基于有限元建模的地鐵浮置板軌道病害危害評估與動力學仿真分析

摘 要：文章針對地鐵浮置板軌道在長期使用中出現的隔振器及剪力鉸失效等典型病害，通過有限元建模與動力學仿真分析其影響。利用Absqus建立浮置板軌道模型，結合Universal Mechanism軟件構建車輛-軌道耦合動力學系統，模擬隔振器和剪力鉸在不同失效工況下的力學響應。結果表明：同側或異側雙隔振器失效僅使位移短暫超限（4mm），連接處全部失效會顯著影響列車穩定性；剪力鉸失效對位移幾乎無影響；且輪軌力學參數在各類失效工況下均未顯著惡化，表明系統安全性較高。研究對地鐵浮置板軌道傷損情況下穩定性和安全性指標進行動力響應特征仿真分析，為浮置板軌道服役狀態評估及維修決策提供了理論依據。

關鍵詞：地鐵浮置板軌道 損傷形式 有限元仿真 車輛-軌道耦合動力學

1 緒論

振動與噪聲問題是軌道交通設計和建造人員當今需要面對的一個非常嚴峻的考驗。我們可以看到有眾多的學者針對其中的關鍵——浮置板，提出了許多先進的概念，學者們有添加聲子晶體隔振器，或是設計三層動力系統，又或是針對減震墊進行更進一步的設計，考慮現實中的施工偏差，地表震動等等?；旧隙技性诹私Y構設計、施工質量、材料性能以及運行環境這些方向。在這其中，我們選擇關注的點是浮置板軌道病害及整治措施手段，在長期使用過程中，浮置板軌道會出現裂縫、沉降、水泥砂漿剝離等病害，這些病害會對軌道的穩定性和使用壽命產生嚴重影響。我國運營服役多年的減振軌道線路眾多，通過有效地評估典型減振軌道結構的服役狀態，以此為地鐵線路的維修提供技術支持和理論支撐。

2 地鐵浮置板介紹

2.1 組成

地鐵浮置板通常由道床板、彈性支撐系統、限位裝置、軌道部件、輔助部件等組成。其中，彈性支撐系統可選用鋼彈簧浮置板的鋼彈簧隔振器或是橡膠浮置板的橡膠隔振器；限位裝置一般包括側向限位和垂向限位；軌道部件由鋼軌、扣件、軌枕組成；輔助部件包含防水層，觀測裝置等部件。

2.2 應用范圍

地鐵浮置板可以應用在某些對減振降噪要求高的區域，例如醫院和學校附近、居民區密集地段或是文物保護區周邊；像軟土地基路段與某些地震多發區域等擁有特殊地質條件的區域同樣需要浮置板隔振緩沖；另外，像地鐵車輛段、停車場、地鐵隧道等特殊功能區域也同樣需要優化振動環境[1]。

3 簡易軌道浮置板有限元模型的建立與Universal Mechanism軟件的使用

3.1 模型創建

通過Abaqus建立長4.8m、寬2.9m的浮置板模型，設置彈性模量為3.45×104MPa，密度2700kg/m3，泊松比0.2，定義16個MPC梁約束，并設置位移/轉角和保留結點自由度邊界條件，完成模型創建[2]。使用Universal Mechanism軟件導入軸箱、構架、彈簧等部件，定義質量和轉動慣量，建立一系和二系懸掛系統，生成車輛模型。運行仿真程序，調整參數并輸出數據，進行動力學分析，模擬浮置板病害。

3.2 導入浮置板

接下來是浮置板模型的導入，由于浮置板有限元模型的建立是在Abaqus軟件當中完成所以需要用到Abaqus-um接口程序進行導入才能在UM軟件中使用。此程序可將Abaqus生成的input.fum文件轉化為可被UM input軟件識別的input.fss文件，完成后在UM input軟件中打開并復制兩個浮置板模型，將浮置板模型坐標依次改為（20，0，﹣0.2），（24.8，0，﹣0.2），（29.6，0，﹣0.2）。相鄰的浮置板以及浮置板和地基之間通過利用bushing力元模擬剪力鉸連接，再利用bushing在浮置板上建立力元模擬鋼彈簧和隔振器。

在UM input軟件中導入三塊浮置板模型作為三個子系統，添加柔性軌道作為一個子系統。定義子系統的參數：輪對質量1360kg，轉動慣量分別為920kg·m2、100kg·m2、920kg·m2；構架質量7360kg，轉動慣量5100kg·m2、1500kg·m2、4700kg·m2；車體質量41860kg，轉動慣量160000kg·m2、2000000kg·m2、1900000kg·m2。同時，設置一系和二系彈簧的豎向、橫向剛度及阻尼系數。完成這些參數設置后，UM Input軟件的建模工作即告完成，接下來將使用UM Simulation進行模擬仿真。

3.3 車輛動力學仿真分析

使用Universal Mechanism軟件導入軸箱、構架、彈簧等部件，定義質量和轉動慣量，建立一系和二系懸掛系統，生成車輛模型。運行仿真程序，以浮置板板中位置為輸出位移，第一個輪對位置輸出脫軌系數和輪軌力，調整參數并輸出數據，進行動力學分析，模擬浮置板病害[3]。

