浅谈地铁弹性长枕的技术优势及研究现状

浅谈地铁弹性长枕的技术优势及研究现状

截至2013 年底,我国开通轨道交通的城市达到19 个,累计运营里程2746 公里, 2020 年线路规划里程甚至超过一万公里。轨道交通的蓬勃发展,给人们的出行提供了极大的方便,促进了经济与社会的发展。但是由列车运行产生的振动与噪声,严重影响着沿线居民的工作和生活。对城市轨道交通进行振动与噪声的研究,对于轨道交通的健康发展具有重要意义。文章对传统中等减振措施与弹性长枕进行对比分析,并对近年来取得的一些理论成果进行了阐述。

1 弹性长枕轨道结构形式及减振机理

1.1 弹性长枕轨道结构形式

弹性长枕无砟轨道是在弹性支承块的基础上发展起来的,弹性长枕的结构形式为：采用的特殊预应力混凝土枕增强了轨距保持能力;包裹支承块的套靴被被包裹预应力轨枕的两端开启式的橡胶靴替代,可以排除进入箱内的雨水,并有利于结构的施工和后期维护。

1.2 弹性长枕轨道减振机理

在弹性长枕轨道结构中,较低刚度的弹性垫层布设在轨枕底部,并置于橡胶套靴之上,实现了把长轨枕与道床隔离开的目的。当列车通过弹性长轨枕时,垂直方向被压缩一定的距离,但由于起缓冲作用的弹性垫层的存在,从而达到了减振的目的。

2 传统地铁常用中等轨道减振措施所面临的问题

国内传统地铁常用中等轨道减振措施主要有轨道减振器扣件及弹性短轨枕。 2.1 轨道减振器

轨道减振器又称科隆蛋,最早由德国设计并实际应用,随后被许多国家所采用。我国也在上海和广州地铁中采用了该扣件。轨道减振器扣件良好的减振性能在开通运营后得到完美体现,满足了对减振降噪预期的设计要求。但是,轨道减振器在我国的应用并不理想,主要是存在着以下几个缺点：其减振性能在运营一年以后衰减较快,减振性能约衰减20%;一旦橡胶失效,需成套更换;长时间运营后,诱发严重的钢轨波磨。

2.2 弹性短轨枕

弹性短轨枕轨道结构得到广泛应用并具有良好的减振降噪性能,但有以下几个缺点：施工质量对弹性轨枕减振效果影响较大;套靴中夹入杂物或短轨枕与套靴绑扎不密贴,会导致病害的出现,且减振性能也会大打折扣;弹性层失效后不易被检测发现,即使发现后,更换也很麻烦;轨距和轨底坡调整困难;在曲线地段钢轨产生严重的波浪磨耗。

3 中等减振措施中弹性长枕存在的优势

弹性长枕轨道的雏形,最早由日本于20 世纪70 年代提出。弹性长枕轨道作为一种新型减振降噪轨道结构,广泛的应用于很多国家。弹性长枕轨道主要存在以下几点技术优势：弹性长枕轨道的轨枕设计成长枕,增强了轨排结构的整体性,提高了轨枕稳定性;在道床上设计了中央排水沟,便于橡胶套靴中的积水尽快排出;检查和更换弹性垫层方便。

4 我国弹性长枕式无砟轨道的应用及研究现状

4.1 我国弹性长枕无砟轨道的应用

相对其他国家对弹性长枕轨道结构的广泛应用,我国的应用较少。仅在北京地铁机场线、兰新二线的乌鞘岭隧道、上海地铁7 号线、北京地铁9 号线有少量铺设。

4.2 我国弹性长枕无砟轨道的研究现状

近几年,我国学者才开始关注弹性长枕这一新型轨道结构型式,并对其进行了一些理论和实验研究。以下介绍我国弹性长枕无砟轨道研究现状。

吴曾等人建立无砟轨道弹性长枕梁-梁-板模型,分析了行车速度与垂向位移、加速度的关系;行车速度与扣件瞬时上拔力的关系;垂向位移、加速度分别与轨道结构刚度和质量的关系;进一步分析了不同轨道结构刚度和质量下弹性长枕的动力响应;找出了轨道结构刚度和质量与垂向速度、加速度等的关系;最后计算了不同列车速度下的动力响应。

王伟华等人对弹性长枕无砟轨道进行了稳定性分析。通过建立弹性长枕模态分析及抗翻转刚度模型,得出结论：轨枕的埋深对抗翻转刚度的影响更大;得出了弹性长枕支承刚度及埋深的合理取值。赵信洋运用ANSYS 软件建立弹性长枕垂向受力模型,分析了弹性长枕轨下及枕中弯矩在不同枕长和不同支撑长度下的数值,得出以0.4 作为弹性长枕枕长与支撑长度的合理比例关系。

范志材利用ANSYS/LS-DYNA 软件和落轴试验原理,对桥上弹性长枕无砟轨道的枕下、轨下刚度进行分析,并给出了合理的取值范围;利用xxxx 软件建立车辆-轨道-线路模型,分别分析了列车各轮轨力在同一速度和不同速度条件下的变化规律;利用ANSYA 建立桥上弹性长枕无砟轨道模型进行模态分析,并分析不同速度的轨下刚度、枕下刚度和轮轨力对结构动力响应的影响。

焦雷建立车辆-轨道-下部基础空间耦合动力学模型,分别从直线与曲线地段分析了结构的动力响应;从频域分析的角度,采用模态分析、荷载冲击数值模拟和行车过程仿真分析三种方法对地铁弹性长枕轨道结构减振效果进行分析;针对轨道结构参数的变化,分别对地铁直线段和曲线段轨道结构的动力学特性进行研究。

赵磊等人建立了预应力配筋弹性长枕并考虑实际截面尺寸的新型计算模型。分两种情况分析了枕下套靴硬化对轨枕强度的影响,分析出了枕中裂纹产生原因,并对套靴硬化给出限制建议。

姜浩等人建立弹性长枕三维有限元模型,对不同参数的轨道结构进行模态分析,得出结构参数的合理匹配。并对三种减振型轨枕进行稳定性对比分析,得出结论;弹性长枕的结构最优。

综上所述,相比轨道减振器和弹性短轨枕,弹性长枕轨道结构拥有明显的技术优势、减振效果较好。结构参数的选择和匹配对充分发挥减振效果至关重要。

5 结束语

作为一种新型且具有中等减振功能的轨道结构,相对传统中等减振措施,弹性长枕有相当多的优点。随着传统中等减振措施所暴露出的缺陷,以及弹性长枕轨道结构在我国的逐步应用,弹性长枕轨道必将会被越来越多的设计、施工、运营单位所认可。虽然我国学者对弹性长枕进行了一些研究,但是弹性长枕的一些结构和性能参数尚未很明确,这就要求科研工作者对其进行进一步的理论和试验研究,进而创造更好的经济和社会效益,造福全人类。