２０１８ Ｎｏ．３ 橡胶隔撤垫减振 取块 允昨轨道减振性能分析卅呜 橡胶隔振 减振 双块式无砟轨道减振性能分析 雷 鸣 （中铁第四勘察设计院集团有限公司线站处武汉 １３００６３） 【摘要】 某市域铁路高架桥地段采用双块式无砟轨道，并在道床板下设置橡胶隔振垫以满足减振要求。 本文采用有限元方法建立轨道结构空间模型，通过改变道床板厚度、橡胶隔振垫刚度，对轨道结构及线下 基础进行动力计算，对比分析轨道结构固有频率、振动位移幅值、振动加速度，为市域铁路建设中该类轨道 结构的设计提供理论依据 【关键词】 双块式无砟轨道橡胶隔振垫 固有频率振动 有限元分析 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎＤａｍｐｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆＢｉ—ｂｌｏｃｋ Ｓｌｅｅｐｅｒ Ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓｌ’ｒａｃｋ ｗｉｔｈ Ｒｕｂｂｅｒ Ｐａｄ． ＬＥＩ Ｍｉｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ ＳＩＹＵＡＮ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｇｒｏｕｐ ＣＯ．．ＬＴＤ Ｗｕｈａｎ ４３００６３） ［Ａｂｓｔｒａｃｔｌ Ｂｉ—ｂｌｏｃｋ ｓｌｅｅｐｅｌ‘ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓｔｒａｃｋ ｉｓ ｕｓｅｄ ｏｎ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎ ｏｎｅ ｓｕｂｕｒｂａｎ ｒａｉｌｗａｙ ｔｏｎｓｉｌ‘ｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎ ｏｒ． ｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｔｔｅｎｔｍｔｉｏｎ，ｒｕｂｂｅｒ ｐａｄ ｉｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｓｌａｂ．Ｂｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｌ、 ＦＥＡ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｓｔｔ‘ｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ａｌｔｍ’ｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｓｌａｂ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｉｆｌｈｅｓｓ ｏｆｒｕｂｂｅｒ ｐａｄ，ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆｘ ｉ— ｂｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ．