橋上新型板式軌道減振特性研究

周 毅，楊榮山

(1．成都西南鐵路物資有限公司，四川 成都 610051;2．西南交通大學，四川 成都 610031)

我國高速鐵路建設中，大多采用無砟軌道結(jié)構(gòu);因此，開展對無砟軌道減振性能的研究具有重要現(xiàn)實意義。本文從動力學的角度，應用有限元分析方法，對橋上鋪設我國自主研發(fā)的某新型減振板式軌道的減振特性進行了分析。

1 新型板式軌道結(jié)構(gòu)組成

具有減振功能的新型板式軌道結(jié)構(gòu)從上至下由鋼軌、扣件、承軌臺、軌道板、自密實混凝土、減振墊層、鋼筋混凝土底座構(gòu)成，如圖1所示。該減振板式無砟軌道為了限制軌道板的縱向和橫向移動，在底座上設置兩個凹槽，通過灌注自密實混凝土，將底座板和軌道板連接起來，從而達到限制軌道板縱向和橫向移動的目的。在灌注自密實混凝土之前，在底座板表面端部和中部分別鋪設高剛度和低剛度彈性減振墊層，如圖2所示。

圖1 某新型減振板式軌道結(jié)構(gòu)

2 橋上減振型板式軌道動力分析模型

為分析橋上新型板式軌道的減振性能，本文建立了列車—軌道—橋梁耦合動力學模型，模型由車輛模型、新型板式軌道模型和橋梁模型組成，計算中，橋梁考慮為5跨32 m簡支梁，為消除邊界效應，選取第三跨梁為研究對象，橋上新型減振板式軌道力學模型如圖3所示。

圖2 減振層鋪設示意

圖3 列車—板式無砟軌道—橋梁耦合動力學分析模型

2.1 車輛模型

車輛系統(tǒng)主要由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對和一系、二系懸掛組成。對車輛進行模擬時，為簡化計算，將車輛的這些基本部件近似處理為剛體，各基本部件之間通過彈性或剛性約束來限制車輛結(jié)構(gòu)中各部件間的相對運動(即考慮整個車輛系統(tǒng)的速度是一致的)?；谶@種思想，本文在建立車輛垂向動力學分析模型時，作如下假設［1-2］:

1)將車體、轉(zhuǎn)向架和輪對考慮為剛體，不考慮它們的彈性變形;

2)車輛系統(tǒng)沿線路縱向作勻速運動;

3)一系和二系懸掛阻尼均按黏性阻尼計算;

4)一系彈簧、二系彈簧及輪軌接觸的赫茲彈簧剛度均考慮為線性的;

5)車輛系統(tǒng)中的各部件只考慮在基本平衡位置作小位移的振動;

6)車體關于質(zhì)心完全對稱。

基于以上假設，車體、構(gòu)架及輪對只考慮垂向上的振動。對于半車模型，車體、構(gòu)架各有2個自由度，分別是浮沉和點頭，輪子只有沉浮位移，整個車輛系統(tǒng)一共10個自由度。

2.2 軌道模型

模型中只研究軌道結(jié)構(gòu)的垂向振動，不考慮軌道結(jié)構(gòu)的橫向振動。

1)鋼軌

在軌道模型中將鋼軌考慮為彈性體，采用歐拉梁模型。實際上鋼軌在垂向的支承并不是連續(xù)的，為了更真實地反應鋼軌的支承特性，模型中的鋼軌支承考慮為離散點支承(即只在扣件處設置鋼軌支承點)。

2)軌道板、自密實混凝土和底座板

在實際軌道結(jié)構(gòu)中，軌道板通過門型鋼筋與下部的自密實混凝土緊密聯(lián)系在一起，在建模時將軌道板和自密實混凝土考慮為一層。由于采用半車模型，軌道板和底座板均可視為短梁結(jié)構(gòu)。

3)支承系統(tǒng)

扣件、減振層等支承系統(tǒng)均考慮為彈簧—阻尼系統(tǒng)。

2.3 橋梁模型

將橋梁考慮為彈性體，采用歐拉梁模型，只考慮垂向振動。

2.4 輪軌接觸模型

輪軌之間的接觸作為連接車輛系統(tǒng)和軌道結(jié)構(gòu)的紐帶，參考國內(nèi)外的動力學研究資料［3-4］，輪軌接觸可簡化為赫茲接觸，其理論計算公式為

式中:G為輪軌接觸常數(shù)，m/N2/3;δZ(t)為輪軌間的彈性壓縮量，m。

輪軌間的彈性壓縮量由輪軌接觸點處車輪和鋼軌的相對位移直接確定

式中:Zwj(t)為第j位車輪在t時刻的位移，m;Zr(xrj，t)為第j位車輪下鋼軌在t時刻的位移，m。

3 計算參數(shù)

車輛采用我國自主研發(fā)某新型車輛，車輛的具體參數(shù)如表1所示。

表1 車輛基本參數(shù)取值

無砟軌道和橋梁參數(shù)如表2所示，橋梁截面參數(shù)按照某新線簡支梁橋選取。

表2 無砟軌道基本參數(shù)

線路不平順采用德國高速低干擾譜模擬，列車速度考慮為200 km/h。

4 減振效果分析

為分析減振型板式軌道的減振效果［5］，對比分析了橋上鋪設普通板式軌道和減振型板式軌道的動力學響應，選取第三跨橋梁跨中作為研究對象。板式軌道減振前后鋼軌、軌道板、底座板和橋梁的垂向加速度的時程曲線如圖4—圖7所示。

由圖4—圖7可知，橋上鋪設減振層后鋼軌和軌道板的振動加速度略大于未鋪設減振層時的情況，而底座板和橋梁的振動加速度有明顯的減小。減振前后軌道結(jié)構(gòu)和橋梁的最大振動加速度統(tǒng)計于表3中。

由表3可知，軌道結(jié)構(gòu)鋪設減振層后，軌道上部結(jié)構(gòu)的振動有微小的增加(鋼軌振動加速度增加了2.2%，軌道板的振動加速度增加了11.2%)，而軌道下部結(jié)構(gòu)和橋梁的振動有較明顯的降低(底座板的振動加速度降低了34.2%，橋梁的振動加速度降低了52.9%)。

圖4 跨中處鋼軌有無減振層垂向加速度對比

圖5 跨中處軌道板有無減振層垂向加速度對比

圖6 跨中處底座板有無減振層垂向加速度對比

圖7 橋梁跨中有無減振層垂向加速度對比

表3 軌道結(jié)構(gòu)和橋梁的振動加速度對比 m/s2

5 結(jié)論

1)在軌道結(jié)構(gòu)上鋪設減振層后，對軌道上部結(jié)構(gòu)的支承剛度降低，增加了軌道上部結(jié)構(gòu)的振動，但可降低軌道下部結(jié)構(gòu)和橋梁的振動?？梢姕p振板式軌道的減振機理在于隔振，以減振層為界，減振層以上結(jié)構(gòu)的振動會增加，但減振層以下的結(jié)構(gòu)振動明顯減弱。

2)減振層的剛度不宜過小，過小會增加軌道上部結(jié)構(gòu)的振動和變形，對軌道結(jié)構(gòu)的受力及安全行車不利;因此若要大幅度降低下部結(jié)構(gòu)的振動，應從其自身采取減振措施。

［1］翟婉明．車輛—軌道耦合動力學［M］．3版．北京:科學出版社，2007．

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