减振垫浮置板整体道床结构设计研究

任 树 文

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 研究背景

目前国内城市轨道交通工程正在如火如荼的发展，因线路的规划、城市地下空间等因素制约，导致沿线部分敏感点距离线路中心线较近，需根据环评报告等相关要求采取不同级别的轨道减振降噪措施。

减振垫浮置板整体道床相较于 Vanguard 扣件、钢弹簧浮置板、梯形轨枕等其他高等减振措施，其施工速度快，适应范围广，综合造价低，减振效果相当等诸多优点正在越来越多的应用在国内城市轨道交通工程中。

减振垫浮置板道床1975年首次在德国柏林地铁使用，其减振原理主要是在道床板与基地结构之间设置弹性隔离层，通过减振垫层将轨道及浮置板与底部及侧面结构相隔离，使钢轨等上部结构所受的车辆动扰力通过隔离层传递到结构底部，在此过程中由减振垫层进行调谐、滤波、吸收能量，达到隔振减振的目的，属于被动隔振，见图1。

本文主要根据城市轨道交通工程土建、车辆、限界等专业相关接口设计资料，建立区间减振垫浮置板整体道床轨道结构模型，计算不同工况下轨道结构各部分的变形及轨道板弯矩，为减振垫浮置板道床结构设计及选型提供理论依据和技术支持。

2 基本计算参数的选取

2.1 车辆荷载参数

荷载根据地铁A型车参数选取，相关参数见表1，荷载分布见图2。

表1 地铁A型车静力计算参数

2.2 轨道结构参数

钢轨：60 kg/m,U75V钢轨，铺设跨区间无缝线路。

扣件：ZX-2型扣件；间距采用1 680对/km。

减振垫：静力地基模量 0.019 N/mm3，厚度 30 mm。

外型尺寸：考虑到运营、养护、维修的可行性、可靠性、方便性以及保证减振降噪效果的有效实现，隔离式减振垫道床板不应过长，也不应过短，同时还要有一定的参振质量，综合各方面统筹考虑及借鉴相关工程经验，道床板长度考虑3.55 m,6 m和12 m三种长度，板厚分别考虑345 mm和370 mm 两种高度。

3 三维有限元模型的建立

3.1 钢轨和扣件模型

钢轨：采用梁单元模拟，弹性模量E=2.1×1011N/m2，泊松比0.3，密度7.83×103kg/m3。

扣件：扣件垂向等效刚度取25 kN/mm，扣件采用弹簧单元模拟。

3.2 浮置板模型

为了消除边界条件影响，并考虑荷载最不利情况，建立了5块浮置板模型。

浮置板用实体单元模拟，其混凝土采用 C40 混凝土，弹性模量E=3.40×1010N/m2，泊松比0.2，密度2.5×103kg/m3。

3.3 减振垫模型

为达到隔振效果，在浮置板两侧和底部以满铺形式敷设减振垫层。弹性模量E=9.5×104N/m2。弹性减振垫层采用实体单元进行模拟，选用材料泊松比0.47，密度1 400 kg/m3。

3.4 隧道基础模型

隧道基础同样采用实体单元模拟，采用C40混凝土材料参数，弹性模量E=3.40×1010N/m2，泊松比 0.2，密度2.5×103kg/m3。隧道基础模型整体呈U型槽状。

3.5 轨道结构整体模型

根据上述各个单元模型建立的区减振垫浮置板整体道床结构模型如图3所示。

4 轨道力学分析

4.1 轨道结构变形分析

按照图2所示荷载，在区间减振垫浮置板轨道有限元模型中加载，计算轨道结构各部分的变形、轨道板的弯矩，如图4所示。

不同工况下轨道结构各部分的最大垂向静位移，见表2。

由表2可知，轨道板越长轨道结构各部分的垂向位移越小，轨道板厚度对轨道结构各部分的垂向位移影响很小，可以忽略不计。根据CJJ/T 191—2012浮置板轨道技术规范3.1.5 规定，浮置板轨道在列车额定荷载作用下钢轨的最大垂向位移不应大于 4 mm，可知所有工况的浮置板轨道结构各部分的垂向位移均满足要求(动力系数按1.6考虑)。

表2 轨道结构各部分垂向静位移最大值

板长/m板厚/m钢轨/mm轨道板/mm基础/mm错台/mm3.556120.345-3.12-2.41-0.0861.200.370-3.10-2.38-0.1041.190.345-2.33-1.57-0.0550.940.370-2.35-1.60-0.0690.940.345-2.26-1.54-0.0540.910.370-2.27-1.49-0.0660.92

4.2 轨道板弯矩分析

按照图2所示荷载轴距，在轨道板上加载，通过计算分析，得到轨道板纵、横向弯矩包络图(包络图反映了移动荷载通过这块板时，板的各个位置所受的最大或最小弯矩，注负弯矩表示板下侧受拉，正弯矩表示板上侧受拉)，见图5，图6。

由图5，图6可知，轨道板长度相同时，随轨道板厚度的增加，板上侧或下侧受拉时产生的纵横向弯矩也稍有增大，但变化幅度较小；轨道板厚度相同时，对于纵向弯矩，板上侧受拉时弯矩大小次序为6 m板最大、12 m板次之、3.55 m 板最小，板下侧受拉时弯矩随板长的增加而增大；对于横向弯矩，板上侧或下侧受拉时产生的弯矩随板长增加而增大。

5 结语

通过对本计算中的6种工况减振垫浮置板轨道进行力学分析，可以得到以下几点结论：

1)轨道板越长轨道结构各部分的垂向位移越小，所选取的轨道板厚度对轨道结构各部分的垂向位移影响很小。

2)板长相同时，板上侧或下侧受拉时产生的纵横向弯矩均随板厚增加而增大，但变化幅度较小。

3)板厚相同时，其上侧或下侧受拉时产生的横向弯矩及下侧受拉时产生的纵向弯矩随板长增加而增大，其上侧受拉时弯矩大小次序为6 m板最大、12 m板次之、3.55 m板最小。

4)各种工况下浮置板结构设计基本都能满足行车安全要求，故应在减振垫浮置板设计时结合车辆、土建、限界等接口专业要求进行合理选型，以达到最佳预期效果。