蔣崇達,雷曉燕
(華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,江西南昌330013)
進入新世紀以來的城市化發展,其規模和人口持續攀升,現有的地面交通遠遠滿足不了大中城市的人員流動,城市軌道交通憑借其運量大、準時、安全可靠、候車環境舒適等優勢得到了廣泛的運用。但伴之而來的地鐵運營所引發的環境振動問題成為難以治愈的頑疾。鋼彈簧浮置板軌道已在我國得到大量運用。以剛開通的杭州地鐵1號線為例,線路全長53 km,其中有4.597 km運用了鋼彈簧浮置板隔振技術。目前,各學者針對鋼彈簧浮置板軌道做了大量的研究[1-3]。多針對軌道本身進行了細致分析,對其引發的大地振動并未詳細計算。本文以有限元軟件ANSYS為平臺,建立了軌道-隧道-大地耦合有限元模型,列車荷載通過多體動力學軟件SIMPACK模擬。分別從頻域和時域的角度分析鋼彈簧浮置板軌道引發的大地振動。
采用多體動力學軟件SIMPACK建立的地鐵B型車的精細化MBS模型。車體、轉向架、輪對均為剛體模型,共42個自由度;空氣彈簧、軸向彈簧、橫向減震器、橫向止檔等均根據相應力元單元模擬并連接上述剛體模型;輪對采用LM車輪踏面,車輛參數見文獻[4]。建立的單節B型車模型見圖1。軌道不平順選用美國6級譜,通過頻域法模擬后導入SIMPACK,采用軟件中09號不平順單元模擬。時間步長0.005 s,車速80 km·h-1。通過計算,第1輪對的垂向荷載(5 s)如圖2所示。
圖1 地鐵B型車MBS模型Fig.1 The subway B type car MBS model
鋼軌類型為CHN60,采用考慮Beam188梁單元進行網格劃分;扣件采用Combin14彈簧阻尼單元,剛度50 kN·mm-1、阻尼5×104Ns·m-1(本文將整體道床考慮為單層軌道,取兩軌道扣件相同);浮置板采用Shell63單元進行網格劃分,將其截面等效為面積相等的矩陣截面(厚0.4 m,寬3.2 m),采用C40混凝土;鋼彈簧支座只考慮豎向振動,采用Combin14彈簧阻尼單元進行網格劃分,剛度為6.9 kN·mm-1,阻尼為7.5×104Ns·m-1。隧道及土體參數來源于文獻[2]。襯砌采用Shell63單元,彈性模量為 3.5×104MPa,泊松比 0.25,密度2 500 kg·m-3。整體道床基礎厚度為0.635,浮置板基礎厚度為0.328,采用Solid45單元,彈性模量為2.85×104MPa,泊松比0.2,密度2 500 kg·m-3。土層采用Sol?id45單元,尺寸:豎向60 m、橫向100 m、縱向120 m。土體邊界采用等效粘彈性邊界。根據上述參數及單元,建立的計算模型見圖3。本文整體結構的阻尼比綜合混泥土和土體[5],取0.04。諧響應分析時,系統阻尼比取0.04;瞬態分析時ANSYS采用瑞利阻尼[6],本文瑞利阻尼系數取α=3.590 4、β=1.818 9e-4。
圖2 v=80km·h-1輪軌力Fig.2 v=80km·h-1wheel/rail force
圖3 兩種軌道形式的軌道-隧道-大地計算模型Fig.3 Two kinds of orbital forms of orbit-tunnel-the earth calculation model
根據單自由度隔振原理可知[7],固有頻率決定了結構的隔振效果?;贏NSYS模態分析可知上述兩種軌道基頻分別為182 Hz,9.1 Hz;可以初步判斷整體道床僅對257 Hz以上的外力開始隔振,
鋼彈簧浮置板則對應于12.86 Hz。事實上,軌道作為多自由度系統其含多個共振頻率,且軌道的受力形式為局部型加載。采用上述模型很難定量判斷其工作頻段及不利頻率。因此,有必要將軌道-大地作為耦合的大模型進行頻域計算,為工程實際提供參考依據。采用穩態解掃頻技術可快速判斷結構響應與頻率的關系,進而判別各軌道隔振能力。本文,加載點取中心斷面處的鋼軌節點,荷載幅值為72 kN,頻段為0~100 Hz。經計算,提取0,30,60,96 m結果,如圖4所示。
由圖4可以得出以下結論:
