李曉峰,禹 雷,丁德云,任樹文,李 騰,葉 軍

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,南京 210036； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055； 3.北京九州一軌環(huán)境科技股份有限公司,北京 100071)

根據(jù)環(huán)評(píng)要求，目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通工程軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)環(huán)評(píng)要求，特殊減振地段軌道結(jié)構(gòu)普遍采用浮置板減振措施，其中，鋼彈簧浮置板道床因?qū)儆谫|(zhì)量-彈簧體系，受限于軌道結(jié)構(gòu)高度或二期恒載的因素，多采用短軌枕或無(wú)枕式軌道結(jié)構(gòu)，易導(dǎo)致施工精度不夠，軌底坡不滿足設(shè)計(jì)要求甚至出現(xiàn)反坡現(xiàn)象，同時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)軌向、高低、水平等幾何偏差問(wèn)題，甚至出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲放大的現(xiàn)象，局部引起二次結(jié)構(gòu)噪聲超標(biāo)的問(wèn)題，后期運(yùn)營(yíng)整改難度較大。因此，改進(jìn)浮置板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，確保施工質(zhì)量及減振降噪效果是目前浮置板道床結(jié)構(gòu)迫切需要解決的問(wèn)題之一。

高鐵雙塊式軌枕具有較高鋪設(shè)精度，能較好地保持軌底坡，改善輪軌接觸[1]，將優(yōu)化后的雙塊式無(wú)砟軌道技術(shù)引入到鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)中，兼收雙塊式無(wú)砟軌道高精度和鋼彈簧浮置板高減振性優(yōu)點(diǎn)，可以有效改善地鐵特殊減振軌道結(jié)構(gòu)的施工速度低、平順性差、維修頻繁、減振效果不良等缺點(diǎn)，也有利于提高道床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性。

以新型雙塊式點(diǎn)支撐浮置板為研究對(duì)象，對(duì)其不同工況下的靜力學(xué)特性進(jìn)行了可靠性和穩(wěn)定性研究，并在國(guó)家鐵道試驗(yàn)環(huán)線鋪設(shè)了一段總長(zhǎng)300 m試驗(yàn)段，評(píng)估雙塊式鋼彈簧浮置板系統(tǒng)在不同時(shí)速運(yùn)行環(huán)境中的行車安全性和減振效果。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

結(jié)合城市軌道交通的應(yīng)用和運(yùn)營(yíng)環(huán)境，在國(guó)鐵雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將優(yōu)化后的新型雙塊式軌枕引入到城市軌道交通地鐵用鋼彈簧浮置板道床內(nèi)，并按時(shí)速80～120 km技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為需求導(dǎo)向，開展該軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)特性，以提高其結(jié)構(gòu)耐久性和經(jīng)濟(jì)性[2-3]。具體設(shè)計(jì)要求如下。

(1)結(jié)合城市軌道交通工程特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足運(yùn)營(yíng)需要。

(2)軌枕設(shè)計(jì)應(yīng)外形美觀，輕量化，具有較好耐久性，經(jīng)濟(jì)合理。

(3)浮置板道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，保持較高精度軌底坡，改善輪軌接觸，具有較好的減振降噪效果，降低波磨發(fā)生的概率或減緩波磨發(fā)生[4-5]。

1.2 設(shè)計(jì)方案

(1)雙塊式軌枕設(shè)計(jì)

在國(guó)鐵雙塊式軌枕的基礎(chǔ)上，確保軌枕強(qiáng)度和整體剛度，適當(dāng)減小軌枕外形尺寸是城市軌道交通采用雙塊式軌枕的設(shè)計(jì)基本思路之一。通過(guò)減小軌枕塊尺寸，可減少整體結(jié)構(gòu)尺寸，施工運(yùn)輸便捷，降低混凝土材料用量，更經(jīng)濟(jì)合理。

