富水地區(qū)短板鋼彈簧浮置板軌道減振效果研究★

王 繼 侯博文 趙聞強(qiáng)

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 概述

我國沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的大量地鐵都修建在富水地區(qū)［1］，富水地區(qū)存在大量的飽和軟黏土地層，這些土層的含水率大、壓縮性高、剪切波速小，地鐵列車動(dòng)力作用對(duì)周邊振動(dòng)環(huán)境影響更大，且在中低頻范圍內(nèi)振動(dòng)增加明顯。如張燕等［2］通過對(duì)濱洲線大慶龍鳳濕地區(qū)段列車動(dòng)荷載引起的地面振動(dòng)進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)，在30 Hz～80 Hz頻率范圍內(nèi)振動(dòng)加速度級(jí)增加。申躍奎［3］在研究地鐵激勵(lì)下振動(dòng)的傳播規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，豎向振動(dòng)在地鐵隧道附近以40 Hz～80 Hz頻段為主。張波［4］以天津地區(qū)某典型飽和土場地為例，對(duì)地鐵列車動(dòng)荷載誘發(fā)的地基振動(dòng)進(jìn)行研究，得出地鐵列車誘發(fā)飽和土體地基振動(dòng)主要發(fā)生在低頻階段。由此可知富水軟土地區(qū)的軌道減振，更需要關(guān)注中低頻段的減振問題。

目前城市軌道交通已經(jīng)采用了包括鋼彈簧浮置板、橡膠浮置板、減振扣件等在內(nèi)的多種減振軌道型式。相對(duì)而言，橡膠浮置板、減振扣件等措施自振基頻較高，可能無法滿足富水軟土地區(qū)的軌道減振需求。而鋼彈簧浮置板基頻較低，減振效果較好。

丁智等［5］通過對(duì)杭州市某地鐵隧道整體道床和鋼彈簧浮置板進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌振級(jí)比整體道床小10 dB。但目前采用的鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)大多以現(xiàn)澆長板式為主，現(xiàn)有研究也較少涉及短板鋼彈簧浮置板軌道的減振性能。短板鋼彈簧浮置板由于其預(yù)制質(zhì)量好、施工便捷等特點(diǎn)，更加符合城市軌道交通預(yù)制式、裝配式的發(fā)展理念，其在富水軟土地區(qū)的減振性能還需進(jìn)一步分析。

綜上所述，采用短板鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)是富水地區(qū)軌道減振的有效途徑，但目前對(duì)該軌道結(jié)構(gòu)減振效果的研究極少，因此，開展富水地區(qū)短板鋼彈簧浮置板減振效果研究十分必要。本文基于富水地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，結(jié)合地鐵盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有限元軟件Abaqus建立了車輛—軌道—下部基礎(chǔ)耦合動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)新型裝配式鋼彈簧短板浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪特性進(jìn)行研究，以期為優(yōu)化裝配式短板鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和富水軟土地區(qū)減振降噪軌道建設(shè)提供理論支撐。

2 車輛—軌道—下部基礎(chǔ)耦合模型建立

2.1 車輛模型

將車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)視為剛體，各剛體間通過彈簧阻尼元件連接。以地鐵B型車為例，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 地鐵B型車計(jì)算參數(shù)

2.2 軌道—下部基礎(chǔ)模型

圖1 鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)圖

將鋼軌、軌道板、隧道和土體采用實(shí)體單元建模，其中，鋼軌為60 kg/m;軌道板為短板鋼彈簧浮置板，結(jié)構(gòu)的平面圖及斷面圖如圖1所示;隧道模型分為基底和襯砌;土體采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。扣件系統(tǒng)采用多根線性三向彈簧—阻尼單元建模。鋼彈簧隔振器按9根三向彈簧阻尼單元建模。本文假設(shè)土體與襯砌之間、襯砌與基底之間接觸良好，不考慮結(jié)構(gòu)間相對(duì)位移。各部分參數(shù)見表2。

2.3 輪軌接觸模型

輪軌法向力采用Hertz理論計(jì)算:

其中，G為輪軌接觸常數(shù)，m/N2/3;ΔZ(t)為t時(shí)刻輪軌間彈性壓縮量，m。

輪軌切向力采用Coulomb摩擦模型進(jìn)行計(jì)算:

其中，μ為摩擦系數(shù)，本文取0.3。

輪軌激勵(lì)采用美國五級(jí)譜。

表2 軌道—下部基礎(chǔ)模型各結(jié)構(gòu)具體參數(shù)

