鋼彈簧浮置板中低頻振動(dòng)特性分析

石 蕊，張曉蕓，石廣田，張小安，和振興

(蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070)

為了抑制地鐵列車運(yùn)營時(shí)對(duì)周邊環(huán)境帶來的振動(dòng)影響，在城市軌道交通中特殊敏感路段采用了減振軌道。浮置板軌道具有良好的減振性能，其中鋼彈簧浮置板已被證實(shí)減振效果最好。雖然鋼彈簧浮置板軌道具有良好的隔振性能，但其自身的振動(dòng)問題有待進(jìn)一步的研究。

浮置板軌道可以有效地降低城市軌道交通引起的振動(dòng)問題，很多學(xué)者對(duì)浮置板軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及減振特性進(jìn)行了大量研究[1-8]。通過大量的對(duì)比研究，現(xiàn)已表明鋼彈簧浮置板減振軌道具有隔振頻率低和范圍大等特點(diǎn)，具有明顯的減振效果，目前是減振效果最好的軌道結(jié)構(gòu)[8]?，F(xiàn)已在醫(yī)院、博物館等特殊地帶被廣泛應(yīng)用。除了對(duì)其隔振性能進(jìn)行研究外，很多學(xué)者通過理論和試驗(yàn)研究對(duì)鋼彈簧浮置板軌道的不同影響參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)性能等進(jìn)行了研究。翟婉明等基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，系統(tǒng)研究了鋼彈簧浮置板軌道在時(shí)域和頻域內(nèi)車速、浮置板長度、厚度以及鋼彈簧的分布等因素對(duì)鋼彈簧支點(diǎn)力的影響[9]。李增光等建立了符合軌道動(dòng)態(tài)特性的力學(xué)模型，采用動(dòng)柔度方法分析了浮置板的隔振性能及其影響因素[7]。劉維寧等對(duì)鋼彈簧浮置板的低頻特征進(jìn)行了現(xiàn)場測試，研究了鋼彈簧浮置板的軌道彈簧剛度、支承間距的變化對(duì)低頻振動(dòng)的影響[10]。丁德云等進(jìn)行了鋼彈簧浮置板的道床板長度、道床板厚度、彈簧剛度、支承間距和扣件剛度對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究[11]。余關(guān)仁等通過建立鋼彈簧浮置板軌道三維有限元模型，對(duì)扣件和鋼彈簧隔振器失效對(duì)整體系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響進(jìn)行了研究[12]。金浩等對(duì)液壓彈簧阻尼器的布置形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)已有和新設(shè)計(jì)的兩種布置方式的隔振性能進(jìn)行了對(duì)比研究[13]。

有關(guān)鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)目前大部分的研究主要針對(duì)的是地鐵隧道內(nèi)鋼彈簧浮置板的隔振性能以及動(dòng)態(tài)性能方面的研究，但對(duì)高架線路上的研究相對(duì)較少。石廣田等對(duì)高架線路的振動(dòng)噪聲進(jìn)行了很多的研究工作，并利用格林函數(shù)法建立了車輛-鋼彈簧浮置板-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)整體系統(tǒng)中高頻段的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及影響參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的研究[14-16]。江阿蘭等為了探究鋼彈簧浮置板在高速鐵路上的振動(dòng)特性，利用ANSYS軟件建立了耦合動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了隔振性能分析，并與普通板式無砟軌道進(jìn)行了對(duì)比，研究表明鋼彈簧浮置板軌道具有良好的隔振效果[17]。馮讀貝等基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論與有限元法，對(duì)高架簡支箱梁上的非減振軌道，鋼彈簧浮置板軌道以及被動(dòng)式動(dòng)力減振浮置板軌道下的低頻振動(dòng)特性，指出在15 Hz～30 Hz內(nèi)鋼彈簧浮置板軌道是通過增大自身振動(dòng)得以降低橋梁的振動(dòng)[18]。劉小強(qiáng)對(duì)32 m簡支箱梁上鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的垂向振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行了研究，同樣得出與整體無砟軌道相比，在低頻段浮置板軌道雖然能降低橋梁的振動(dòng)，但自身的反而增大[19]。

