無(wú)碴型預(yù)制混凝土縱梁新型軌道結(jié)構(gòu)的研究

 
      1．2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

      縱粱下采用類似浮置板軌道中的彈性橡膠支座支承，可以有效過(guò)濾中、高頻段的振動(dòng)，減輕列車振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響。通過(guò)軌下墊扳和橡膠支座剛度的合理匹配，可以使軌道整體剛度大大降低。另外如果采用不分開(kāi)式扣件，軌下墊板可以連續(xù)鋪設(shè)，對(duì)于城市輕軌和地鐵的減振、降噪效果顯著。

      1．3 外型尺寸

      (1)長(zhǎng)度。考慮到混凝土縱梁上扣件支點(diǎn)間距、兩縱梁?jiǎn)栠B接鋼管間距、縱梁底部支座間距及相互間匹配，初步選定的幾種縱梁長(zhǎng)度見(jiàn)表1。本文中采用的長(zhǎng)度為7．5 m。

      (2)梁寬及梁高。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，考慮結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度，以設(shè)置扣件裝置、錨固所需最小長(zhǎng)度來(lái)確定梁寬和梁高，初步確定梁寬為450 mm，梁高為180 mm。根據(jù)所選定的梁寬，預(yù)制混凝土縱梁支承軌道結(jié)構(gòu)的整體寬度為1 975 mm。

      (3)扣件節(jié)點(diǎn)間距、鋼管間距、支座間距。縱梁扣件節(jié)點(diǎn)間距設(shè)置為625 mm。從設(shè)計(jì)角度考慮，即使扣件支點(diǎn)間距選擇再大一些，也不會(huì)影響軌道強(qiáng)度、軌道框架的橫向阻力、道床應(yīng)力及列車運(yùn)行的平順性，而且可以節(jié)約工程造價(jià)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)間距和縱梁長(zhǎng)度，相應(yīng)的連接鋼管間距設(shè)置為2 500 mm；縱梁下橡膠支座(無(wú)碴型)間距設(shè)置為1 500 mm。

      (4)縱梁連接與定位。相鄰兩縱粱的連接是采用連接夾板將其相鄰端部連接起來(lái)；縱粱縱橫向定位采用設(shè)在縱梁兩側(cè)的柱型擋臺(tái)型式，也可采用和板式軌道相同的凸形擋臺(tái)。

      2 縱梁支承軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜力分析

      為了評(píng)估縱梁支承軌道在城市地鐵、輕軌運(yùn)營(yíng)條件下的動(dòng)力性能以及對(duì)機(jī)車車輛運(yùn)行安全性、舒適性的影響，同時(shí)也為了確定軌下墊板和縱梁下彈性橡膠支座的最佳剛度匹配，并確?？v梁支承軌道必要的承載能力，對(duì)縱梁支承軌道進(jìn)行了動(dòng)、靜力分析。模型采用廣州地鐵車輛參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

      2．1動(dòng)力分析

      (1)城市輕軌中設(shè)置橡膠支座的無(wú)碴型縱梁支承軌道的輪軌作用力、軌道動(dòng)力響應(yīng)隨著行車速度的提高而增大。在80 120 km／h速度范圍內(nèi)，車輛的輪軌作用力為90～112 kN(動(dòng)力系數(shù)為1．15～1．40)。在車輛荷載作用下，鋼軌加速度為100g～170g、縱梁加速度為5g～15g、鋼軌支點(diǎn)反力為35～50 kN、橡膠支座反力為50～70 kN。

      (2)城市輕軌中設(shè)置橡膠支座的無(wú)碴型縱梁支承軌道，在80～120 km／h速度范圍內(nèi)車輛的車體振動(dòng)加速度為0．09g～0．12g，車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)為優(yōu)良。

