橡胶垫铺设方式对轨道板减振效果影响分析

1 引言

目前，城市轨道交通正凭借其全天候、运能大、速度快、安全好、能耗低、污染轻、占地少等优势在国内外得到了快速发展。早期修建的城市地铁因在工程建设时忽视了振动问题。于是各种减振降噪等补助措施随之涌现。不同地区减振分级标准不同，一般分为初级、中级、高级和特殊减振。其中，橡胶浮置板轨道结构属于高级减振，减振效果在15dB～20dB[1]之间。它主要运用橡胶减振材料把上部浮置板轨道结构与下部基础隔离，使列车荷载产生的轨道结构振动被橡胶减振材料减弱，从而达到减振降噪目的。点支撑橡胶浮置板轨道作为一种高级减振措施，其行车稳定性还存在争议，本文旨在建立双层叠合梁模型，分析减振垫布置在轨道板下部不同位置后对轨道板位移影响，为点支撑橡胶垫减振效果提供理论借鉴。

2 点支撑橡胶垫刚度分析

2.1 橡胶垫分类

隔离式橡胶浮置板道床是将橡胶减振垫设置在一定质量和刚度的混凝土浮置板与基础之间。主要是通过减小轨道结构的支撑刚度，增加阻尼，使轨道结构振动质量增加，钢轨位移也相应增加，从而达到减振目的[2]。橡胶浮置板轨道的固有频率远低于激振频率，这样可过滤很多高频成分的振动。这种隔离式橡胶浮置板根据支撑面积不同分为面支承、线支承和点支承三种类型。

面弹性支撑是将橡胶垫满铺在轨道板下，其支撑面积相对较大，道床整体受力均匀。目前，此技术在北京、深圳地铁得到广泛应用。线弹性支撑是将减振垫只铺设在钢轨对应的轨道结构下部，此技术德国地铁中应用广泛。点弹性支撑是将减振垫铺在很小的面积上（一般取300mm×300mm），其设计原理与钢弹簧浮置板道床相近。各种形式下的支撑简易图如图1所示。

图1 支撑简易图

2.2 模型建立

2.2.1 弹性点支承橡胶垫刚度分析

表1 轨道结构参数

根据表1参数，面支撑橡胶垫铺设在轨道结构下部，取橡胶垫宽度2.5m（略小于浮置板道床宽度），长度取1.5m，橡胶浮置板质量m=3750kg，橡胶减振垫刚度模量2.36，由此计算出面支撑橡胶减振垫工作刚度为2.36×10-5×2500×1500＝88.5kN/mm，固有频率为24.46Hz。

线支撑橡胶垫铺设尺寸取0.5m，长度为1.5m，堆成铺设两条。由此计算出线支撑浮置板整体道床工作刚度为35.4kN/m，固有频率为15.47Hz。

点支撑橡胶垫铺设尺寸为300mm×300mm，长度1.5m范围内布置3块。由此计算出点支撑橡胶浮置板整体道床工作刚度为12.72kN/m，固有频率为9.27Hz。

表2 减振垫参数

根据减振降噪原理分析，点支撑橡胶浮置板轨道固有频率最低，其减振降噪效果较其他两种最好。但是点支撑橡胶浮置板的稳定性相对较差，目前施工上采用凹槽固定点支撑橡胶垫，有效提高了点支撑橡胶浮置板整体稳定性[7]。

2.2.2 叠合梁轨道模型

混凝土板式轨道减振结构，是将混凝土板放置于可调节的弹性减振材料上，组成质量—弹簧减振体系。其基本原理是在轨道和基础间插入固有率远低于激振频率的线形谐振器，以减小传入基础的振动，从而达到减振的目的[4]。这种板式轨道结构，在理论分析建模时可采用叠合梁轨道模型，即将钢轨看作有弹性支撑的欧拉梁单元，混凝土板看作弹性板单元，计算浮置板和钢轨的内力和变形等，从而进一步来分析轨道系统的减振效果。结合梁轨道模型根据轨道减振系统结构形式不同，可分为双层和多层轨道叠合梁模型。