綜上所述，首先針對(duì)軌道交通高架線路上鋼彈簧浮置板減振軌道的研究較之其他線路的研究較少；其次高架線路上由于橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)向外輻射結(jié)構(gòu)噪聲，增強(qiáng)了這一線路的整體噪聲水平，其中鋼彈簧浮置板可以減少由軌道傳遞至高架橋梁的振動(dòng)能量，進(jìn)而降低高架線路的振動(dòng)和二次噪聲水平[20]；最后相關(guān)研究指出，在高架線路中鋼彈簧浮置板在降低橋梁結(jié)構(gòu)的同時(shí)反而增大了自身的振動(dòng)水平。因此有必要對(duì)高架線路上的鋼彈簧浮置板的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，本文利用ANSYS軟件建立鋼彈簧浮置板軌道-橋梁有限元模型；并基于車輛-軌道-橋梁相互作用理論，以美國六級(jí)譜激勵(lì)下的輪軌力作為輸入，對(duì)具有良好減振效果的鋼彈簧浮置板軌道在外激勵(lì)作用下的中低頻振動(dòng)特性進(jìn)行了分析；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了鋼彈簧剛度對(duì)浮置板振動(dòng)特性的影響。

1 基于ANSYS的鋼彈簧浮置板軌道動(dòng)力學(xué)分析

1.1 鋼彈簧浮置板-橋梁有限元模型

利用ANSYS軟件鋼彈簧浮置板減振軌道-箱梁橋耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析長浮置板軌道結(jié)構(gòu)，其中橋梁長度為25.2 m。在有限元模型中，鋼軌采用Beam188單元；扣件和鋼彈簧以Combin14單元進(jìn)行模擬；浮置板及橋上底座利用Soild45實(shí)體單元；箱梁橋則考慮為Shell63單元。有限元模型中動(dòng)力學(xué)參數(shù)可參見表1。鋼彈簧浮置板軌道-箱梁橋有限元模型如圖1所示。

圖1 鋼彈簧浮置板軌道-箱梁橋有限元模型

利用美國六級(jí)譜激勵(lì)作為系統(tǒng)的輸入，當(dāng)?shù)罔FA型車以時(shí)速80 km/h的速度通過時(shí)，僅考慮輪軌間的豎向接觸，基于ANSYS軟件中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，采用Newmark-β數(shù)值積分方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行求解。對(duì)減振效果最好的鋼彈簧浮置板減振軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。車輛-軌道-橋梁相互作用如圖2所示。

表1 鋼彈簧浮置板軌道模型動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

1.2 鋼彈簧浮置板振動(dòng)特性分析

鋼彈簧浮置板軌道的主要部件為鋼軌和浮置板，為了探究鋼彈簧浮置板軌道的振動(dòng)特性，首先主要選取鋼軌和浮置板中心點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線和頻譜特性進(jìn)行分析；其次利用浮置板加速度云圖對(duì)浮置板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性做進(jìn)一步分析。

圖2 車輛-軌道-橋梁動(dòng)力相互作用示意圖

圖3 鋼軌中心點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)

圖4 浮置板中心點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)

由圖3和圖4可知，鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌在中低頻段的振動(dòng)主要集中在200 Hz～250 Hz以及425 Hz～475 Hz；最大值達(dá)到了14.8 m/s2。浮置板的振動(dòng)主要在150 Hz以下最為密集；210 Hz～235 Hz的振動(dòng)同樣最為劇烈，在229.4 Hz達(dá)到最大值2.3 m/s2，并且在425 Hz～475 Hz同樣有較小浮動(dòng)的振動(dòng)。

