摘 要：鋼彈簧浮置板軌道是城市軌道交通中常用的振動控制措施之一，具有良好的減振性能。針對時速120km/h、大軸重的市域快線工況，本文提出了一種在單塊預(yù)制浮置板中設(shè)置內(nèi)置式隔振器與端部共享隔振器的組合布置方案，并采用數(shù)值模擬方法對該方案下車輛運行的安全性、平穩(wěn)性以及軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和減振效果等動力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評估，結(jié)果表明，本文所提出方案能夠滿足設(shè)計要求。此外，本文簡述了新型隔振器組合布置方案的施工步驟及設(shè)計施工要點，對類似軌道工程項目具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：地鐵軌道；鋼彈簧預(yù)制浮置板；有限元模型

中圖分類號：U 23" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市交通壓力增加，特別是對人口密集且交通需求旺盛的大城市來說，發(fā)展快速、高效、環(huán)保的公共交通系統(tǒng)顯得尤為重要。市域快線作為連接城市中心與郊區(qū)、衛(wèi)星城的重要交通方式，其快速性和舒適性直接影響城市交通的效率和居民出行體驗。市域軌道交通系統(tǒng)為居民生活提供了極大便利，但同時也衍生出很多問題，例如列車運營產(chǎn)生的振動噪聲愈加嚴(yán)重，非常需要一種高效減振措施來解決[1]。目前國內(nèi)浮置板軌道系統(tǒng)在時速100km及以下的運用已較為成熟，但傳統(tǒng)的鋼彈簧浮置板在市域快線中應(yīng)用較少，且大多以現(xiàn)澆工法為主。

本文提出了一種適用于時速120km/h市域快線的新型裝配式鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)方案。通過建立ABAQUS列車-軌道-隧道-土體整體分析模型，研究該新型鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)方案下車輛的安全性、平穩(wěn)性、浮置板軌道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、減振效果等動力學(xué)指標(biāo)，對該新型浮置板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的動力學(xué)響應(yīng)及應(yīng)用效果進(jìn)行量化評價。此外，本文還提出了新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道的施工步驟及設(shè)計施工過程中的要點問題，以期為城市快速軌道交通線路鋼彈簧浮置板軌道的設(shè)計與施工提供依據(jù)。

1 鋼彈簧浮置板方案設(shè)計

1.1 設(shè)計理論基礎(chǔ)

軌道交通中的車輛與軌道是密不可分、相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，而輪軌間的接觸是連接車輛與軌道系統(tǒng)的界面，輪軌系統(tǒng)通過輪軌相互作用形成了一個整體，其相互作用關(guān)系如圖1所示。

當(dāng)設(shè)計地鐵軌道鋼彈簧浮置板隔振器方案時，需要利用數(shù)值模擬等方法評估該設(shè)計方案下車輛與軌道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)效果，保證設(shè)計方案能夠達(dá)到所預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

1.2 設(shè)計參數(shù)

設(shè)計軸重：A型車，軸重17t。最高運營速度：120km/h。軌道結(jié)構(gòu)高度：盾構(gòu)隧道940mm。

采用1435mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，全線設(shè)雙線。采用60kg/m鋼軌，鋪設(shè)無縫線路。

扣件：WJ-14型，扣件高度最小為35mm，軌底坡1∶40在預(yù)制板承軌臺實現(xiàn)，扣件間距600mm。

2 新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道設(shè)計

為了適應(yīng)本條線路的運營條件，在以往地鐵應(yīng)用設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加了鋼彈簧預(yù)制板隔振器的剛度，優(yōu)化了隔振器布置方式。浮置板板寬為2600mm，板厚為340mm，板長為4.765m。中間采用4組內(nèi)置式隔振器，豎向剛度值為7.5kN/mm。板端采用4組共享隔振器，豎向剛度值為27.26kN/mm。預(yù)制板之間采用2組上置式剪力鉸連接。布置方案如圖2、圖3所示。

3 鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道系統(tǒng)仿真分析

3.1 車輛-軌道-隧道耦合動力學(xué)分析模型與參數(shù)

3.1.1 車輛模型

車輛模型可視為多自由度振動系統(tǒng)，其由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對及彈簧-阻尼器懸掛系統(tǒng)裝置組成。根據(jù)A型車情況，設(shè)計軸重為17t，在ABAQUS部件模塊中按規(guī)定尺寸分別建立車體、轉(zhuǎn)向架和輪對，通過標(biāo)志點、笛卡爾梁、MPC梁對各部件進(jìn)行裝配，并設(shè)置各部件的質(zhì)量、慣量等參數(shù)，即可建立車輛模型。建立的車輛模型如圖4所示。