1)整體道床于0~100 Hz內同樣有著較大的衰減,其實質反映的是土體自身對外力的衰減;本文土質中,最不利頻率為5 Hz左右,60 m處對20~40 Hz的外力有著較大的共振現象。
2)兩種軌道結果于13 Hz左右有一交叉點,大致為鋼彈簧浮置板基頻的1.414倍;若根據單自由度隔振理論,剛好為其工作頻段的開始。
3)對于13 Hz以內,由于包含了鋼彈簧浮置板的基頻(9 Hz)故其結構響應要大于整體道床;共振現象隨著離軌道中心線距離的增大而減小并最終趨于相等;沿距離來看,30 m以內的共振現象衰減比例更大。
4)對于大于13 Hz的頻段,鋼彈簧浮置板的結構響應明顯更小。60 m左右,由于土體自身的影響,鋼彈簧浮置板于20~40 Hz處也略有放大。
圖4 加速度響應-激振頻率關系圖Fig.4 Acceleration response-vibration frequency relationship diagram
前面采用的是定點同幅值諧荷載下的掃頻分析,而列車運行所引發的輪軌力在各個頻段上的幅值是不同的。故有必要進行時域計算,對比兩種軌道所誘發的大地振動。
采用振動加速度級La對振動水平進行評價[8],計算方法如式(1)所示。
式中:La為振動加速度級,dB;arms為1/3倍頻程中心頻率對應的振動加速度有效值,m·s-2;a0為基準加速度,取10-6m·s-2
考慮到模型較大,車速較低,列車荷載僅考慮2節車地鐵車輛。時間步長0.005 s,車速80 km·h-1。浮置板板厚考慮3種:0.3,0.5,0.7 m,分別對應結構固有頻率11.2,8.1,6.67 Hz。經計算,輸出數據為距軌道中心線0,30,60,96 m的豎向加速度時程曲線。限于篇幅僅給出0 m處的時域結果,結果如圖5所示。
圖5 地表振動加速度對比(0 m)Fig.5 The surface vibration acceleration contrast(0 m)
根據圖5均方根加速度(root mean square,RMS)可知,采用鋼彈簧浮置板軌道可以大大的降低列車誘發的大地振動。從圖形來看,鋼彈簧浮置板軌道比整體道床更容易事先振動,靠近襯砌附近的土體可以更多的參與振動進而將能量擴散。
對4個拾取點的振動時程進行1/3倍頻程分析,以分析各頻段內兩種軌道引起的地表振動水平分布,結果如圖6所示。
圖6 地表振動加速度1/3倍頻程對比Fig.6 The surface vibration acceleration 1/3 octave contrast
圖6中橫坐標的增加幅度為2Λ1 3。由圖6可以得出以下結論:
1)采用整體道床時,列車運行誘發的大地振動主頻大致分布于30~60 Hz范圍內。由于土體的作用,一方面高頻振動得到了部分衰減,另一方面在30~60 Hz的共振區域內隔振效果欠佳。
2)當浮置板軌道板厚大于0.3 m后,在小于3 Hz的頻段內,兩種軌道誘發的振動水平相當。
4)降低浮置板軌道的固有頻率,可以擴大浮置板軌道的工作頻段,從而實現較好的低頻隔振。
5)整體道床沿線路方向的衰減要大于鋼彈簧浮置板軌道。因為在靠近線路中心處,鋼彈簧浮置板軌道能更好的將能量均攤。
6)浮置板軌道的最大衰減量可達40 dB,發生在距軌道中心線0 m處50 Hz的頻率。隨著距軌道中心線距離的增大,衰減趨于穩定,達到25 dB左右。
本文通過數值計算,可以得出以下結論:
1)建立軌道-大地耦合模型,采用諧響應的分析方法??啥康呐袛嘬壍赖墓ぷ黝l段及不利頻率,進而為后面時域分析提供依據。
2)由于土體和軌道的共同作用,鋼彈簧浮置板軌道基本上僅受基頻引發的共振放大。那么對其設計的重點應放在保證結構安全的情況下如何降低系統1階固有頻率,可對不同方案在中高頻的略微隔振差別不予考慮。
3)鋼彈簧浮置板基頻處的共振現象影響范圍不大,對于3 Hz~基頻的頻段很難得到衰減。由于土體的作用,30~60 Hz頻段仍有共振現象。土體本身特性對地表振動分布起到了較大影響??傮w看來,采用鋼彈簧浮置板軌道可以很好對中高頻外力進行衰減,最大衰減可達40 dB。
4)經過比對,鋼彈簧浮置板減振效果顯著,值得大力推廣應用。
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