地鐵彈性長枕的技術(shù)優(yōu)勢及研究現(xiàn)狀論文
截至2013 年底，我國開通軌道交通的城市達到19 個，累計運營里程2746 公里， 2020 年線路規(guī)劃里程甚至超過一萬公里。軌道交通的蓬勃發(fā)展，給人們的出行提供了極大的方便，促進了經(jīng)濟與社會的發(fā)展。但是由列車運行產(chǎn)生的振動與噪聲，嚴重影響著沿線居民的工作和生活。對城市軌道交通進行振動與噪聲的研究，對于軌道交通的健康發(fā)展具有重要意義。文章對傳統(tǒng)中等減振措施與彈性長枕進行對比分析，并對近年來取得的一些理論成果進行了闡述。
1 彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)形式及減振機理
1.1 彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)形式
彈性長枕無砟軌道是在彈性支承塊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，彈性長枕的結(jié)構(gòu)形式為：采用的特殊預(yù)應(yīng)力混凝土枕增強了軌距保持能力;包裹支承塊的套靴被被包裹預(yù)應(yīng)力軌枕的兩端開啟式的橡膠靴替代，可以排除進入箱內(nèi)的雨水，并有利于結(jié)構(gòu)的施工和后期維護。
1.2 彈性長枕軌道減振機理
在彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)中，較低剛度的彈性墊層布設(shè)在軌枕底部，并置于橡膠套靴之上，實現(xiàn)了把長軌枕與道床隔離開的目的。當列車通過彈性長軌枕時，垂直方向被壓縮一定的距離，但由于起緩沖作用的彈性墊層的存在，從而達到了減振的目的。
2 傳統(tǒng)地鐵常用中等軌道減振措施所面臨的問題
國內(nèi)傳統(tǒng)地鐵常用中等軌道減振措施主要有軌道減振器扣件及彈性短軌枕。
2.1 軌道減振器
軌道減振器又稱科隆蛋，最早由德國設(shè)計并實際應(yīng)用，隨后被許多國家所采用。我國也在上海和廣州地鐵中采用了該扣件。軌道減振器扣件良好的減振性能在開通運營后得到完美體現(xiàn)，滿足了對減振降噪預(yù)期的設(shè)計要求。但是，軌道減振器在我國的應(yīng)用并不理想，主要是存在著以下幾個缺點：其減振性能在運營一年以后衰減較快，減振性能約衰減20%;一旦橡膠失效，需成套更換;長時間運營后，誘發(fā)嚴重的鋼軌波磨。
2.2 彈性短軌枕
彈性短軌枕軌道結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用并具有良好的減振降噪性能，但有以下幾個缺點：施工質(zhì)量對彈性軌枕減振效果影響較大;套靴中夾入雜物或短軌枕與套靴綁扎不密貼，會導(dǎo)致病害的出現(xiàn)，且減振性能也會大打折扣;彈性層失效后不易被檢測發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)后，更換也很麻煩;軌距和軌底坡調(diào)整困難;在曲線地段鋼軌產(chǎn)生嚴重的波浪磨耗。
3 中等減振措施中彈性長枕存在的優(yōu)勢
彈性長枕軌道的雛形，最早由日本于20 世紀70 年代提出。彈性長枕軌道作為一種新型減振降噪軌道結(jié)構(gòu)，廣泛的應(yīng)用于很多國家。彈性長枕軌道主要存在以下幾點技術(shù)優(yōu)勢：彈性長枕軌道的軌枕設(shè)計成長枕，增強了軌排結(jié)構(gòu)的整體性，提高了軌枕穩(wěn)定性;在道床上設(shè)計了中央排水溝，便于橡膠套靴中的積水盡快排出;檢查和更換彈性墊層方便。
4 我國彈性長枕式無砟軌道的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀
4.1 我國彈性長枕無砟軌道的應(yīng)用
相對其他國家對彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，我國的應(yīng)用較少。僅在北京地鐵機場線、蘭新二線的'烏鞘嶺隧道、上海地鐵7 號線、北京地鐵9 號線有少量鋪設(shè)。
4.2 我國彈性長枕無砟軌道的研究現(xiàn)狀
近幾年，我國學(xué)者才開始關(guān)注彈性長枕這一新型軌道結(jié)構(gòu)型式，并對其進行了一些理論和實驗研究。以下介紹我國彈性長枕無砟軌道研究現(xiàn)狀。
