減振墊浮置板整體道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

任 樹 文

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 研究背景

目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通工程正在如火如荼的發(fā)展，因線路的規(guī)劃、城市地下空間等因素制約，導(dǎo)致沿線部分敏感點(diǎn)距離線路中心線較近，需根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告等相關(guān)要求采取不同級(jí)別的軌道減振降噪措施。

減振墊浮置板整體道床相較于 Vanguard 扣件、鋼彈簧浮置板、梯形軌枕等其他高等減振措施，其施工速度快，適應(yīng)范圍廣，綜合造價(jià)低，減振效果相當(dāng)?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)正在越來越多的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)城市軌道交通工程中。

減振墊浮置板道床1975年首次在德國(guó)柏林地鐵使用，其減振原理主要是在道床板與基地結(jié)構(gòu)之間設(shè)置彈性隔離層，通過減振墊層將軌道及浮置板與底部及側(cè)面結(jié)構(gòu)相隔離，使鋼軌等上部結(jié)構(gòu)所受的車輛動(dòng)擾力通過隔離層傳遞到結(jié)構(gòu)底部，在此過程中由減振墊層進(jìn)行調(diào)諧、濾波、吸收能量，達(dá)到隔振減振的目的，屬于被動(dòng)隔振，見圖1。

本文主要根據(jù)城市軌道交通工程土建、車輛、限界等專業(yè)相關(guān)接口設(shè)計(jì)資料，建立區(qū)間減振墊浮置板整體道床軌道結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算不同工況下軌道結(jié)構(gòu)各部分的變形及軌道板彎矩，為減振墊浮置板道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 基本計(jì)算參數(shù)的選取

2.1 車輛荷載參數(shù)

荷載根據(jù)地鐵A型車參數(shù)選取，相關(guān)參數(shù)見表1，荷載分布見圖2。

表1 地鐵A型車靜力計(jì)算參數(shù)

2.2 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

鋼軌：60 kg/m,U75V鋼軌，鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。

扣件：ZX-2型扣件；間距采用1 680對(duì)/km。

減振墊：靜力地基模量 0.019 N/mm3，厚度 30 mm。

外型尺寸：考慮到運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)、維修的可行性、可靠性、方便性以及保證減振降噪效果的有效實(shí)現(xiàn)，隔離式減振墊道床板不應(yīng)過長(zhǎng)，也不應(yīng)過短，同時(shí)還要有一定的參振質(zhì)量，綜合各方面統(tǒng)籌考慮及借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，道床板長(zhǎng)度考慮3.55 m,6 m和12 m三種長(zhǎng)度，板厚分別考慮345 mm和370 mm 兩種高度。

3 三維有限元模型的建立

3.1 鋼軌和扣件模型

鋼軌：采用梁?jiǎn)卧M，彈性模量E=2.1×1011N/m2，泊松比0.3，密度7.83×103kg/m3。

扣件：扣件垂向等效剛度取25 kN/mm，扣件采用彈簧單元模擬。

3.2 浮置板模型

為了消除邊界條件影響，并考慮荷載最不利情況，建立了5塊浮置板模型。

浮置板用實(shí)體單元模擬，其混凝土采用 C40 混凝土，彈性模量E=3.40×1010N/m2，泊松比0.2，密度2.5×103kg/m3。

3.3 減振墊模型

為達(dá)到隔振效果，在浮置板兩側(cè)和底部以滿鋪形式敷設(shè)減振墊層。彈性模量E=9.5×104N/m2。彈性減振墊層采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，選用材料泊松比0.47，密度1 400 kg/m3。

3.4 隧道基礎(chǔ)模型

隧道基礎(chǔ)同樣采用實(shí)體單元模擬，采用C40混凝土材料參數(shù)，彈性模量E=3.40×1010N/m2，泊松比 0.2，密度2.5×103kg/m3。隧道基礎(chǔ)模型整體呈U型槽狀。

3.5 軌道結(jié)構(gòu)整體模型

根據(jù)上述各個(gè)單元模型建立的區(qū)減振墊浮置板整體道床結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

4 軌道力學(xué)分析

4.1 軌道結(jié)構(gòu)變形分析

按照?qǐng)D2所示荷載，在區(qū)間減振墊浮置板軌道有限元模型中加載，計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)各部分的變形、軌道板的彎矩，如圖4所示。

不同工況下軌道結(jié)構(gòu)各部分的最大垂向靜位移，見表2。

由表2可知，軌道板越長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)各部分的垂向位移越小，軌道板厚度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)各部分的垂向位移影響很小，可以忽略不計(jì)。根據(jù)CJJ/T 191—2012浮置板軌道技術(shù)規(guī)范3.1.5 規(guī)定，浮置板軌道在列車額定荷載作用下鋼軌的最大垂向位移不應(yīng)大于 4 mm，可知所有工況的浮置板軌道結(jié)構(gòu)各部分的垂向位移均滿足要求(動(dòng)力系數(shù)按1.6考慮)。

表2 軌道結(jié)構(gòu)各部分垂向靜位移最大值

板長(zhǎng)/m板厚/m鋼軌/mm軌道板/mm基礎(chǔ)/mm錯(cuò)臺(tái)/mm3.556120.345-3.12-2.41-0.0861.200.370-3.10-2.38-0.1041.190.345-2.33-1.57-0.0550.940.370-2.35-1.60-0.0690.940.345-2.26-1.54-0.0540.910.370-2.27-1.49-0.0660.92

4.2 軌道板彎矩分析

按照?qǐng)D2所示荷載軸距，在軌道板上加載，通過計(jì)算分析，得到軌道板縱、橫向彎矩包絡(luò)圖(包絡(luò)圖反映了移動(dòng)荷載通過這塊板時(shí)，板的各個(gè)位置所受的最大或最小彎矩，注負(fù)彎矩表示板下側(cè)受拉，正彎矩表示板上側(cè)受拉)，見圖5，圖6。

由圖5，圖6可知，軌道板長(zhǎng)度相同時(shí)，隨軌道板厚度的增加，板上側(cè)或下側(cè)受拉時(shí)產(chǎn)生的縱橫向彎矩也稍有增大，但變化幅度較??；軌道板厚度相同時(shí)，對(duì)于縱向彎矩，板上側(cè)受拉時(shí)彎矩大小次序?yàn)? m板最大、12 m板次之、3.55 m 板最小，板下側(cè)受拉時(shí)彎矩隨板長(zhǎng)的增加而增大；對(duì)于橫向彎矩，板上側(cè)或下側(cè)受拉時(shí)產(chǎn)生的彎矩隨板長(zhǎng)增加而增大。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)本計(jì)算中的6種工況減振墊浮置板軌道進(jìn)行力學(xué)分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)軌道板越長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)各部分的垂向位移越小，所選取的軌道板厚度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)各部分的垂向位移影響很小。

2)板長(zhǎng)相同時(shí)，板上側(cè)或下側(cè)受拉時(shí)產(chǎn)生的縱橫向彎矩均隨板厚增加而增大，但變化幅度較小。

3)板厚相同時(shí)，其上側(cè)或下側(cè)受拉時(shí)產(chǎn)生的橫向彎矩及下側(cè)受拉時(shí)產(chǎn)生的縱向彎矩隨板長(zhǎng)增加而增大，其上側(cè)受拉時(shí)彎矩大小次序?yàn)? m板最大、12 m板次之、3.55 m板最小。

4)各種工況下浮置板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本都能滿足行車安全要求，故應(yīng)在減振墊浮置板設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合車輛、土建、限界等接口專業(yè)要求進(jìn)行合理選型，以達(dá)到最佳預(yù)期效果。