陳卓，曾志平

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彈性支承塊式無砟軌道減振特性足尺模型對比試驗(yàn)

陳卓1, 2，曾志平3

(1. 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600；2. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 4100075)

基于中鐵五院彈性支承塊式無砟軌道優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)成果(“改進(jìn)型”LVT)以及蒙華鐵路彈性支承塊式無砟軌道(“傳統(tǒng)型”LVT)設(shè)計(jì)圖紙，在實(shí)驗(yàn)室分別制作“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT的1: 1足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ停_展落軸沖擊作用下，“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT減振特性對比試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT的鋼軌加速度基本一致，而“改進(jìn)型”LVT鋼軌至支承塊、底座板至地面的衰減率優(yōu)于“傳統(tǒng)型”LVT，“改進(jìn)型”LVT減振效果可達(dá)4~5 dB；“改進(jìn)型”LVT鋼軌加速度第1和第2振動周期最大分別減少32.2%和30.0%，且第3周期加速度幅值不明顯；“改進(jìn)型”LVT整體彈性系數(shù)最大減小27.4%，而阻尼系數(shù)最大增大58.2%；“改進(jìn)型”LVT支承塊主要頻率降低約6%，道床板、底座板以及地面主振頻率降低約40%。試驗(yàn)結(jié)果可為“改進(jìn)型”LVT的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

重載鐵路；彈性支承塊式無砟軌道；減振特性；足尺模型；對比試驗(yàn)

重載鐵路對于增加鐵路貨物運(yùn)輸能力、提高運(yùn)輸效益的效果非常顯著[1?3]。目前，重載鐵路一般以有砟軌道為主。隨著通過總重及運(yùn)量增加，有砟道砟粉化日趨嚴(yán)重，維修工作量急劇加大。由于隧道內(nèi)軌道的維修非常困難，我國《鐵路工程設(shè)計(jì)措施優(yōu)化指導(dǎo)意見》提出，長度超過1 km的隧道和隧道群地段宜采用無砟軌道結(jié)構(gòu)。相對于其他類型的無砟軌道，LVT減振性能良好，有利于降低輪軌沖擊對隧道結(jié)構(gòu)振動的影響，更適合鋪設(shè)在重載鐵路隧道內(nèi)。既有彈性支承塊系統(tǒng)容易產(chǎn)生過大變形甚至松動，致使線路軌距保持性能變差；彈性部件受力不均，易產(chǎn)生破損；彈性支承塊系統(tǒng)比較復(fù)雜，施工運(yùn)輸和安裝成本較高?；诖?，中鐵五院主持并組織相關(guān)單位針對既有隧道內(nèi)重載鐵路LVT，開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究和產(chǎn)品試制。對支承塊進(jìn)行優(yōu)化并設(shè)計(jì)了斜坡型支承塊結(jié)構(gòu)(圖1)；提出了1種套靴一體化設(shè)計(jì)制造方案(圖2)；優(yōu)化支承塊尺寸及埋深；進(jìn)行軌道部件剛度合理匹配[4]。本文采用落軸試驗(yàn)方法，在足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT[5?6]的振動特性對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明“改進(jìn)型”LVT在振動響應(yīng)方面取得了較為良好的效果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)了施工工藝，為其現(xiàn)場鋪設(shè)的可行性提供了技術(shù)保證。

圖1 “改進(jìn)型”支承塊

圖2 “改進(jìn)型”靴套

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透艣r

采用“改進(jìn)型”與“傳統(tǒng)型”LVT各1段進(jìn)行對比試驗(yàn)。根據(jù)隧道內(nèi)“改進(jìn)型”與“傳統(tǒng)型”LVT的設(shè)計(jì)圖紙，本試驗(yàn)軌道模型長度按6.58 m(各含11對支承塊)設(shè)計(jì)，配套采用彈條Ⅶ型重載扣件和60 kg/m鋼軌，扣件間距0.6 m。足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

圖4 模型實(shí)物圖(左-“傳統(tǒng)型”、右-“改進(jìn)型”)