ｐｌ’ｏｖｉｄｉｎｇ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｒａｃｋ ｓｌｒｕｃｔｕｌ‘ｅ ｉｎ ｓｕｂｕｒｂａｎ Ｉ’ａｉｌ— ｗａｙ ｓｙｓｔｅｍｓ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｌ Ｂｉ—ｂｌｏｃｋ ｓ１ｅｅｐｅｒｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ ｔｒａｃｋ．Ｉ．ｕｂｂｅ，’ｐａｄ，ｎａｔｕｌ’ａｌ ｆｉ＇ｅｑｕｅｎｃｙ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．ＦＥＡ． 为适Ｊ、 国家城镇化技艟战略，利用铁路资源 参与城市轨道交通建设，人力发展市域铁路，将 ｌ有限元模 的建 成为加强地区中心城Ｉ｝Ｊ 周边城市之间联系、发 某市域铁路商架桥地段采川蚁块式丸砟轨道， 展ｌ 星城镇的重要措施…。相较ｊ 地铁、轻轨等 高等减振区域采用橡胶隔振 。道床板采川分 城『盯轨道交通 Ｌ ，市域铁路的站问距更大、运 块式现场浇筑，Ｋ 为６ｍ仨右。每块道Ｊ未板设置 速度更快，但也呵临营轨道减振的难题。存轨 两个限位凸台、呔 板设置 个 位凹槽，凸 ｊ 道结构方 ，传统的短轨枕式整体道床保持轨道 梢之『白Ｊ改置弹性缓冲 层。道眯板与戚座ｌ、Ｉｉ＿Ｊ 儿¨形他能力仃限，且 具有城市轨道交通低速 置橡胶隔振垫。 运行应刖 验：卡Ｈ反，起＿卡』Ｊ应用十国铁领域的 有限元讨 算采，｛ｊ刷梁一体模 ．如 ｌ所，Ｊ ：钢 块式无砟轨道以优良的 体性能和明确的受力 轨采用梁ｔ，ｆｉ．元：打 ：采『ｆｊ弹箍 庀：道怵板、橡胶隔 性能使其 ＪＪ【１通应市域铁路高速运行的特 一点。 振垫和底座采用实体 无模拟 。。桥梁梁 提供的 轨道减振方面，橡胶隔振垫缓冲减振效果好、 弹性采ｒ订弹簧 元进行馍拟。 埘高架桥桥面影响小，更打¨适用ｊ 高架线高等减 振地段。 本文将对商架桥上减振型双块式无砟轨道及 橡胶隔振 双块式无砟轨道的减振性能进行分析 研究，为市域铁路的新型高等减振尤砟轨道结构的 一 发汁提供理论依据。 图１ 钢弹簧浮置板道床有限元分析模型 ２ 铁道勘测与设计ＲＡｌＬＷＡＹ ＳＵＲＶＥＹ ＡＮＤ ＤＥＳＩＧＮ ２０１ ８（３） ２道床板厚度研究 由于道床板长度的确定要综合考虑扣件节点 间距、桥梁长度、板缝间距等因素，因此在设计适用 于市域铁路的双块式无砟轨道道床板尺寸时，道床 板分块长度同样采用５～７ｍ，道床板宽度也采用 与双块式无砟轨道相同的２．８ｍ。 ２．１道床板厚度变化对轨道结构振动模态的影响 针对道床板厚度为０．２ｍ、０．３ｍ、０．４ｍ、０．５ｍ、 ０．５５ｍ的五种工况进行计算。对不同厚度轨道结构 在相同的垂向振动振型下的固有频率进行分析，具 体如图２和图３所示。 图２桥梁梁面铅垂向振动加速度的分频振级（Ｚ计权） 图３板厚与固有频率关系（第四阶垂向振动） 由图２可知，道床板厚度的增加在较大程度上 影响着轨道结构的固有频率。