2.4 車輛—軌道—下部基礎(chǔ)耦合動(dòng)力學(xué)模型

采用以上思路和方法建立的動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。同時(shí)建立整體道床模型用于對(duì)比分析。模型長度為75 m。

圖2 車輛—浮置板軌道—下部基礎(chǔ)耦合動(dòng)力學(xué)模型

3 富水地區(qū)鋼彈簧浮置板隔振效果分析

3.1 富水軟土地區(qū)車致振動(dòng)傳遞規(guī)律

根據(jù)富水地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)設(shè)置了土體參數(shù)，并與普通硬質(zhì)圍巖對(duì)比，相關(guān)參數(shù)如表3所示。在整體道床工況下，計(jì)算列車經(jīng)過時(shí)兩種土體上表面的加速度Z振級(jí)，結(jié)果如圖3所示。

表3 不同土體的典型參數(shù)

圖3 土體上表面1/3倍頻程加速度Z振級(jí)

由圖3可知，在0 Hz～32 Hz頻率范圍內(nèi)，硬質(zhì)圍巖的加速度Z振級(jí)低于富水軟土;在32 Hz以上頻率范圍，富水軟土地區(qū)的Z振級(jí)稍低于硬質(zhì)圍巖。由此可知，富水軟土地區(qū)列車引起的振動(dòng)經(jīng)過整體道床傳遞至地表后，低頻成分明顯增多，其中，在16 Hz～32 Hz頻段增多最為明顯。我們知道，橡膠浮置板軌道基頻常在20 Hz～30 Hz之間;鋼彈簧浮置板基頻在15 Hz～16 Hz之間。因此，橡膠浮置板軌道基頻無法避開軟土地區(qū)的振動(dòng)放大頻段，在富水軟土地區(qū)選擇鋼彈簧浮置板更為合理。

3.2 富水地區(qū)鋼彈簧浮置板隔振效果分析

基于車輛—軌道—下部基礎(chǔ)耦合動(dòng)力學(xué)模型對(duì)比分析富水地區(qū)鋼彈簧浮置板和整體道床的各結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，提取板中位置鋼軌、軌道板以及基底的最大位移和加速度有效值見表4。

表4 鋼彈簧浮置板和整體道床的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比

由表4可知，在垂向最大位移方面，采用浮置板后，鋼軌和軌道板的位移顯著增加，但仍小于《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》［6］規(guī)定限值，這是由于鋼彈簧隔振器降低了軌下和板下剛度所致;基底的位移略微減小，這是由隔振器的緩沖作用導(dǎo)致的。

同樣地，在垂向加速度有效值方面，采用浮置板后，鋼軌和軌道板的加速度有效值增加，基底的加速度有效值顯著減小，說明振動(dòng)主要由鋼軌和軌道板承受，傳遞到下部基礎(chǔ)的振動(dòng)顯著降低。

為進(jìn)一步比對(duì)其減振效果，提取隧道壁上距鋼軌頂面約1.5 m高處的垂向振動(dòng)加速度，采樣點(diǎn)位置如圖4所示，計(jì)算隧道壁垂向加速度Z振級(jí)的插入損失如圖5所示。

圖4 隧道壁垂向加速度采樣點(diǎn)

圖5 隧道壁垂向加速度Z振級(jí)插入損失

由圖5可知，采用鋼彈簧浮置板后部分頻段具有明顯的減振效果。當(dāng)頻率為200 Hz時(shí)，減振效果最佳，插入損失為22.18 dB。當(dāng)頻率在16 Hz附近時(shí)，其減振效果較差，但并未出現(xiàn)基頻放大的現(xiàn)象。

根據(jù)規(guī)范［6］，減振效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)對(duì)浮置板軌道與整體道床比較分頻振級(jí)均方根的差值Δla。頻率范圍取1 Hz～80 Hz，計(jì)算總振級(jí)后發(fā)現(xiàn)減振軌道減振效果為Δla=12.35 dB。由此可知，在富水軟土地區(qū)使用短板鋼彈簧浮置板軌道可以明顯減小列車動(dòng)荷載對(duì)下部基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動(dòng)。

4 結(jié)語

在富水地區(qū)，車輛動(dòng)力作用經(jīng)由土體傳遞后在低頻范圍(16 Hz～32 Hz)增加明顯。采用短板鋼彈簧浮置板軌道后，能夠顯著降低列車動(dòng)荷載對(duì)下部基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng)。板中位置結(jié)構(gòu)變形能夠滿足規(guī)范要求，減振效果約為12.35 dB。