2 試驗(yàn)方法

采用落軸試驗(yàn)法進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)振動特性對比試驗(yàn)[7?8]，該方法主要測試在落軸沖擊作用下，鋼軌、支承塊、道床板、底座板和地面等結(jié)構(gòu)部件的加速度和位移等動力響應(yīng)[9?12]。試驗(yàn)過程中，將輪對(質(zhì)量1.42 t)置于模型中部第6組扣件支點(diǎn)正上方，分別以5，10，15，20，25和30 mm等 6種落軸高度工況自由落體沖擊鋼軌，如圖5所示。通過測試自鋼軌至地面處各軌道部件的加速度，分析相鄰部件振動傳遞和沖擊衰減性能；軌道結(jié)構(gòu)的振動參數(shù)，如彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)，可以通過輪軌沖擊作用時長及反彈回落時長計(jì)算得到。為探究輪軌沖擊加速度沿線路豎向的衰減及傳遞規(guī)律，分別在鋼軌頂面、支承塊表面、道床板靴套周圍表面、道床板邊緣表面、道床板中心線表面、底座板邊緣表面和地面布置加速度傳感器，具體布置方式如圖6所示。

圖5 落軸沖擊試驗(yàn)機(jī)

圖6 加速度傳感器布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 加速度幅值及衰減對比分析

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，計(jì)算得出不同落軸高度下，“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT的鋼軌至地面等各軌道部件的平均加速度如表1所示，各部件相對于鋼軌加速度的幅值比如表2所示；根據(jù)振動加速度級計(jì)算方法，得到“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT地面振動加速度級如表3所示。從表1可以得出，“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT各部件加速度隨著落軸高度增加逐漸增大；同一落軸高度下，“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT鋼軌加速度幅值基本一致，但“改進(jìn)型”LVT支承塊和地面的加速度明顯小于“傳統(tǒng)型”LVT；落軸高度為30 mm時，“改進(jìn)型”LVT支承塊和地面加速度最大值分別為24.96和0.24，而“傳統(tǒng)型”LVT支承塊和地面加速度最大值分別為32.78和0.53，說明“改進(jìn)型”LVT對于輪軌沖擊力吸收效果更好。從表2可以看出，輪軌沖擊作用下，“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT支承塊相對于鋼軌加速度幅值比分別為0.208和0.249，地面相對于鋼軌加速度幅值比分別為0.002和0.005，即“改進(jìn)型”LVT加速度在鋼軌至支承塊、底座板至地面衰減率優(yōu)于“傳統(tǒng)型”LVT。從表3可看出，與相比“傳統(tǒng)型”LVT，“改進(jìn)型”LVT減振效果達(dá)4~5 dB。輪軌沖擊作用下，“改進(jìn)型”LVT道床板、地面所受的沖擊影響優(yōu)于“傳統(tǒng)型”LVT。

表1 各位置平均加速度

表2 各部件相對于鋼軌加速度幅值比

表3 地面振動加速度級

3.2 輪軌沖擊衰減次數(shù)及衰減時間對比分析

通過不同落軸高度沖擊試驗(yàn)，可測得輪軌沖擊作用點(diǎn)鋼軌加速度時程曲線，以落軸高度20 mm為例，測得“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT鋼軌加速度時程曲線如圖7所示。10，20和30 mm落軸高度下前3個衰減周期時長如表4所示。從圖7和表4可發(fā)現(xiàn)，輪軌沖擊作用下，“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT鋼軌加速度經(jīng)過3~4個周期衰減至零；與“傳統(tǒng)型”LVT相比，“改進(jìn)型”LVT第1和第2衰減周期、平均分別減少16.7%和16.5%，最大分別減少32.2%和30.0%，即“改進(jìn)型”LVT衰減至同一水平加速度的時間歷程更短；“改進(jìn)型”LVT第3周期加速度幅值已不明顯，即“改進(jìn)型”LVT加速度總衰減時長更短。由此可見，輪軌沖擊作用下“改進(jìn)型”LVT衰減更為迅速。

3.3 彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)對比分析

利用不同落軸高度的輪軌沖擊時間測試結(jié)果，計(jì)算“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)K和阻尼系數(shù)C[1]，如表5所示。從中可以看出，“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT的彈性系數(shù)分別為37.7~ 45.2 kN/mm和47.4~55.2 kN/mm，阻尼系數(shù)分別為277.5~324.9 kN?s/m和205.4~281.9 kN?s/m。與“傳統(tǒng)型”LVT相比，“改進(jìn)型”LVT整體彈性系數(shù)平均減少21.1%，最大減少27.4%，而阻尼系數(shù)平均增大16.7%，最大增大58.2%，說明“改進(jìn)型”LVT對于衰減輪對沖擊振動更為有利。