針對(duì)城市軌道交通特點(diǎn)，結(jié)合城市軌道交通限界尺寸和扣件類型，相對(duì)于國(guó)鐵雙塊式軌枕，將軌枕塊內(nèi)側(cè)的平臺(tái)給予縮短，軌枕塊長(zhǎng)度由844 mm縮短為720 mm，寬度由314 mm縮減為310 mm，高度由220.5 mm縮減為209 mm；對(duì)軌枕?yè)跫珥敳繉挾冗M(jìn)行了適當(dāng)?shù)目s短設(shè)計(jì)，寬度由175 mm縮減為158 mm。由于軌枕塊長(zhǎng)度由844 mm縮短為720 mm，桁架鋼筋長(zhǎng)度可縮短至2.3m，可相應(yīng)減少道床寬度。

參考城市軌道交通常用軌枕的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，新型雙塊式軌枕桁架鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋。桁架鋼筋高度、兩個(gè)下弦桿的間距保持不變，仍為89 mm和70 mm[6]。雙塊式軌枕的桁架鋼筋強(qiáng)度等級(jí)采用HRB400級(jí)熱軋帶肋鋼筋。單個(gè)軌枕塊在縱向設(shè)置網(wǎng)片筋，網(wǎng)片筋和桁架鋼筋之間設(shè)置5根箍筋將二者連接固定，箍筋末端設(shè)置彎鉤，鉤在桁架鋼筋的上弦桿上，鋼筋網(wǎng)設(shè)計(jì)有利于加強(qiáng)軌枕內(nèi)部鋼筋骨架的整體性，網(wǎng)片筋和箍筋末端均設(shè)有彎鉤，與混凝土的結(jié)合性更強(qiáng)。套管四周的螺旋筋采用φ3 mm低碳冷拔鋼絲，提高螺栓孔抗裂性能。新型雙塊式軌枕尺寸如圖1所示。

圖1 雙塊式軌枕外部尺寸(單位：mm)

(2)鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)

浮置板道床結(jié)構(gòu)是將現(xiàn)澆鋼筋混凝土浮置板通過(guò)隔振器與下部基礎(chǔ)相連，并使浮置板與下部基礎(chǔ)之間保持一定間隙，屬于質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，在城市軌道交通工程中屬于特殊減振等級(jí)的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式。雙塊式點(diǎn)支撐鋼彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)主要包含鋼筋混凝土浮置板(含雙塊式軌枕)、隔振器、混凝土底座以及剪力鉸等。

浮置板長(zhǎng)度采用25 m(含板縫)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，板厚400 mm，寬3 m，浮置板間伸縮縫寬30 mm，采用內(nèi)置式剪力鉸、上置式剪力鉸兩種方式；隔振器橫向布置間距為2 m，縱向按“2-3-2-3”布置時(shí)沿線路縱向的布置間隔為1.19 m和1.785 m；隔振器材質(zhì)按鋼彈簧阻尼隔振器設(shè)置；采用混凝土底座以適應(yīng)不同下部基礎(chǔ)，軌道曲線超高在底座中實(shí)現(xiàn)。雙塊式鋼彈簧浮置板橫斷面尺寸如圖2所示。

圖2 雙塊式鋼彈簧浮置板橫斷面(單位：mm)

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

為保證新型雙塊式點(diǎn)支撐浮置板具有足夠的可靠性和穩(wěn)定性，分別對(duì)雙塊式軌枕和浮置板道床結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型進(jìn)行研究，即對(duì)雙塊式軌枕在起吊、運(yùn)輸、堆放、施工等工況下的可靠性和穩(wěn)定性分析[7]，雙塊式點(diǎn)支撐浮置板系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性分析。

2.1 雙塊式軌枕可靠性和穩(wěn)定性分析

為便于重點(diǎn)分析桁架鋼筋，有限元模型將軌枕簡(jiǎn)化為無(wú)擋肩結(jié)構(gòu)，軌枕塊采用三維實(shí)體單元模擬，桁架鋼筋采用梁?jiǎn)卧M，桁架鋼筋與軌枕之間采用嵌入接觸類型定義二者的相互作用。雙塊式軌枕計(jì)算參數(shù)采用設(shè)計(jì)圖中規(guī)定數(shù)據(jù)，建立的雙塊式軌枕有限元模型如圖3所示。

圖3 雙塊式軌枕分析模型

為驗(yàn)證新型雙塊式軌枕結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性，計(jì)算雙塊式軌枕在起吊、堆載、施工上人荷載和吊裝偏心扭力荷載等4種最不利工況下的受力和變形，4種工況如下所示。