吳曾等人建立無砟軌道彈性長枕梁-梁-板模型，分析了行車速度與垂向位移、加速度的關(guān)系;行車速度與扣件瞬時上拔力的關(guān)系;垂向位移、加速度分別與軌道結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的關(guān)系;進一步分析了不同軌道結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量下彈性長枕的動力響應(yīng);找出了軌道結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量與垂向速度、加速度等的關(guān)系;最后計算了不同列車速度下的動力響應(yīng)。
王偉華等人對彈性長枕無砟軌道進行了穩(wěn)定性分析。通過建立彈性長枕模態(tài)分析及抗翻轉(zhuǎn)剛度模型，得出結(jié)論：軌枕的埋深對抗翻轉(zhuǎn)剛度的影響更大;得出了彈性長枕支承剛度及埋深的合理取值。趙信洋運用ANSYS 軟件建立彈性長枕垂向受力模型，分析了彈性長枕軌下及枕中彎矩在不同枕長和不同支撐長度下的數(shù)值，得出以0.4 作為彈性長枕枕長與支撐長度的合理比例關(guān)系。
范志材利用ANSYS/LS-DYNA 軟件和落軸試驗原理，對橋上彈性長枕無砟軌道的枕下、軌下剛度進行分析，并給出了合理的取值范圍;利用SIMPACK 軟件建立車輛-軌道-線路模型，分別分析了列車各輪軌力在同一速度和不同速度條件下的變化規(guī)律;利用ANSYA 建立橋上彈性長枕無砟軌道模型進行模態(tài)分析，并分析不同速度的軌下剛度、枕下剛度和輪軌力對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。
焦雷建立車輛-軌道-下部基礎(chǔ)空間耦合動力學(xué)模型，分別從直線與曲線地段分析了結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng);從頻域分析的角度，采用模態(tài)分析、荷載沖擊數(shù)值模擬和行車過程仿真分析三種方法對地鐵彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)減振效果進行分析;針對軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，分別對地鐵直線段和曲線段軌道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性進行研究。
趙磊等人建立了預(yù)應(yīng)力配筋彈性長枕并考慮實際截面尺寸的新型計算模型。分兩種情況分析了枕下套靴硬化對軌枕強度的影響，分析出了枕中裂紋產(chǎn)生原因，并對套靴硬化給出限制建議。
姜浩等人建立彈性長枕三維有限元模型，對不同參數(shù)的軌道結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理匹配。并對三種減振型軌枕進行穩(wěn)定性對比分析，得出結(jié)論;彈性長枕的結(jié)構(gòu)最優(yōu)。
綜上所述，相比軌道減振器和彈性短軌枕，彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)擁有明顯的技術(shù)優(yōu)勢、減振效果較好。結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和匹配對充分發(fā)揮減振效果至關(guān)重要。
5 結(jié)束語
作為一種新型且具有中等減振功能的軌道結(jié)構(gòu)，相對傳統(tǒng)中等減振措施，彈性長枕有相當多的優(yōu)點。隨著傳統(tǒng)中等減振措施所暴露出的缺陷，以及彈性長枕軌道結(jié)構(gòu)在我國的逐步應(yīng)用，彈性長枕軌道必將會被越來越多的設(shè)計、施工、運營單位所認可。雖然我國學(xué)者對彈性長枕進行了一些研究，但是彈性長枕的一些結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)尚未很明確，這就要求科研工作者對其進行進一步的理論和試驗研究，進而創(chuàng)造更好的經(jīng)濟和社會效益，造福全人類。
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