地鐵曲線地段鋼彈簧浮置板軌道橫向位移特性研究

劉錦輝，師多佳，劉文武

（1.深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518038；2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；3.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；4.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

隨著城市化的快速發(fā)展，城市人口急劇增多，城市交通擁堵現(xiàn)象日益嚴重，軌道交通的快捷、舒適、 安全以及運量大等特點很好地解決了這一問題，但隨著城市軌道交通線路的增多，線路服役時間的增長， 軌道交通帶來的振動和噪聲問題影響著沿線的居民[1-3]。 按照位置減振方式可以分為鋼軌振動控制、軌下減振、枕下減振和道床下減振，道床下減振原理是在上部軌道結(jié)構(gòu)與基礎之間加入彈性體，道床會產(chǎn)生慣性運動衰減振動。 按照彈性體的不同，道床下減振有減振墊浮置板、橡膠支座浮置板和鋼彈簧浮置板， 其中鋼彈簧浮置的減振效果最好。

鋼彈簧浮置板具有的高效的減振性能使其得以大量的使用[4]，但在曲線段輪軌作用關系更為復雜，國內(nèi)外對鋼彈簧浮置板在曲線地段的動力特性研究較少[5]。 鋼彈簧浮置板軌道較普通整體道床在鋼軌和浮置板處的振動幅值會增大，尤其是在曲線地段，良好的減振效果的前提是需要保證鋼彈簧浮置板軌道的安全性。 鄭玄東[6]測試了曲線段的鋼彈簧浮置板軌道的位移，包括內(nèi)外側(cè)鋼軌的垂向及橫向位移、 浮置板中部及端部的垂向及橫向位移，但其運行速度最高僅為60 km/h。 葛輝等[7]現(xiàn)場測試了直線段鋼彈簧浮置板的鋼軌和浮置板的垂向位移，列車運行速度最高到117 km/h，并通過仿真計算最不利工況下的鋼軌和浮置板的垂向位移，但未對橫向位移進行測試和分析。

本文通過現(xiàn)場測試速度分別為80，100，110，120 km/h 下曲線半徑為1 200 m 和2 500 m 的鋼彈簧浮置板軌道鋼軌和浮置板的橫向位移，并建立了車輛-軌道-浮置板耦合動力學模型， 除了計算了上述工況外， 還模擬了線路投入使用后的最不利工況[8]，以保證線路行車的安全性。

1 鋼彈簧浮置板橫向位移測試

1.1 試驗概況

以某新建地鐵線路曲線段的鋼彈簧浮置板為研究對象，為保證其投入使用后的安全性，對曲線段的鋼彈簧浮置板的鋼軌及浮置板的橫向位移進行現(xiàn)場測試。 試驗地點為隧道區(qū)，鋪設無砟軌道，鋼軌為無縫焊接軌，扣件類型為DZIII-1 型扣件，地鐵車輛為8 卡A+型電動列車編組， 線路的最高運行速度為140 km/h。

1.2 試驗儀器

測試儀器采用高精度16 通道INV3060S 型雙核采集儀，測量位移的傳感器為KEYENCE IL-065型激光傳感器，量程為10 mm。 本次試驗采用移動電源進行供電，使用電腦離線采樣功能。

1.3 測點布置

測試軌道斷面2 個，包括：曲線半徑1 200 m 區(qū)段（DK45+700）、 曲線半徑2 500 m 區(qū)段 （DK46+300），兩個相鄰的測試斷面同時布置儀器同時測量。

測試內(nèi)容包括內(nèi)軌鋼軌橫向位移、鋼彈簧浮置板橫向位移，兩個測試斷面的鋼軌和浮置板測點均位于曲線內(nèi)側(cè)。 鋼軌處由于工裝安裝高度限制，實際測試位置為軌腰附近。 現(xiàn)場布置圖如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場布置圖Fig.1 Site layout plan

2 測試結(jié)果及分析

線路處于試運行階段，通過列車共40 趟，速度為80，100，110，120 km/h 列車各10 趟。

選取各速度下結(jié)果較好的數(shù)據(jù)，曲線半徑為1 200 m 測試各速度下的鋼軌和浮置板動態(tài)橫向位移典型時程如圖2、圖3 所示。位移時程圖中，向曲線內(nèi)側(cè)移動時位移為正值，向曲線外側(cè)移動時位移為負值，計算位移最大值時取各動態(tài)位移的絕對值最大值。

圖2 曲線半徑1 200 m 鋼軌橫向位移Fig.2 Rail lateral displacement with curve radius of 1 200 m

圖3 曲線半徑1 200 m 浮置板橫向位移Fig.3 Floating plate lateral displacement with curve radius of 1 200 m

曲線半徑為2 500 m 測試各速度下的鋼軌和浮置板動態(tài)橫向位移典型時程如圖4、圖5 所示。

圖4 曲線半徑2 500 m 鋼軌橫向位移Fig.4 Rail lateral displacement with curve radius of 2 500 m

圖5 曲線半徑2 500 m 浮置板橫向位移Fig.5 Floating plate lateral displacement with curve radius of 2 500 m

從圖6 可以明顯地看到，測試斷面曲線半徑為1 200 mm 時在各速度級別下的鋼軌位移均大于曲線半徑為2 500 mm 時的鋼軌位移，各個速度平均相差值為0.352 m， 這是因為曲線半徑越小，列車在經(jīng)過曲線路段時造成的橫向輪軌力越大，會導致更大的橫向位移。 而對于浮置板的橫向位移，雖然也有上述的現(xiàn)象， 但是各個速度平均相差值對比鋼軌僅為其1/4，為0.083 m。這是因為相比于輪軌力直接作用于鋼軌， 作用在浮置板的橫向作用力經(jīng)過了鋼彈簧及扣件的傳遞， 造成了橫向力部分衰減，導致其橫向位移差較小。 從列車行駛速度的角度來看， 鋼軌及浮置板的橫向位移受車速的影響相較于受曲線半徑的影響不大， 這是由于受到了地鐵列車行駛速度限值的影響， 僅考慮了車速為80～120 km/h 的5 組工況，但也足以說明在地鐵正常運營過程中車速對于鋼軌和浮置板橫向位移的影響并不明顯。