(1)工況1(起吊)：采用吊帶起吊，吊帶固定位置取每個(gè)軌枕塊下桁架腹筋波谷位置，向上起吊距離為0.1 m，并考慮2倍重力加速度。

(2)工況2(堆載)：按照軌枕堆場(chǎng)最大6層的受力及變形情況，自重通過(guò)施加“體荷載”實(shí)現(xiàn)，在桁架鋼筋的支撐點(diǎn)處施加位移約束，支撐點(diǎn)分別位于桁架鋼筋從端部開始第3個(gè)波谷處。

(3)工況3(施工上人)：施工過(guò)程中，施工人員會(huì)踩踏軌枕塊的內(nèi)側(cè)部位，故在軌枕塊內(nèi)側(cè)施加均布荷載以模擬施工上人荷載，荷載值為1 kN，并在軌枕塊承軌面的位置施加位移約束條件，以保證軌枕的穩(wěn)定。

(4)工況4(吊裝偏心扭)：采用吊帶起吊，偏心50 mm，吊帶固定位置取每個(gè)軌枕塊下桁架腹筋波谷位置，經(jīng)計(jì)算，作用在單個(gè)軌枕塊上的扭力為161 N，并考慮2倍重力加速度。

經(jīng)對(duì)4種工況靜力分析，得出如表1所示桁架筋變形和應(yīng)力對(duì)比結(jié)果。

表1 4種工況作用下桁架變形和應(yīng)力對(duì)比

由以上4種工況分析結(jié)果可知，桁架變形和應(yīng)力由小到大對(duì)應(yīng)的不同工況依次為：起吊、吊裝偏心扭、堆載、施工上人。其中，在施工上人荷載作用下，桁架筋中部下?lián)?，豎向變形最大為2.047 mm，相應(yīng)桁架筋下弦桿縱向拉應(yīng)力最大24.30 MPa，在上部踩踏位置的上弦桿筋縱向壓應(yīng)力為91.70 MPa，但遠(yuǎn)小于鋼筋抗壓強(qiáng)度，豎向變形量2.047 mm較小，還在彈性范圍，對(duì)鋼桁架影響較小。除此之外，上弦桿與軌枕塊連接部位也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，但均遠(yuǎn)小于HRB400級(jí)鋼筋的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。因此，該新型雙塊式軌枕結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性滿足4種常見工況作用產(chǎn)生的影響。

2.2 雙塊式點(diǎn)支撐浮置板穩(wěn)定性和安全性分析

為確保車輛的運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性，建立該新型雙塊式點(diǎn)支撐浮置板系統(tǒng)耦合動(dòng)力分析模型，研究檢驗(yàn)該新型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征是否滿足軌道系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性。為簡(jiǎn)化計(jì)算，耦合模型采用梁板模型，雙塊式點(diǎn)支撐浮置板和普通整體道床簡(jiǎn)化為彈性薄板單元[8]，鋼軌簡(jiǎn)化為歐拉梁，扣件、隔振器彈簧及隧道地基均簡(jiǎn)化為彈簧-阻尼結(jié)構(gòu)，浮置板間剪力鉸簡(jiǎn)化為兩板端個(gè)別點(diǎn)的位移、轉(zhuǎn)角耦合[9-10]。根據(jù)工程實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，鋼彈簧浮置板單塊浮置板長(zhǎng)24.97 m，隔振器間距采用1.785 m與1.19 m間距交替布置及間隔1.19 m布置，車輛-浮置板垂向耦合模型共建立5塊浮置板，縱向長(zhǎng)度為125 m。建立的動(dòng)力分析有限元模型如圖4所示。