以垂向振动最为显 著的第４阶振型为例，当板厚从０．２ｍ增加至０．５５ｍ 时，轨道结构的固有频率从３２．８７７Ｈｚ降为 ２１．０１８Ｈｚ，减小了ｌ１．８６Ｈｚ，详见图３。 前７阶振型中，轨道结构固有频率随着板厚的 增加而减小；而在第８阶振型，当板厚从０．２ｍ增加 至０．５５ｍ时，轨道结构的固有频率从４３．１４５Ｈｚ增 大为为６１．９０８Ｈｚ，增加了１８．７６３Ｈｚ。出现以上现象 的原因：在低阶振动中，结构振型相对简单，轨道结 构相当于单自由度系统，道床板厚度的增加提高了 系统参振质量，因此使其固有频率降低 。在高阶 垂向弯曲振动中，道床板的弯曲变形振动受自身抗 弯、抗扭刚度的影响更为明显，也即道床板厚度增 加，其抗弯刚度和结构固有频率也随之明显提高 。 ２．２道床板厚度变化对轨道结构振动传递特性 的影响 针对道床板厚度为０．２ｍ、０．３ｍ、０．４ｍ、０．５ｍ、 ０．５５ｍ的五种工况进行计算，对不同厚度轨道结构的 振动传递特性进行分析，具体结果如图 图６所示。 雾 ≮嚣姆黪端嚣耀藏馕 嚣 ｊ【竣臂 ０ 鬣母 勰豁鞯越燃鞯瓣搽 ｔ ，口 ｌ０ 糍攀朋ｚ 图４钢轨振动位移导纳图 图５道床板振动位移导纳图 图６桥梁基础振动位移导纳图 ２０１ ８ Ｎｏ．３ 橡胶隔振垫减振型双块式无砟轨道减振性能分析雷 鸣 ＾《 ３ 嚣降馘鬻麓嚣鞲艇秣簿镰” 表ｌ轨道结构的垂向振动位移峰值（厚度变化） ３．１橡胶隔振垫刚度变化对轨道结构振动模态 板厚／ｍ ０－２ ０－３ ０．４ ０．５ ０．５５ 频率／Ｈｚ ３３ ２５ ２４ ２２ ２１ 位移／ 钢轨 ３．０７ ２．４８ ２．１２ １．９５ １．７４ （１０ ｒｎ／ 道床板 ２．６１ １．９３ １．８６ １．６７ １．４５ Ｎ） 基础 ０．０５３ ０．０４１ ０．０３９ ０．０３４ ０．０２９ 根据以上计算结果，不难发现在道床板厚度增 加的条件下，轨道结构位移导纳曲线偏移至频率降 低的方向，说明板厚增加可以降低结构的固有频率 （与２．１节分析结果相吻合）。另外，板厚从０．２ｍ增 大为０．５５ｍ时，钢轨振动位移峰值从３．Ｏ７×１０ ｍ／Ｎ 减小为１．７４×１０－Ｓｍ／Ｎ，减小了４３．３％；道床板振动 位移峰值从２．６ｌ×１０ ｍ／Ｎ降为１．４５×１０一ｍ／Ｎ，减 小了４４．４％；基础振动位移从０．０５３ Ｘ １０ ｍ／Ｎ降为 ０．０２９×１０￣ｍ／Ｎ，减小了４５．３％，由此可见道床板厚度 的变化对轨道结构垂向振动位移的影响较为明显。 另外，随着道床板厚度的增加，基础的振动减 弱效应在频率大于基频时表现得更为明显，而钢轨、 道床板的振动减弱效应则在基频附近表现得更为 明显。以１００Ｈｚ为例，随着板厚的增加，桥梁基础 振动加速度级分别减小了４．１ｄＢ、２．５ｄＢ、１．１ｄＢ、 ０．６ｄＢ，如图７所示。 Ｗ 蜥 ｛Ｉ ｌ氧Ｓ赫 ｝ｉ．１嘏 ｌ鞔§赫 １０ 鹱攀，№ 图７桥梁基础振动加速度导纳图 ３橡胶隔振垫刚度研究 为了真实模拟橡胶隔振垫的力学性能，对比分 析轨道结构的固有频率及振动传递性能，本节计算 采用实体单元模拟橡胶隔振垫，选取的橡胶隔振垫 刚度为０．００８Ｎ／ｍｍ３、０．