3.1.2 鋼彈簧浮置板軌道模型

鋼彈簧浮置板軌道是在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，利用鋼彈簧對鋼筋混凝土道床進(jìn)行支撐，并通過扣件將鋼軌部件與道床板進(jìn)行固定。

當(dāng)建模時，考慮鋼筋作用對浮置板材料密度及強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，浮置板材料為C50混凝土。鋼軌60kg/m采用8節(jié)點實體縮減積分單元（C3D8R）模擬。在模型中，鋼軌支承采用離散方式，考慮軌枕的作用，在與軌枕相連的扣件處，采用4個連接點與鋼軌相連，鋼軌的縱向網(wǎng)格尺寸取0.05m。鋼軌通過扣件與道床板連接，為簡化模型，不考慮扣件的非線性，只考慮扣件的線彈性，將鋼軌與道床板間的連接視為彈簧-阻尼連接，通過設(shè)置彈簧阻尼單元并在豎向、橫向、縱向方向上分別設(shè)置其剛度值和阻尼值，對鋼軌與道床板間連接關(guān)系進(jìn)行模擬。此外，道床板模擬采用實體單元，并約束其端部旋轉(zhuǎn)。采用豎向、橫向、縱向剛度值及阻尼值的彈簧-阻尼單元進(jìn)行模擬，可有效模擬隔振器的連接及限位作用。

3.1.3 隧道模型

在隧道與土體模型中，為消除邊界條件影響，建模時選取了150m×100m×60m的大土體結(jié)構(gòu)，隧道斷面為圓形，如圖5所示?；住⒐芷屯馏w均采用實體單元模擬，土體采用巖土工程中應(yīng)用十分廣泛的Mohr-Coulomb模型，管片和基底采用線彈性模型。本文假設(shè)土體與管片之間、管片與基底之間接觸良好，不考慮結(jié)構(gòu)間相對位移。

3.2 列車運行安全性分析

列車與軌道間的輪軌垂向、橫向作用力、輪重減載率、脫軌系數(shù)是評價車輛運行安全性的重要指標(biāo)。

本次分析基于120km/h運營速度線路進(jìn)行運行安全性分析。可以通過輪軌垂向及橫向力這兩個指標(biāo)評估列車運行安全性，基于仿真模型計算，其結(jié)果如圖6、圖7所示。根據(jù)圖6及圖7可知，新型浮置板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案下計算的最大輪軌垂向力為99.40kN，最大橫向力為16.12kN。本文中的列車型號為A型車，軸重為17t，因此輪軌橫向力限值取68kN（一般采用軸重的0.4倍），說明輪軌橫向力小于限值，滿足規(guī)范要求。

輪重減載率和脫軌系數(shù)亦可用于評估列車運行安全性。輪重減載率是評價運行列車因單側(cè)車輪減載而產(chǎn)生的脫軌風(fēng)險的安全性指標(biāo)。脫軌系數(shù)為輪軌橫向力和垂向力之比，數(shù)值越大表明列車脫軌風(fēng)險越大。脫軌系數(shù)時程曲線如圖8所示，輪重減載率時程曲線如圖9所示，計算最大脫軌系數(shù)和輪軌減載率分別為0.212和0.418，均滿足《機(jī)車車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》（GB/T 5599—2019）[2]中的限值要求，車輛運行安全性可以得到保障。

3.3 列車運行平穩(wěn)性分析

車輛的運行平穩(wěn)性是評估其動力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，其中，Sperling指標(biāo)可以有效評估列車本身的運行舒適度，是國內(nèi)常用的平穩(wěn)性評估方法[3]?；诮⒌臄?shù)值仿真模型，計算列車行車速度120km/h條件下的車體垂向加速度及車體橫向加速度時程曲線，如圖10、圖11所示，其中，車體垂向加速度和橫向加速度峰值分別為0.282m/s2和0.140m/s2。計算的垂向和橫向Sperling指標(biāo)W分別為1.717和1.461，小于相關(guān)規(guī)范[2]中的限值（平穩(wěn)性Ⅰ級，W≤2.5），說明列車行車平穩(wěn)性指標(biāo)評價為優(yōu)，可滿足乘客的舒適性需求。