圖4 雙塊式點(diǎn)支撐浮置板分析模型

實(shí)際應(yīng)用中綜合考慮行車安全性及減振效果，隔振器剛度一般取6～24 kN/mm，剛度越大對(duì)行車安全性更有利，但相應(yīng)的浮置板系統(tǒng)隔振效果就會(huì)帶來(lái)?yè)p失；反之，對(duì)隔振越有利，同時(shí)需要付出犧牲行車安全性的代價(jià)，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)結(jié)合浮置板系統(tǒng)應(yīng)用工況，權(quán)衡利弊取值[11-13]。本模型中根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)浮置板隔振器剛度取6，8，10，12 kN/mm時(shí)分別進(jìn)行有限元分析。不同隔振器剛度下浮置板靜力特性計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2結(jié)果對(duì)比可見，不同隔振器剛度取值對(duì)應(yīng)的固有頻率均能滿足QGD—031—2017《城市軌道交通彈簧浮置板軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，但在隔振器剛度取6～8 kN/mm時(shí)，鋼軌及浮置板位移已超出規(guī)范要求，但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，采用5.5 kN/mm或6.9 kN/mm剛度隔振器，其實(shí)際下沉量并未達(dá)到計(jì)算數(shù)據(jù)。故考慮隔振器彈簧加工特性，隔振器從行車安全性角度建議剛度取值宜≮8 kN/mm，也可通過(guò)調(diào)整隔振器布置使鋼軌和浮置板位移滿足規(guī)范要求。

表2 不同隔振器剛度計(jì)算結(jié)果

浮置板結(jié)構(gòu)在4種不同剛度的隔振器點(diǎn)支撐作用下，板底混凝土最大拉應(yīng)力未超過(guò)2.39 MPa，小于C40混凝土抗拉設(shè)計(jì)值，浮置板強(qiáng)度均符合滿足GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)要求[14]。

3 振動(dòng)特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為評(píng)估雙塊式鋼彈簧浮置板系統(tǒng)在不同時(shí)速運(yùn)行環(huán)境中的行車安全性和減振效果，課題組在國(guó)家鐵道試驗(yàn)環(huán)線鋪設(shè)了一段總長(zhǎng)300 m試驗(yàn)段，含60 m整體道床、100 m雙塊式點(diǎn)支撐浮置板道床、100 m普通浮置板道床以及兩端各20 m過(guò)渡段，如圖5所示。其中，浮置板道床每塊板長(zhǎng)25 m，板厚400 mm，板寬3 000 mm，浮起高度30 mm，采用內(nèi)置式剪力鉸、外置式剪力鉸兩種方式聯(lián)接，共計(jì)8塊板，隔振器布置為2個(gè)扣件間距和3個(gè)扣件間距交替進(jìn)行[15-17]。

圖5 試驗(yàn)段總平面布置(單位：m)

試驗(yàn)列車采用16節(jié)編組動(dòng)車組，CR300AF與CR300BF重聯(lián)各8節(jié)，軸重為17 t，車長(zhǎng)26.125 m，機(jī)車車長(zhǎng)約25 m。試驗(yàn)列車運(yùn)行分別從40 km/h逐級(jí)提速至120 km/h通過(guò)試驗(yàn)段，測(cè)試道床結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性[18-19]。為進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，分別選取整體道床和浮置板斷面布置測(cè)點(diǎn)，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 雙塊式點(diǎn)支撐浮置板測(cè)點(diǎn)布置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析3.2.1 行車安全性指標(biāo)

行車安全性指標(biāo)包括脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軌橫向力，依據(jù)GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行評(píng)判，評(píng)判限值見表3。

表3 安全性指標(biāo)及限值

表3中，第1限度為車輛運(yùn)行安全的合格標(biāo)準(zhǔn)，第2限度為增大了安全裕度的標(biāo)準(zhǔn)；Q為車輪作用在鋼軌上的橫向力；P為車輪作用在鋼軌上的垂直力；ΔP為輪重減載量；P為減載和增載側(cè)車輪的平均輪重；Pst為車輪靜荷載。

GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定脫軌系數(shù)不超過(guò)0.8。GB/T 14894—2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定脫軌系數(shù)≤0.8，輪重減載率≤0.6。

表4 各測(cè)點(diǎn)安全性指標(biāo)結(jié)果

由表4測(cè)試結(jié)果可知，雙塊式浮置板道床脫軌系數(shù)小于普通道床，脫軌系數(shù)最大0.52，輪重減載率最大0.28，滿足相關(guān)技術(shù)條件要求，表明該新型雙塊式點(diǎn)支撐浮置板軌道具有較好的行車安全性。

