浮置板軌道交通箱形梁減振效果分析范文

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摘要：為研究浮置板軌道對軌道交通橋梁的減振效果，以32m的軌道交通雙線箱形梁為研究對象，基于聯合仿真方法建立了車輛－軌道－橋梁耦合振動分析模型，計算列車荷載作用下軌道交通箱形梁的振動響應，分析了浮置板軌道對箱型梁的減振效果。結果表明，箱形梁橋上采用浮置板軌道會急劇增大鋼軌和浮置板自身的振動響應；采用浮置板軌道可以降低橋梁中、高頻的振動，但是會放大橋梁低頻的振動響應；如需采用浮置板軌道以減少軌道交通輻射的噪聲，還應考慮設置浮置板軌道后鋼軌輻射噪聲的增加。

關鍵詞：軌道交通；箱形梁；浮置板軌道；聯合仿真；減振效果

近些年來，我國的城市軌道交通快速發展，由此引起的振動和噪聲問題也逐漸顯現，這影響著人們日常的生活和工作環境，產生了較大的負面影響［1］。浮置板軌道作為一種有效的減振軌道結構型式，已經廣泛地應用在地鐵隧道的減振地段當中。國內已經有很多個城市采用了鋼彈簧浮置板軌道結構，并取得了較好的減振效果。國內外學者通過理論分析、數值計算和試驗測試等方法對鋼彈簧浮置板軌道減振性能進行了大量的研究工作。劉學文［2］、袁俊等［3］通過建立解析軌道模型，對浮置板軌道的減振效果進行計算和分析。李增光等［4］提出了采用動柔度的求解方法，通過建立浮置板軌道的力學模型加載求解浮置板的隔振性能及其影響因素。姚京川等［5］分析了浮置板軌道對地鐵環境振動減振特性的影響。HuiC．K．等［6］采用試驗方法對浮置板軌道的減振效果進行了分析。大多數學者只研究了浮置板軌道在隧道內的減振效果，但是針對橋上浮置板軌道對橋梁的減振效果的研究還很少。本文基于聯合仿真動力分析，擬通過建立車輛－軌道－橋梁耦合振動分析模型，計算列車荷載作用下軌道交通箱型梁的振動響應，分析浮置板軌道的減振效果，為軌道交通橋梁的減振設計提供參考。

1計算模型、參數及理論

1．1車輛－軌道－橋梁耦合振動分析模型

利用有限元軟件ANSYS和多體動力學軟件UM，建立車－軌－橋耦合精細化的空間分析模型。在UM軟件中建立車輛分析模型，通過剛體、力元、鉸接、約束和輪軌接觸模型等來建立車輛系統的動力學方程。1節車輛主要由7個剛體構成，分別是1個車體、2個轉向架、4個輪對。這些剛體再分別用一、二系彈簧、垂向減振器、橫向減振器、抗蛇行減振器、橫向止擋、抗側滾扭桿、牽引拉桿等連接。每個剛體都考慮6個自由度，即伸縮、橫擺、點頭、浮沉、側滾、搖頭，左右兩邊車輪各有1個約束，單節車輛共有34個自由度。在ANSYS軟件中建立箱型梁的有限元模型，計算橋梁質量、剛度矩陣等信息，并使用UM軟件與ANSYS軟件接口程序ANSYS＿UM生成UM軟件中可以識別的箱型梁結構柔性體的標準文件。然后利用輪軌接觸面上的離散信息點進行數據交換，從而實現對車輛－軌道－橋梁系統的耦合振動分析，車輛－軌道－橋梁耦合振動分析模型見圖1。