3.4 浮置板垂向位移

當測點在浮置板板中時，四種不同位置隔振器失效與四種不同位置剪力鉸失效結果如下。

3.4.1 四種不同位置隔振器失效

圖1中的數據分析深入探討了隔振器損壞對浮置板垂向位移的影響。首先，單個隔振器完全損壞的情況下，其與無損狀態的位移曲線幾乎完全重合，差值不超過1mm，遠低于4mm的限制，顯示出系統的強冗余和魯棒性。隨后，對比了浮置板上隔振器在異側失效與無損狀態的位移變化，發現在0.42秒至0.91秒間，破壞比例逐漸增大，垂向位移在前輪接近失效點時增加，并在某些點超過限制，但總體影響不顯著。同側隔振器完全破壞時，位移差異較小，僅在車輪經過損壞位置時，位移在0.89秒到0.94秒間超過限值，表明影響有限。最后，分析了浮置板連接處隔振器全部失效的情況，發現在0.87秒和1.68秒處，垂向位移明顯變化，超出限值，顯示連接處彈簧失效對列車運行穩定性有顯著影響。這些結果表明，隔振器損壞對浮置板性能的影響取決于損壞位置和程度，系統在設計時需考慮這些因素以確保穩定運行。

綜上所述，這些分析揭示了隔振器損壞對浮置板垂向位移的不同影響程度。單個隔振器的損壞幾乎無影響，而對側隔振器的損壞影響有限，同側隔振器的損壞影響較小，而連接處隔振器的全部失效則會對列車穩定性產生顯著影響。這些發現對于理解和優化浮置板系統的設計具有重要意義。

3.4.2 四種不同位置剪力鉸失效

如圖2所示，不論是單個、異側、同側還是靠近邊緣隔振器的四個剪力鉸失效時，浮置板垂向位移幾乎沒有發生任何變化，且最大差值在限值4mm之內，由此可以得出結論：剪力較失效時不會對浮置板板中位移產生影響。

3.5 數據分析

表1的數據深入分析了隔振器和剪力鉸在不同失效工況下，輪軌系統力學參數在0.42-1.06秒內的變化。結果顯示，無論是單個隔振器或剪力鉸失效，還是同側或異側的組合失效，輪軌系統的力學性能均表現出極高的穩定性和冗余性。在單個隔振器失效的情況下，輪軌垂向力、脫軌系數和橫向力的變化極小，幾乎與無損傷狀態重合，表明其對系統的影響微乎其微。同樣，單個剪力鉸失效時，各項參數的變化也可忽略不計。在同側隔振器或剪力鉸完全破壞的情況下，力學參數與無損傷狀態相比沒有顯著差異，顯示出系統的強魯棒性。異側隔振器完全破壞時，參數的量值分布未發生本質性改變，而對側剪力鉸完全破壞時，波動幅度一致，脫軌系數在特定時刻雖有所增大但未超限。在兩側剪力鉸同時失效的極端情況下，輪軸橫向力、垂向力和脫軌系數均未超出安全限值，系統仍能安全運行。這些數據一致表明，輪軌系統在面臨不同失效工況時，其力學性能保持穩定，展現了系統設計的優越性和對意外故障的高容忍度。

綜合以上分析，無論是單一失效還是組合失效工況下，輪軌垂向力、脫軌系數及橫向力的波動范圍與初始狀態高度重合，未出現顯著惡化。這表明輪軌系統的力學性能在各種失效工況下均保持穩定，系統的冗余設計和安全性能得到了有效驗證。

4 結語

研究通過數值建模探討了地鐵浮置板軌道隔振系統失效對行車的影響。結果顯示，單隔振器失效對軌道垂向位移影響有限，而四隔振器失效時位移增幅達0.15mm，導致位移顯著增加，需注意維護。剪力鉸失效對軌道位移影響不大，但隔振器失效超過兩個會影響行車平穩性。輪軌系統在不同失效工況下的力學性能分析表明，即便在失效情況下，系統性能保持穩定，顯示出結構的冗余安全性。然而，研究尚存局限性，未考慮地質差異、長期荷載及速度變化等因素，未來研究需結合更多實際數據和復雜工況，以進一步完善軌道狀態評估體系。

基金項目：上海工程技術大學課題“地鐵浮置板軌道病害危害及整治措施研究”（項目編號：cx2410005）。

參考文獻：

[1]朱良凱.浮置板軌道在城市軌道交通中的應用[J].山西建筑，2007（15）：333-334.

[2]蔣崇達，雷曉燕.城市軌道交通鋼彈簧浮置板軌道動力特性分析[J].城市軌道交通研究，2013，16（03）：34-41.

[3]耿傳智，宮寅.浮置板軌道系統動力響應分析[J].城市軌道交通研究，2012，15（03）：14-19.

[4]王子堯.地鐵鋼彈簧浮置板軌道扣件錨固螺栓力學特性仿真分析[D].成都：西南交通大學，2022.