋼彈簧浮置板軌道以及被動式動力減振浮置板軌道下的低頻振動特性，指出在15 Hz～30 Hz內鋼彈簧浮置板軌道是通過增大自身振動得以降低橋梁的振動[18]。劉小強對32 m簡支箱梁上鋼彈簧浮置板軌道結構的垂向振動傳遞特性進行了研究，同樣得出與整體無砟軌道相比，在低頻段浮置板軌道雖然能降低橋梁的振動，但自身的反而增大[19]。

綜上所述，首先針對軌道交通高架線路上鋼彈簧浮置板減振軌道的研究較之其他線路的研究較少；其次高架線路上由于橋梁結構的振動向外輻射結構噪聲，增強了這一線路的整體噪聲水平，其中鋼彈簧浮置板可以減少由軌道傳遞至高架橋梁的振動能量，進而降低高架線路的振動和二次噪聲水平[20]；最后相關研究指出，在高架線路中鋼彈簧浮置板在降低橋梁結構的同時反而增大了自身的振動水平。因此有必要對高架線路上的鋼彈簧浮置板的振動特性進行研究，本文利用ANSYS軟件建立鋼彈簧浮置板軌道-橋梁有限元模型；并基于車輛-軌道-橋梁相互作用理論，以美國六級譜激勵下的輪軌力作為輸入，對具有良好減振效果的鋼彈簧浮置板軌道在外激勵作用下的中低頻振動特性進行了分析；在此基礎上，進一步分析了鋼彈簧剛度對浮置板振動特性的影響。

1 基于ANSYS的鋼彈簧浮置板軌道動力學分析

1.1 鋼彈簧浮置板-橋梁有限元模型

利用ANSYS軟件鋼彈簧浮置板減振軌道-箱梁橋耦合動力學模型，分析長浮置板軌道結構，其中橋梁長度為25.2 m。在有限元模型中，鋼軌采用Beam188單元；扣件和鋼彈簧以Combin14單元進行模擬；浮置板及橋上底座利用Soild45實體單元；箱梁橋則考慮為Shell63單元。有限元模型中動力學參數可參見表1。鋼彈簧浮置板軌道-箱梁橋有限元模型如圖1所示。

圖1 鋼彈簧浮置板軌道-箱梁橋有限元模型

利用美國六級譜激勵作為系統的輸入，當地鐵A型車以時速80 km/h的速度通過時，僅考慮輪軌間的豎向接觸，基于ANSYS軟件中的瞬態動力學分析方法，采用Newmark-β數值積分方法對系統進行求解。對減振效果最好的鋼彈簧浮置板減振軌道結構的振動特性進行系統分析。車輛-軌道-橋梁相互作用如圖2所示。

表1 鋼彈簧浮置板軌道模型動力學模型參數

1.2 鋼彈簧浮置板振動特性分析

鋼彈簧浮置板軌道的主要部件為鋼軌和浮置板，為了探究鋼彈簧浮置板軌道的振動特性，首先主要選取鋼軌和浮置板中心點的振動加速度時程曲線和頻譜特性進行分析；其次利用浮置板加速度云圖對浮置板結構的振動特性做進一步分析。

圖2 車輛-軌道-橋梁動力相互作用示意圖

圖3 鋼軌中心點振動加速度響應

圖4 浮置板中心點振動加速度響應

由圖3和圖4可知，鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌在中低頻段的振動主要集中在200 Hz～250 Hz以及425 Hz～475 Hz；最大值達到了14.8 m/s2。浮置板的振動主要在150 Hz以下最為密集；210 Hz～235 Hz的振動同樣最為劇烈，在229.4 Hz達到最大值2.3 m/s2，并且在425 Hz～475 Hz同樣有較小浮動的振動。

通過對浮置板的振動加速度云圖進行分析可知，鋼彈簧浮置板軌道的浮置板結構振動首先主要以縱向上的彎曲振動為主；其次存在局部的振動特性，并且局部的振動特性并不是均勻的分布。參見圖5(a)和圖5(b)。

如圖5(c)、圖5(d)所示，在主振頻段，縱向上的彎曲振動也并不是以規則的同幅值正弦形式振動，而是在縱向上彎曲振動波的幅值逐漸增大或減小，同樣也伴隨著局部的振動特性。

圖5 浮置板振動加速度云圖1（單位：m/s2）

由圖4浮置板的頻譜特性曲線可知，浮置板結構在425 Hz～475 Hz同樣有較小浮動的振動。此頻段主要存在兩種振動形式，即均存在兩列縱向彎曲波，主要振動分別為整體和兩端局部振動。兩種情況在緊鄰頻率交替形成。如圖6所示。

圖6 浮置板振動加速度云圖2（單位：m/s2）

2 鋼彈簧剛度對浮置板振動特性的影響

圖7 鋼彈簧剛度對鋼軌中心點振動加速度的影響

由圖7和圖8可知，鋼彈簧剛度對鋼軌振動幅值影響很小，但對50 Hz以下的振動頻率分布的影響較大。對于浮置板的頻率分布影響則主要集中在100 Hz以下，在此頻段內，浮置板的振動頻率分布隨著鋼彈簧剛度的增大而升高。

圖8 鋼彈簧剛度對浮置板中心點振動加速度的影響

圖9給出了3種剛度不同的鋼彈簧浮置板結構在不同頻率時振動分布特性的影響。

圖9 鋼彈簧不同剛度對浮置板振動的影響（單位：m/s2）

由圖9可知，鋼彈簧剛度對浮置板結構的整體振動形式影響較大，由12.8 Hz及27.6 Hz時的振動加速度云圖可知，鋼彈簧剛度在頻率較低時對浮置板結構的振動幅值有一定的影響，對局部振動的分布影響較大。隨著頻率的增大，對浮置板結構的振動大小以及局部振動分布影響減小，僅影響浮置板結構的整體振動形式。

3 結語

（1）建立鋼彈簧浮置板減振軌道-箱梁橋三維有限元模型，才能很好地體現軌道交通線路基礎結構的整體和局部振動特性；其中利用所建立的鋼彈簧浮置板軌道有限元模型，能夠很好地進行浮置板軌道結構整體和局部振動特性的研究。

（2）鋼彈簧浮置板軌道在中低頻段的振動明顯，其中鋼軌的主振頻率集中在200 Hz～250 Hz以及425 Hz～475 Hz；浮置板結構的主振頻段與鋼軌一致，其中浮置板在150 Hz以下的低頻段振動密集，與425 Hz～475 Hz頻段的振動幅值相近。

（3）浮置板結構的振動特性以縱向上的彎曲振動為主，同時存在局部的振動特性，并且局部的振動特性并不是均勻的分布。

（4）浮置板在主振頻段不以規則的同幅值正弦形式進行彎曲振動，其幅值呈逐漸遞增或遞減。

（5）鋼彈簧剛度對鋼軌50 Hz以下的振動頻率分布有一定的影響；主要影響浮置板結構的整體振動形式，在頻率較低時對振動幅值及局部振動形式也有較大的影響。