钢弹簧浮置板

城市铁路西直门车站钢弹簧浮置板道床的应用与设计

摘要：从减振原理、应用场所、方案设计、各专业配合等方面，介绍了正在建设的城市铁路西直门车站减振型轨道结构的设计，为今后类似工程条件的设计提供借鉴。

关键词：钢弹簧浮置板、隔振、设计

1 西直门车站的周边环境及减振要求

北京市西直门--东直门城市铁路工程（以下简称“城铁”）是北京申奥承诺的轨道交通线路之一，是全国第一条集地下线、高架线、地面线为一体的快速轨道交通项目，全长40.6km。西直门车站是“城铁”的起点站。“城铁”西直门站位于繁华的西直门地区新建的西直门交通枢纽之中，与公交、国铁、环线地铁、水运等在交通枢纽中汇集。紧邻“城铁”西直门站西侧是华融公司已立项开发的三栋高层高档流

线形的写字楼；东侧是新改建的国铁北京北站；周围是公交站点；地下是环线地铁站。“城铁”西直门站为高架三层框架钢筋混凝土结构，站台层在第三层。除两条正线外还有一条存车线。“城铁”车站结构与相邻的流线形写字楼的地下结构连通为一体，地下为超市及停车场。

在西直门交通枢纽环境评估报告中明确要求，轨道交通的西直门站应考虑采取更有效的减振、隔振措施。市政府有关领导也指示，因西直门交通枢纽的远期高峰小时将有约5.2万人次换乘，且周围为高档写字楼，设计应以人为本，保护环境最为重要。单一从“城铁”的减振要求而言，因西直门车站处在的交通枢纽之中，对减振并无特殊要求。但是就尽可能减小轨道交通的振动对周边写字楼的影响及考虑减

小交通枢纽中的整体噪声水平、从而提高交通枢纽的综合环境水平而言，对轨道的减振水平要求又很高。因此，在西直门站轨道结构设计时，进行了以减振性能为主要因素的方案比选。

2 减振方案比选

在进行西直门车站初步设计时，根据西直门站的特殊地理位置及环境要求，对国内外的轨道减振措施进行了认真的理论分析及工程类比。综合其减振性能、工程可实施性、造价等因素，选择了四个方案进行比选。这四个方案分别是：轨道减振器扣件、弹性套靴式整体道床、美国Lord公司的胶结弹性扣件、德国隔而固（GERB）公司的钢弹簧浮置板道床。

前两个方案是国内已建和在建地铁项目中应用较多的轨道减振方案。如北京环线地铁的东四十条站采用了弹性套靴式减振型轨道，取得了预期的减振效果，其上方的保利剧院等建筑物，均未受到地铁列车运行的影响。轨道减振器扣件类似于德国的科隆蛋，已应用于上海地铁一、二号线的较高要求减振地段。这两种减振型轨道的振动加速度级减振效果一般为5~10dB。

后两个方案在国内还没有工程应用，国外则有很多的工程应用实例。胶结弹性扣件已应用于美国及其他国家和地区的地铁项目。一般减振效果可达10dB以上。钢弹簧浮置板道床应用于德国、英国、巴西和韩国等高铁和地铁项目。一般减振效果为25~40dB。深圳地铁一号线在地铁线路穿越市政府一段（双线255m），于2001年已决定采用该方案，并已经通过在铁道科学研究院的实尺模型试验。试验