通過對(duì)浮置板的振動(dòng)加速度云圖進(jìn)行分析可知，鋼彈簧浮置板軌道的浮置板結(jié)構(gòu)振動(dòng)首先主要以縱向上的彎曲振動(dòng)為主；其次存在局部的振動(dòng)特性，并且局部的振動(dòng)特性并不是均勻的分布。參見圖5(a)和圖5(b)。

如圖5(c)、圖5(d)所示，在主振頻段，縱向上的彎曲振動(dòng)也并不是以規(guī)則的同幅值正弦形式振動(dòng)，而是在縱向上彎曲振動(dòng)波的幅值逐漸增大或減小，同樣也伴隨著局部的振動(dòng)特性。

圖5 浮置板振動(dòng)加速度云圖1（單位：m/s2）

由圖4浮置板的頻譜特性曲線可知，浮置板結(jié)構(gòu)在425 Hz～475 Hz同樣有較小浮動(dòng)的振動(dòng)。此頻段主要存在兩種振動(dòng)形式，即均存在兩列縱向彎曲波，主要振動(dòng)分別為整體和兩端局部振動(dòng)。兩種情況在緊鄰頻率交替形成。如圖6所示。

圖6 浮置板振動(dòng)加速度云圖2（單位：m/s2）

2 鋼彈簧剛度對(duì)浮置板振動(dòng)特性的影響

圖7 鋼彈簧剛度對(duì)鋼軌中心點(diǎn)振動(dòng)加速度的影響

由圖7和圖8可知，鋼彈簧剛度對(duì)鋼軌振動(dòng)幅值影響很小，但對(duì)50 Hz以下的振動(dòng)頻率分布的影響較大。對(duì)于浮置板的頻率分布影響則主要集中在100 Hz以下，在此頻段內(nèi)，浮置板的振動(dòng)頻率分布隨著鋼彈簧剛度的增大而升高。

圖8 鋼彈簧剛度對(duì)浮置板中心點(diǎn)振動(dòng)加速度的影響

圖9給出了3種剛度不同的鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)在不同頻率時(shí)振動(dòng)分布特性的影響。

圖9 鋼彈簧不同剛度對(duì)浮置板振動(dòng)的影響（單位：m/s2）

由圖9可知，鋼彈簧剛度對(duì)浮置板結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)形式影響較大，由12.8 Hz及27.6 Hz時(shí)的振動(dòng)加速度云圖可知，鋼彈簧剛度在頻率較低時(shí)對(duì)浮置板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值有一定的影響，對(duì)局部振動(dòng)的分布影響較大。隨著頻率的增大，對(duì)浮置板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)大小以及局部振動(dòng)分布影響減小，僅影響浮置板結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)形式。

3 結(jié)語

（1）建立鋼彈簧浮置板減振軌道-箱梁橋三維有限元模型，才能很好地體現(xiàn)軌道交通線路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體和局部振動(dòng)特性；其中利用所建立的鋼彈簧浮置板軌道有限元模型，能夠很好地進(jìn)行浮置板軌道結(jié)構(gòu)整體和局部振動(dòng)特性的研究。

（2）鋼彈簧浮置板軌道在中低頻段的振動(dòng)明顯，其中鋼軌的主振頻率集中在200 Hz～250 Hz以及425 Hz～475 Hz；浮置板結(jié)構(gòu)的主振頻段與鋼軌一致，其中浮置板在150 Hz以下的低頻段振動(dòng)密集，與425 Hz～475 Hz頻段的振動(dòng)幅值相近。

（3）浮置板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性以縱向上的彎曲振動(dòng)為主，同時(shí)存在局部的振動(dòng)特性，并且局部的振動(dòng)特性并不是均勻的分布。

（4）浮置板在主振頻段不以規(guī)則的同幅值正弦形式進(jìn)行彎曲振動(dòng)，其幅值呈逐漸遞增或遞減。

（5）鋼彈簧剛度對(duì)鋼軌50 Hz以下的振動(dòng)頻率分布有一定的影響；主要影響浮置板結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)形式，在頻率較低時(shí)對(duì)振動(dòng)幅值及局部振動(dòng)形式也有較大的影響。