圖6 各速度下橫向位移最大值Fig.6 Maximum lateral displacement at various speeds

3 仿真計算及分析

為模擬線路正常運行之后軌道狀態(tài)的變化對剛彈簧浮置板橫向位移的影響，采用分層建模的思想， 利用多剛體軟件建立車輛-鋼軌扣件-浮置板-鋼彈簧-基底板體系[9-10]。

3.1 相關參數(shù)

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，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[11－12]，車輛參數(shù)采用地體A 型列車，為簡化計算，采用兩節(jié)編組，主要車輛參數(shù)如表1 所示。

表1 主要車輛參數(shù)Tab.1 Main vehicle parameters

鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、浮置板、鋼彈簧及混凝土基底組成， 各結(jié)構(gòu)相關參數(shù)如表2所示。

表2 各軌道結(jié)構(gòu)相關參數(shù)Tab.2 Related parameters of each track structure

建立2 塊長度相等的浮置板模型， 浮置板與基底之間的鋼彈簧采用多體動力學的線性彈簧模擬[13－15]，2 個測試斷面的鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)如圖7所示，板長24.97 m，兩板縫中線距為25 m，板厚為420 mm，板側(cè)布置8 個GZQRII60V 型液體阻尼鋼彈簧隔振器， 豎向剛度為5.33 kN/mm， 板中布置40 個GZQRII61V 型液體阻尼鋼彈簧隔振器， 豎向剛度7.50 kN/mm，鋼軌內(nèi)側(cè)隔振器中心線距軌道中心線450 mm， 鋼軌內(nèi)側(cè)隔振器中心線距軌道中心線980 mm。

圖7 鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)（單位：mm）Fig.7 Steel spring floating slab track structure（Unit：mm）

3.2 模型驗證

為驗證仿真模型的準確性，分別建立了曲線半徑為1 200 m 和2 500 m 的鋼彈簧浮置板軌道模型[16－17]，其中圖8 為曲線半徑為1 200 m 時多體動力學軟件中所建立的車輛-軌道-剛彈簧浮置板模型，由于此次測試的地鐵線路還未投入運營，仿真時按空載計算，新建線路的平順性較好，軌道不平順按美國六級譜考慮，如圖9 所示。

圖8 車輛-軌道-浮置板仿真模型Fig.8 Vehicle-track-floating slab simulation model

圖9 美國六級譜Fig.9 American six-level spectrum

圖10、 圖11 為仿真得到的兩種曲線半徑下不同速度的鋼軌和浮置板的橫向位移。 圖12 給出了不同速度下橫向位移最大值的數(shù)值模擬值與實測值的結(jié)果對比。 結(jié)果顯示，數(shù)值模擬值與實測值能較好匹配，數(shù)值模擬結(jié)果也表明鋼軌和浮置板的橫向位移受速度的影響較小， 但與曲線半徑有關，曲線半徑越小，鋼軌和浮置板的橫向位移越大。

圖10 曲線半徑1 200 m 鋼軌、浮置板橫向位移Fig.10 Transverse displacement of rail and floating slab with curve radius of 1 200 m

圖11 曲線半徑2 500 m 鋼軌、浮置板橫向位移Fig.11 Lateral displacement of rail and floating slab with curve radius of 2 500 m

圖12 數(shù)值模擬與實測橫向位移最大值對比圖Fig.12 Comparison of numerical simulation and measured maximum lateral displacement

3.3 最不利情況模擬

考慮地鐵正式運營之后，車輛荷載的不斷增加，軌道不平順的急劇惡化， 仿真計算地鐵線路在最不利行車條件下的鋼彈簧浮置板軌道鋼軌和浮置板的橫向位移，軌道譜取美國五級譜，軸重改為140 kN，車速取120 km/h，其它參數(shù)仍按表1 和表2 設置，如圖13 所示。

圖13 美國五級譜Fig.13 American five-level spectrum

由圖14 可知，最不利工況下鋼軌和浮置板的最大橫向位移分別為1.576 mm 和1.990 mm，目前在國內(nèi)并沒有相關規(guī)范對浮置板軌道的橫向位移進行限制，《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》 （CJJ/T 191-2012）[18]也僅對浮置板軌道的鋼軌和浮置板的垂向位移有明確的限值，但在曲線段的仍需考慮軌道結(jié)構(gòu)的橫向位移不能過大， 以免影響行車安全性及平穩(wěn)性，在浮置板減振軌道結(jié)構(gòu)中常需設置橫向限位結(jié)果，如凸形擋臺、剪力鉸等[19－21]。

圖14 最不利工況鋼軌橫向位移Fig.14 The lateral displacement of the rail under the most unfavorable conditions

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場實測和動力學仿真鋼彈簧浮置板軌道兩個曲線斷面下不同時速的鋼軌和浮置板的橫向位移，得到以下結(jié)論：

1） 車速的改變對鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌和浮置板的橫向位移沒有太大影響， 但曲線半徑越小，輪軌橫向作用越大，鋼軌和浮置板的橫向位移越大；

2） 由于列車荷載的增加及不平順的惡化， 導致輪軌之間的橫向作用力加強，進而導致鋼軌與浮置板的橫向位移增大；

3） 當線路投入使用后，需定期檢查軌道的平順性，制定合理的打磨周期，保證線路平順性。