3.2.2 減振性能

為分析對(duì)比同一輛列車通過(guò)不同軌道結(jié)構(gòu)形式時(shí)，各振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性能，現(xiàn)分別對(duì)整體道床、浮置板1(與整體道床相鄰端)、浮置板4等區(qū)域的基底垂向及橫向加速度的1/3倍頻程分別進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 基底垂向加速度1/3倍頻程結(jié)果對(duì)比

圖8 基底橫向加速度1/3倍頻程結(jié)果對(duì)比

從圖7可以看出，整體道床和浮置板1(與整體道床相鄰端)的1/3倍頻程譜在各頻帶基本吻合，整體道床為非減振道床，剛度大，過(guò)渡斷面距離整體道床過(guò)近，導(dǎo)致振動(dòng)大部分從整體道床傳過(guò)；浮置板4的基底垂向加速度在各頻帶內(nèi)幾乎均處于最小值，說(shuō)明所鋪設(shè)鋼彈簧浮置板減振效果明顯。

從圖8可以看出，浮置板4的基底橫向加速度相較于其他斷面，在10 Hz以上頻帶有明顯降低，說(shuō)明鋼彈簧浮置板對(duì)10 Hz以上的基底橫向加速度有較為明顯的減振效果。

為評(píng)價(jià)該試驗(yàn)段鋼彈簧浮置板軌道的減振效果，采用位于浮置板中部的浮置板4和整體道床的基底垂向加速度響應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)[20-21]，評(píng)價(jià)過(guò)程中分別采用VLzmax和ΔLa作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示，采用8組有效測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表5 浮置板減振效果評(píng)價(jià)結(jié)果

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，在時(shí)速80～120 km范圍內(nèi)，車速越低，其減振效果均低于14 dB，且速度越低減振效果越差。速度低時(shí)軌道整體振動(dòng)較小，相應(yīng)的插入損失也較小，即減振效果越差。實(shí)測(cè)雙塊式點(diǎn)支撐鋼彈簧浮置板試驗(yàn)段的減振效果良好。

4 結(jié)論

通過(guò)將雙塊式無(wú)砟軌道技術(shù)引入鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)中，可同時(shí)兼收雙塊式無(wú)砟軌道高精度和鋼彈簧浮置板高減振性優(yōu)點(diǎn)，形成了新型雙塊式點(diǎn)支撐浮置板道床結(jié)構(gòu)，有效解決了既有鋼彈簧浮置板存在的軌道精度低及施工復(fù)雜等問(wèn)題，并通過(guò)建立數(shù)值模型、上道鋪設(shè)試驗(yàn)段和動(dòng)力性能測(cè)試等研究，得到如下結(jié)論。

(1)新型雙塊式軌枕的大弧度四角，可有效降低與其接觸的現(xiàn)澆道床八字形裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，提高道床結(jié)構(gòu)耐久性，且軌枕結(jié)構(gòu)尺寸小，降低鋼筋及混凝土材料用量，經(jīng)濟(jì)合理。

(2)新型雙塊式軌枕在起吊、堆載、施工上人荷載和吊裝偏心扭力荷載4種最不利工況下的應(yīng)力和變形遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)安全值，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。

(3)雙塊式點(diǎn)支撐浮置板道床結(jié)構(gòu)可保持較高精度軌底坡，整個(gè)施工過(guò)程中保持良好的軌道幾何形位，提高線路平順性，改善了輪軌接觸，具有較好的減振降噪效果，降低波磨發(fā)生的概率或減緩波磨發(fā)生。

(4)雙塊式點(diǎn)支撐浮置板結(jié)構(gòu)在時(shí)速80～120 km范圍內(nèi)，脫軌系數(shù)最大為0.52，輪重減載率最大為0.28，均小于規(guī)定限值，并且有一定余量，具有較好的行車安全性。

(5)在80～120 km時(shí)速范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)雙塊式點(diǎn)支撐鋼彈簧浮置板試驗(yàn)段的減振效果均達(dá)到14 dB以上，具有優(yōu)良的減振效果。