双层叠合梁轨道模型用来分析在轨道结构上部施加外荷载，轨道结构与基础之间设置减振措施，借助软件计算钢轨和轨道板的纵横向弯曲变形和结构内力，进而探讨轨道减振效果的轨道模型。现在常应用于钢弹簧浮置板轨道系统、橡胶浮置板轨道系统以及纵向轨枕轨道结构中。

多层叠合梁轨道模型是在常见的轨道结构下部增设弹性减振轨道梁，轨道梁能够大大减小上部结构荷载对下部建筑结构的振动影响，在轨道车辆段的减振中常采用这种模型。

图2 叠合梁模型

3 点支撑橡胶垫稳定性分析

3.1 减振垫支撑在钢轨内侧

通过建立浮置板轨道双层叠合梁模型，采用ANSYS软件，将轨道结构纵向划分为98个单元、99个结点，横断面划分为12个单元和13个结点，从理论上分析点支撑橡胶垫横向稳定性。将橡胶减振垫放置在钢轨内侧轨道板下方不同位置时，通过计算分析轨道板竖向位移，来判断轨道结构的稳定性。

图3 轨道结构布置图

钢轨轨距采用1435mm，方案一：点支撑橡胶垫放置在轨道板下方，偏钢轨内侧200mm。方案二：点支撑橡胶垫放置在轨道板下方，偏钢轨内侧300mm。方案三：点支撑橡胶垫放置在轨道板下方，偏钢轨内侧400mm。方案四：点支撑橡胶垫放置在轨道板下方，偏钢轨内侧500mm。其中方案一和方案四轨道结构布置图如图3所示。

图4 浮置板位移图

对四种方案的浮置板竖向位移进行计算分析（结果如图4）可知，轨道板下点支撑橡胶垫在距离钢轨内侧20cm、30cm、40cm、50cm，浮置板轨道结构竖向位移基本维持在2.8mm。轨道结构横断面6个单元位置在水平方向基本成一条直线，最大位移与最小位移偏差0.14%。从轨道结构竖向位移变化角度分析，四种方案效果基本一致。

3.2 减振垫支撑在钢轨外侧

钢轨轨距采用1435mm，方案一：点支撑橡胶垫放置在轨道板下方，偏钢轨外侧200mm。方案二：点支撑橡胶垫放置在轨道板下方，偏钢轨外侧300mm。方案三：点支撑橡胶垫放置在轨道板下方，偏钢轨外侧400mm。方案四：点支撑橡胶垫放置在轨道板下方，偏钢轨外侧500mm。其中方案一和方案四轨道结构布置图如图5所示。

图5 轨道结构布置图

图6 浮置板位移（mm）

通过分析四种方案浮置板竖向位移（如图6）可知，点支撑橡胶垫分别铺设在轨道板下钢轨对应位置外侧20cm、30cm、40cm、50cm，浮置板道床竖向位移变化不大，最大竖向位移与最小竖向位移差值0.123mm，橡胶浮置板竖向位移基本维持在2.7mm～2.9mm。从图6曲线中发现，由于点支撑橡胶垫铺设在对应钢轨位置外侧，在2号单元与5号单元之间出现微小弯曲变形。但从问题看位移量很小可以忽略不计，不会对列车行车稳定性造成影响。

4 结语

①按轨道系统减振原理分析，点支撑橡胶浮置板轨道系统固有频率为9.27Hz，线支撑橡胶浮置板轨道固有频率为15.47Hz，面支撑橡胶浮置板轨道系统固有频率为24.46Hz。三种橡胶浮置板轨道从隔振原理上分析，点支撑橡胶浮置板轨道系统减振效果最佳。

②采用双层叠合梁模型，对橡胶浮置板轨道结构进行模拟分析。重点分析减振元件的刚度，对于其他参数的减振效果没有重点分析。

③点支撑橡胶垫布置在轨道板下钢轨内侧20cm、30cm、40cm、50cm处，浮置板轨道结构竖向位移基本维持在2.8mm。点支撑橡胶垫布置在轨道板下钢轨外侧20cm、30cm、40cm、50cm处，浮置板轨道结构竖向位移基本在2.7mm～2.9mm之间。点支撑橡胶垫布置在浮置板下部以钢轨为中心内外50cm范围内，浮置板竖向位移都在2.8mm左右，在此范围内点支撑橡胶垫位置对轨道系统减振效果影响不大。