０２Ｎ／ｍｍ３、０．０４Ｎ／ｍｍ３、０．０８Ｎ／ｒｎｍ３、 ０．１６Ｎ／ｍｍ￣，对应弹性模量为：４×１０＇Ｎ／ｍ 、１０× １０ Ｉ ｎ 、２０×１０￣ｑ／ｍ２，４０×１０ Ｊ／ｍ 、８０×１０４Ｎ，１ｎ 。 的影响 图８不同橡胶弹模下轨道振型与固有频率关系 图９橡胶弹模与固有频率关系 由图８可知，橡胶隔振垫弹性模量变化，轨道 结构固有频率也随之发生变化，隔振垫刚度对结构 固有频率的影响比较显著。例如第４阶垂向振型， 当橡胶隔振垫弹性模量由４×１０４Ｎ／ｍ 升至８０× １０＂Ｎ／ｍ 时，浮置板轨道的固有频率由１２．７５２Ｈｚ升 至５６．０１７Ｈｚ，增加了４３．２６５Ｈｚ，详见图９。可见在 参振质量一定时，道床板下橡胶隔振垫刚度的降低 可以有效的降低轨道结构的固有频率。 另外，振型从低阶到高阶，不同橡胶隔振垫刚 度条件下固有频率变化幅度逐渐减小。这说明随 着振型阶数的升高，橡胶隔振垫刚度的影响逐渐 减弱。 ３．２橡胶隔振垫刚度变化对轨道结构振动传递 特性的影响 计算结果如图ｌ０～图１２所示。表２给出了不 同工况下轨道结构的垂向振动位移值。 ４ 铁道勘测与设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＵＲＶＥＹ ＡＮＤ ＤＥＳＩＧＮ ２０１８（３） 另外，橡胶隔振垫弹性模量从４×１０４Ｎ／ｍ 变为８０ ＾《 ｏＨ一＼舔雄簿 督獾攫啭辍翘嚣 一。１≮蒜母簿 擦鞯雠 鬻擦 ； 曼 篓 譬 纂 藿 图１０钢轨振动位移导纳 图１１道床板振动位移导纳图 图１２桥梁基础振动位移导纳图 表２轨道结构的垂向振动位移峰值 （橡胶隔振垫刚度变化） 橡胶隔振垫弹模 （１ ｏ４Ｎ／ｍ ） ４ ｌ０ ２０ ４０ ８０ 频率／Ｈｚ １３ ２１ ２８ ４ｌ ５６ 位移／ 钢轨 ３．７８ １．７４ １．１３ ０．８６ ０．７３ （１０ ｍＪ 道床板 ３．５５ １．５８ Ｏ＿８６ ０．６３ ０－３７ Ｎ） 基础 ０．０３４ ０．０３４ ０．０４２ ０．０５１ ０．０５７ 根据以上计算结果，不难发现在橡胶隔振垫弹 性模量增加的条件下，轨道结构振动导纳曲线偏移 至频率增大方向，意味着提高橡胶隔振垫弹性模量 将有助于增加结构固有频率（结论与上一节吻合）。 ×１０＂Ｎ／ｍ２时，钢轨振动位移峰值从３．７８×１０ ｍ／Ｎ 变为０．７３×１０一ｍ／Ｎ，减小了８０．７％；道床板振动位 移峰值从３．５５×１０ ｍ／Ｎ变为０．３７×１０一ｍ／Ｎ，减 小了８９．６％；基础振动位移峰值从０．０３４×１０ ｍ／Ｎ变 为０．０５７ ｘ １０ ｍ／Ｎ，增大了６７．６％。 善 萋 麟 ！瞬 斌 蒸 菩 藿 图１３钢轨振动加速度导纳图 善 囊耧 囊１薹ｌｌ 萋 图１４道床板振动加速度导纳图 薹 量 霪 萋 差 耋 黼 图１５桥梁基础振动加速度导纳图 橡胶隔振垫弹性模量增加使得钢轨、道床板的 振动加速度级随之降低，而传递到基础的振动随之 加大。频率为１０Ｈｚ时，随着橡胶隔振垫刚度的增 加，道床板的振动加速度级分别减小了１０．８ ｄＢ、 ５．８ｄＢ、４．３ｄＢ、４．２ｄＢ。在频率大于基频时，基础振动 随橡胶隔振垫刚度变化尤为明显，其（下转第１７页） ２０１８ ＮＯ．