3.4 軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

軌道的動力響應(yīng)選用鋼軌垂向位移和浮置板垂向位移作為評價指標(biāo)[4]?；趫D12及圖13的鋼軌位移和浮置板位移時程曲線可知，本文工況下計算的對應(yīng)鋼軌最大豎向位移為3.49mm，浮置板最大豎向位移為2.67mm，各指標(biāo)均滿足《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T191—2012）[5]中的限制要求，說明在120km/h的市域快線列車作用下，本文所述的新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性。

3.5 減振效果分析

選取隧道壁處作為計算點，以該處振動加速度來計算浮置板軌道系統(tǒng)的垂向振動指標(biāo)?；诒疚墓r及所建立的仿真計算模型，可以得到圖14所示的普通道床和鋼彈簧浮置板的隧道壁1/3倍頻程振級曲線。

根據(jù)圖14可知，在12Hz附近（與系統(tǒng)固有頻率接近），浮置板軌道與普通道床的總振級十分接近，說明當(dāng)外界激勵頻率與鋼彈簧浮置板系統(tǒng)固有頻率趨于一致時，鋼彈簧浮置板并不能起到較好的減振效果。當(dāng)頻率較高時，浮置板軌道與普通道床的總振級相差較大，減振效果較好。

分別對鋼彈簧浮置板道床與普通道床的各頻率段振級進(jìn)行計權(quán)計算，可得出普通道床與鋼彈簧浮置板道床的總振級分別為80.55dB和65.32dB，從而可計算出鋼彈簧浮置板的減振效果為兩者差值15.23dB。

綜上可知，在新型鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)的固有頻率處，系統(tǒng)的減振效果較為一般，且軌道系統(tǒng)在高、低頻段的減振效果有明顯差異，表現(xiàn)為高頻段減振能達(dá)到更好的效果。通過計權(quán)計算得到的浮置板系統(tǒng)整體減振效果可以達(dá)到15dB以上，符合預(yù)期設(shè)計目標(biāo)要求（≥15dB）。

4 新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道施工

本工程軌道的作業(yè)施工具有施工周期緊、精確度和作業(yè)質(zhì)量要求高、不同工種同時施工、高環(huán)保性等特點。為了能夠高效完成新型方案的工程，并達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，施工步驟如圖15所示。

5 設(shè)計與施工中應(yīng)重視的問題

軌道工程涉及多工種、多專業(yè)且存在接口和施工干擾大等問題?；诟鲗I(yè)方向的設(shè)計進(jìn)度不完全一致，且設(shè)計存在變更、疏漏等客觀情況，因此需要在設(shè)計、施工過程中，對全過程進(jìn)行管控。

當(dāng)施工時，各類專業(yè)管線如信號、電力通信、給排水等須預(yù)埋于道床中，其預(yù)埋點位、尺寸、數(shù)量等需要各相關(guān)專業(yè)在施工開始前確定。

在設(shè)計開始前，結(jié)構(gòu)專業(yè)須考慮軌道結(jié)構(gòu)高度差異，在軌道結(jié)構(gòu)竣工后，應(yīng)基于實測數(shù)據(jù)，對調(diào)線調(diào)坡進(jìn)行設(shè)計，使其符合軌道結(jié)構(gòu)高度。

在浮置板地段，施工時要嚴(yán)格控制基底的高程，將施工誤差控制為0～-5mm。一般位置平整度要求±2mm/㎡。尤其注意曲線段基底為斜線，中心水溝模板處由于混凝土自流性，因此外側(cè)容易高，內(nèi)側(cè)容易低。在澆筑完成后按規(guī)范要求進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

在頂升過程中，所有工具、配件必須妥善放置，嚴(yán)禁雜物掉入浮置板周邊縫隙，若發(fā)現(xiàn)則須及時清出。如果與浮置板道床相接的整體道床在浮置道床頂升后進(jìn)行施工，就不能讓澆筑的混凝土進(jìn)入浮置板道床頂升后形成的間隙內(nèi)。

6 結(jié)語

本文提出的時速120km/h市域快線新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道設(shè)計方案合理可行，計算分析結(jié)果滿足車輛運行的安全性和平穩(wěn)性、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，理論計算的總振級插入損失即減振效果達(dá)到15dB以上，符合設(shè)計要求。

本文簡述新型鋼彈簧預(yù)制浮置板軌道的施工過程，并針對軌道工程設(shè)計、施工涉及專業(yè)面廣、設(shè)計施工對接不同步等特點，對設(shè)計與施工過程中的重難點問題進(jìn)行總結(jié)歸納，為類似工程項目提供了借鑒。

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