1．2有限元模型及參數

某軌道交通的雙線箱型梁的標準跨徑為32m。在有限元模型中，鋼軌由梁單元beam188模擬，扣件和鋼彈簧由彈簧單元combine14單元模擬，軌道板、浮置板和橋梁由實體單元solid185單元模擬。浮置板軌道－橋梁的有限元模型見圖2。車輛模型的參數以地鐵A型車為標準，計算車速為80km／h，建模所需參數見表1。軌道不平順采用德國低干擾譜模擬，這與我國實際軌道譜比較接近。通過將車輛－軌道－橋梁耦合振動分析模型計算的輪軌相互作用力加載到軌道橋梁的有限元模型上，可以獲得橋梁的振動響應。

1．3計算理論

在有限元動力分析中，采用瞬態動力學方法分析結構的動力響應，得到了時變荷載下結構的節點位移、應力、速度、加速度的響應。瞬態動力學分析也稱作時間歷程分析，其基本運動方程見式（1）式中：M、C和K分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；¨u（t）、u（t）和u（t）分別為系統節點的加速度、速度和位移向量；F（t）為系統的節點荷載向量。

2計算結果分析

為研究箱型梁橋上浮置板軌道的減振特性，選擇的箱型梁跨中截面輸出點見圖3。其中輸出點1～6分別表示箱型梁跨中處的外側鋼軌頂點、浮置板中心、軌道中心、翼緣板頂點、腹板中心和梁底中心。通過瞬態分析，可以得到6個輸出點的時域響應；然后通過傅里葉變換對輸出點的時域響應進行頻譜分析，得出輸出點的加速度頻譜曲線，見圖4。圖4箱形梁振動加速振級對比圖由圖4可見，在1～200Hz的范圍內，浮置板軌道的軌頂和軌道板中心處的振動響應明顯高于普通整體軌道的振動響應。浮置板軌道軌頂在10Hz處的加速度振級比普通軌道高21．39dB，軌道板中心的加速度振級相差43．54dB。設置浮置板軌道的橋梁振動響應總體來說小于采用普通軌道的橋梁振動響應。這表明浮置板軌道是通過增加自身的振動幅值來降低高架橋的振動響應的，因此，如果要想利用設置浮置板軌道來達到降低軌道交通產生的噪聲的目的，還應該考慮到鋼軌輻射噪聲的增加。在12．5～200Hz頻率范圍內，設置浮置板軌道的箱型梁的軌道中心線處、翼緣板、腹板、梁底的振動水平明顯低于普通軌道，加速度振級相差最大值分別為37．45，43．60，36．47，32．83dB。在小于12．5Hz的低頻部分，箱形梁的各部分振動響應略有增加。說明浮置板軌道主要對軌道交通橋梁的中、高頻響應具有明顯的減振作用，但在低頻部分有振動放大的現象。

3結語

本文通過對比分析浮置板軌道與普通軌道對軌道交通箱型梁的減振效果，得到以下結論。1）在箱型梁橋上采用浮置板軌道將急劇放大鋼軌和浮置板的振動響應。2）采用浮置板軌道可以降低橋梁中、高頻的振動，但是會放大橋梁低頻的振動響應。3）如要采用浮置板軌道來降低軌道交通產生的噪聲，還應考慮采用浮置板軌道后鋼軌輻射噪聲的增加。

參考文獻

［1］劉維寧，馬蒙，劉衛豐，等．我國城市軌道交通環境振動影響的研究現狀［J］．中國科學（科學技術），2016，46（6）：547－559．

［2］劉學文，吳川，謝軍，等．長型浮置板軌道隔振系統理論分析：彌散曲線及臨界速度［J］．計算力學學報，2009，26（6）：919－923．

［3］袁俊，胡衛兵，孟昭博，等．浮置板軌道結構類型比較及其隔振性能分析［J］．測試與診斷，2011，31（2）：223－228．

［4］李增光，吳天行．浮置板軌道二維建模及隔振性能分析［J］．鐵道學報，2011，33（8）：93－98．

［5］姚京川，楊宜謙，王瀾．浮置板式軌道結構隔振效果分析［J］．振動與沖擊，2005，24（6）：108－110．

作者：黃俊飛 左志遠 單位：隔而固振動控制有限公司