(a)“改進(jìn)型”LVT；(b)“傳統(tǒng)型”LVT

3.4 振動頻域特征對比分析

通過分析軌道結(jié)構(gòu)各部件的振動頻譜圖，可得到軌道各部件振動主頻及其沿豎向從鋼軌至地面的傳遞規(guī)律，從而獲得“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT在頻域方面減振性能的差異。根據(jù)測試頻譜圖，分析落軸高度10，20和30 mm對應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)各部件主頻如表6所示。從中可以看出，輪軌沖擊作用下，“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT鋼軌主振頻率分別為570.7~575.3 Hz和570.7~619.5 Hz，支承塊主振頻率分別為236.5~245.7 Hz和242.6~ 267.0 Hz，道床板主振頻率分別為140.4~144.9 Hz和244.1~254.8 Hz，底座板主振頻率分別為141.9~ 148.0 Hz和206.0~212.1 Hz，地面主振頻率分別為65.4~74.8 Hz和100.7~109.9 Hz。與“傳統(tǒng)型”LVT相比，“改進(jìn)型”LVT鋼軌主振頻率基本一致，支承塊主要頻率略有降低(約6%)，而道床板、底座板以及地面的主振頻率大幅降低(約40%)。由此可見，輪軌沖擊作用下，“改進(jìn)型”LVT能夠有效降低支承塊下結(jié)構(gòu)的振動頻率，減小對塊下部件及隧道周圍環(huán)境的影響。

表4 不同落軸高度下衰減周期

表5 “改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)

表6 不同落軸高度的軌道結(jié)構(gòu)各部分主頻

4 結(jié)論

1) 2種軌道的鋼軌加速度基本一致，而“改進(jìn)型”LVT的支承塊表面、地面加速度幅值及地面振動加速度級小于“傳統(tǒng)型”LVT，可明顯減小輪軌沖擊發(fā)生時對地基基礎(chǔ)的振動影響；與“傳統(tǒng)型”LVT相比，“改進(jìn)型”LVT振動換算加速度級幅值衰減可達(dá)4~5 dB。即“改進(jìn)型”LVT在吸收輪軌沖擊方面效果優(yōu)于“傳統(tǒng)型”LVT。

2)“改進(jìn)型”和“傳統(tǒng)型”LVT的鋼軌加速度經(jīng)過3~4個周期幅值衰減至零，“改進(jìn)型”LVT在鋼軌加速度衰減至同一水平加速度時，時間歷程以及總衰減時長更短；2種軌道的彈性系數(shù)基本相同，但“改進(jìn)型”LVT的阻尼系數(shù)更大。即“改進(jìn)型”LVT對于快速衰減輪軌沖擊速度、減少振動疊加方面優(yōu)于“傳統(tǒng)型”LVT。

3) 輪軌沖擊作用下，“改進(jìn)型”LVT的道床板、底座板和地面的振動頻率均明顯小于“傳統(tǒng)型”。即“改進(jìn)型”LVT輪軌沖擊振動高頻成分向地面?zhèn)鬟f更少，有利于減小對軌道仰拱、襯砌等結(jié)構(gòu)的振動影響。

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Comparative experimental study on vibration reduction characteristics of low vibration track by full-scale model

CHEN Zhuo1, 2, ZENG Zhiping3

(1. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Beijing 102600, China; 2. China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the present research results and design drawings of the low vibration track (LVT), the full-scale test models of the improved and traditional LVTs were established. A comparative experimental study on the vibration reduction characteristics of the improved and traditional LVTs was carried out under the impact action of drop axis. The results show that: The accelerations of the rails for improved and traditional LVTs are basically the same, while the attenuation rate from the rail to the support block as well as from the base plate to the ground of the improved LVT is better than that of the traditional LVT, and the damping effect of improved LVT can reach 4~5 dB; Compared with traditional LVT, the first and second vibration cycles of the rail acceleration of improved LVT decrease by 32.2% and 30.0%, respectively, and the amplitude of the third period acceleration of improved LVT is not obvious; The maximum elastic modulus of the improved LVT model decreases by 27.4%, while the maximum damping coefficient increases by 58.2%; The main frequency of the improved support block is reduced by about 6%, while the main frequency of the ballast board, base board and ground is reduced by about 40%. The test results provide a technical support for the project application of improved LVT.

heavy haul railway; low vibration track; vibration reduction characteristics; full scale model; comparative experiment

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.009

U213

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0065 ? 06

2018?01?06

中國鐵建股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(13-C63)；煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1361204)

陳卓(1979?)，女，河南南陽人，博士研究生，高級工程師，從事鐵路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究；E?mail：61134963@qq.com

(編輯 涂鵬)