３ ｌ ７ ·‘－ 』 ¨●６ 【 霉－．．－． 鳖翌 － 坚 自㈨ ８ ∞， ５∞． ，８５００， ｝，８５（】ｎ．０蛳 ８５∞．…５，日㈣，８５∽， ｓ∽，８ １￣００ １ Ｄ０ｕ ８ 帅．８５。。．Ｒ㈣，８５（１ｏ…，，ｑ ，ａ ，０＾０。，Ｂ＾∞． ∞、， ， ＇ Ｉ ） “ ， ¨ Ｉ【ｊ １１ Ｉ ’。｛ ｌｌ ＿】。 Ｉｔｉ ｌ ：＿ ＿Ｉｔ｝ ｃＩ １， Ｊｌ ｊｆ 图６站台层公共区示意图 ３厅案优缺点 表１方案优缺点 优点 缺 ， １、ｔ１ｉ），－￣ｌｉ ２、 小，Ｉ 造价低： １、城际客流ｆｎｆ仃域客流 ２、运营竹理 乱： ． ：能亢个分 ： 乘１ｉ ‘ ，十｝１ ｛ 换乘他捷： １、站俞 丈 物 分隔： １、１ 觇模人，］：ｆ 造ｆ介『岛：｝Ｉｊ ｛ 倾 他： ２、 铁ｆ【】１ 域线站ｆｒ公ＪＬＩ×＝分 ，返＊竹 币｝＿客流组织合理： ２、地面征地范同较尺。 １一站 馍尺， － ｉ造价 ２、 铁ｆ¨ｉｔｉ域线站¨：公 卜（ｆ｝１埘ｊ９Ｊ立，运营管 ｆｌ 流组 ｛１ 十¨对介 ； ２、相 换乘小疗便： 、１、站 吱 物 分 ： １４结语 为今后 线午站的公共 流线设训‘提供参考。 城ｉＨ轨道交通ｆ 域铁路的设汁越来越Ｊ ‘泛， 线运营的线路形式【ｉ三彩来越多。奉丈研宄多种公 布置形式，满足年站流线的多种，／Ｈ 管理， 参考文献 ［１］地铁设计规范（ＧＢ ５０ｌ５７～２Ｏ１３） ［２】朱丹．城市轨道交通概论人民交通出版社２０ｌ２年７月 收稿Ｆ１期：２０１ ８—３一ｌ ３ （上接第４页）振动化移幅ｆｌＩｉ＿也年｝｛心增ＪＪ『】。以ｌ００Ｈｚ 为例，随着橡胶隔振 刚瞍的增ＪｊＪ］． 础的振动』Ｊ口 速度级分别增人，６．４ｄＢ、６．１ｄＢ、６．６ｄＢ、７．８ｄＢ。 （３）减小豫皎隔振垫… －Ｊ 降低轨道结构的吲 仃频率，低阶振动固有频率降低更为明显。ｌ （４）减小橡胶隔振 刚度ｕｒ降低轨道结 和 础的垂向振动化移幅值。 （５）任减小橡胶隔振 川发的前提卜，传递垒 ４结 论 通过刈 舟架桥ｌ 橡胶隔振 双块式尤砟轨道 减振性能Ｉ，ｆ勺分析研究，ｕ 以得川ｊ以卜结论： （１） ｉ 道床板 嫂增加的前提ｌ－，轨道结构低 阶振动ｎ勺…ｉ仃频率 以降低，商阶振动的 有频率 ｊ以丁Ｉ．『 ，以 ＿匕使１ｌ－－３￣振频段范ｌ书】得以扣’。危，增强 减振效 。 （２） 道Ｊ术扳ｊ－，｝ｊＣ父ｊ： ｔ－ＩＹ， ，］，ＪＪｌＪ的前提卜，轨道结构和 基础的振动得以降低，反 升高ｒ轨道结掏整体的 振动加速度级。 参考文献 【１］王拮，王伟 城市既有铁路市域铁路改造探讨【Ｊ１＿交 通企业管理，２０１２ ２７（３）：６２—６３ ［２】温琳， 土质路基ＣＲＴＳ Ｉ型双块式无砟轨道垂向 动力学分析及参数研究［Ｄ】兰州交通大学，２（）ｌ０ ［３］钟阳龙．铁路地下直径线橡胶浮置板道床结构参数及 钢轨变形限值研究［Ｄ］．北京交通大学，２（）１ ５ ［４】艾山丁不同支承方式的橡胶隔振无砟轨道结构振动 特性研究【Ｄ】北京交通大学，２０ｌ０ 基础的振动及千ＩＩ应何移 值 以降低。其 俐轨、 道床板在基频附近振ｚ 降低比较明 ，而住频率大 ｊ＝基频时，传递到基础的振动降低比较叫 。 收稿｝＝ ：２０ｌ８—】３—９