的减振效果为40dB，隔振器下的地面未受到激振力的影响。从国外已采用钢弹簧浮置板道床的地铁运营情况看，被保护建筑物内均未受地铁列车运营所产生振动的影响。

类似于西直门站这种高架车站与周边建筑紧邻的情况在国内还是首例。这种工程条件下的隔振措施，还没有技术成熟且国内有应用实例的方案。在方案比选的过程中，从西直门站的结构型式、周边开发项目的性质、所处的地理位置和周边环境等方面综合考虑，并参考国外同类工程的应用经验，经过国外专家的技术咨询，推荐钢弹簧浮置板道床为实施方案。由于华融写字楼和“城铁”西直门交通枢纽属于同期规划，首规设委在[2000]765号文件中就北京西直门交通枢纽初步设计减振降噪标准及特殊隔振追加投资分摊问题进行了批复。“城铁”公司和华融公司按照首规委文件精神进行了多次磋商，并组织设计院、有关专家和隔振厂家进行多次技术交流和专家论证，从设计院提出的多种备选方按中，确定采用钢弹簧浮置板隔振技术方案。此处采用钢弹簧浮置板道床方案，其技术可靠、经济合理、社会效益好。正是西直门车站隔振要求这一工程急需才带来了钢弹簧浮置板在中国轨道交通中的应用及配套工程应用技术的发展。

3 钢弹簧浮置板道床隔振原理及技术特点

⑴钢弹簧浮置板道床隔振原理

钢弹簧浮置板道床是将具有一定质量和刚度的混凝土道床板浮置在钢弹簧隔振器上，构成质量－弹簧－隔振系统。隔振器内放有螺旋钢弹簧和粘滞阻尼。

尽管浮置板具有很多高阶振动模态，但对隔振效果起关键作用的是浮置板－弹簧系统的6个低阶刚体固有振动模态，其隔振原理仍然可以用单质量－单自由度振动体系来分析。假设激振力是一正弦函数，如图1。横坐标轴是激振频率与系统固有频率之比h，简称调谐比；纵坐标轴为传递到基础上的基础力振幅与激振力振幅之比VF，简称传递比。当调谐比接近1时，即当激振频率接近系统固有频率时，传递比大于1，系统处于共振区；而当调谐比大于以后，系统进入隔振区，传递比开始小于1，基础力动载振幅小于激振力振幅，激振力被惯性质量的惯性力部分平衡掉。而当调谐比远大于以后，质量块的惯性力与激振力相位相反，而数值接近，相互平衡掉，仅有静荷载和小部分残余动荷载通过弹簧阻尼元件传到基础上。

浮置板隔振系统的设计原则是，应使浮置板的结构固有频率避开地铁车辆运行时的激振频率，并使浮置板的6个刚体固有频率，尤其是垂向固有频率尽量远低于激振频率倍以下，可取得好的隔振效果。对于同一个激振频率，浮置板系统固有的频率越低，隔振效果越好。然而把浮置板隔振系统的固有频率做低并不容易，受很多条件制约，

增大质量往往受空间和结构承载强度限制；增加弹性元件的弹性受系统稳定性和安全性限制。

钢弹簧隔振器内有粘滞阻尼，使钢弹簧具有三维弹性，且横向刚度可以独立设计,可以设计出很高的横向稳定性，而橡胶的横向刚度很小，需横向限位装置，限制了垂向刚度的设计空间。与钢弹簧相匹配的粘滞阻尼也恰好具有三维以上的阻尼，增加了系统的各向稳定性和安全性，且能抑制和吸收固体声。

⑵钢弹簧浮置板道床系统参数设计的一般准则

浮置板系统设计基于2个关键参数，即在浮置板自重作用下弹簧压缩量和列车动荷载引起的压缩量。这两个参数一旦确定，就基本确定了浮置板的主要尺寸和隔振效果。首先，要根据列车轴重确定浮置板的每延米重量。该重量一般取值为最大轴重的25－30％。然后确定浮置板的厚度和宽度。浮置板的长度不仅对其动力学特性而且对浮置板系统的总造价都有影响。浮置板越短，接点越多，造价越高。最后再根据每延米重量选取隔振器的型号和数量，并验算弹簧变形和动变形。

主要设计步骤如下。

1) 根据激振频率ω，确定隔振系统的固有频率。

确定钢弹簧浮置板系统的自振频率是整个隔振设计的关键。而系统自振频率的取值与被保护对象（建筑）的种类，位置及环境条件有关。

2) 根据车辆轴重P确定隔振系统质量m：m=0.25~0.3P

一般情况下，要达到理想的隔振效果，作为参振质量的的浮置板较重，