      (3)城市輕軌中設(shè)置橡膠支座的無(wú)碴型縱梁支承

      軌道，軌下膠墊剛度的大小對(duì)車體振動(dòng)加速度以及車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性基本沒(méi)有影響，它主要影響軌道的動(dòng)力響應(yīng)。在橡膠支座剛度相同的條件下，隨著軌下膠墊剛度的增大，鋼軌位移減小、鋼軌加速度也略有減小，而鋼軌支點(diǎn)壓力、縱梁加速度呈增大趨勢(shì)。當(dāng)軌下膠墊剛度從40 kN／mm 增大到60 kN／mm 時(shí)，鋼軌位移、加速度均減小，但幅度不大，鋼軌支點(diǎn)壓力和縱梁加速度則有一定程度的增加。因此軌下膠墊的剛度對(duì)鋼軌位移、鋼軌支點(diǎn)壓力、縱梁加速度影響最大，減小軌下膠墊剛度可減輕軌下基礎(chǔ)的動(dòng)力作用。

      (4)城市輕軌中設(shè)置橡膠支座的無(wú)碴型縱梁支承軌道，橡膠支座剛度的大小對(duì)車體振動(dòng)加速度以及車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性有一定的影響，但并不顯著。在軌下膠墊剛度相同的條件下，隨著橡膠支座剛度的增大，鋼軌位移、縱梁位移顯著減小，橡膠支座反力則顯著增大，鋼軌支點(diǎn)壓力略有增加，而鋼軌加速度和縱梁加速度則變化不大。當(dāng)橡膠支座剛度從10 kN／mm增大到40 kN／mm時(shí)，鋼軌位移和縱梁位移均大幅減小、橡膠支座反力增加、鋼軌支點(diǎn)壓力增加，可見(jiàn)，橡膠支座剛度對(duì)鋼軌位移、縱梁位移、橡膠支座反力影響最大，減小橡膠支座剛度可減輕縱梁下基礎(chǔ)振動(dòng)。

      (5)混凝土縱梁之間的連接對(duì)減輕軌道的動(dòng)力作用有好處，當(dāng)縱梁下采用橡膠支座時(shí)這種作用更明顯。

      2．2 靜力分析

      (1)結(jié)合動(dòng)力分析結(jié)果，通過(guò)不同剛度匹配的計(jì)算，確定軌下墊板剛度取60 kN／mm、橡膠支座剛度取20 kN／mm時(shí)，系統(tǒng)減振及承載性能為最佳。

      (2)梁高從15 cm到25 cm變化，縱梁的彎矩增幅顯著，其中正彎矩最大增幅可達(dá)ll0％ ；因此在確保承載能力的前提下，選擇梁高×梁寬的最小斷面較為經(jīng)濟(jì)合理。

      (3)相鄰縱梁之間連接和不連接的情況只對(duì)荷載加至縱梁端鋼軌上方時(shí)的縱梁負(fù)彎矩有影響，對(duì)于其它工況，縱梁的受力狀態(tài)在連接前后無(wú)明顯差異。所以對(duì)于縱梁梁端連接，從靜力分析的角度來(lái)看只是對(duì)縱梁所受負(fù)彎矩有一定影響，對(duì)于正彎矩影響甚微。

      (4)根據(jù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，確定縱梁支承軌道的設(shè)計(jì)彎矩為M+=21 kN•m，M-=-21 kN•m；設(shè)計(jì)剪力p=80 kN。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

      3 縱梁支承軌道的靜載和減振試驗(yàn)研究

      通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及落錘沖擊試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)、各部件及軌道結(jié)構(gòu)的承載性能和減振性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

      試驗(yàn)包括縱梁正彎矩加載試驗(yàn)、縱梁負(fù)彎矩加載試驗(yàn)、縱梁抗剪試驗(yàn)、縱梁連接鋼管的彎曲試驗(yàn)、縱梁軌道保持軌距的試驗(yàn)、縱梁200萬(wàn)次加載疲勞試驗(yàn)、減振性能試驗(yàn)。

      3．1 靜載、疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

      (1)對(duì)縱梁正彎矩進(jìn)行加載試驗(yàn)，加至規(guī)定檢驗(yàn)荷載并靜停3 min，縱梁兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋，說(shuō)明縱梁承受正彎矩的能力是足夠的，同時(shí)連接鋼管應(yīng)變也非常小，說(shuō)明承受對(duì)稱荷載時(shí)，無(wú)論縱梁底部是否有支承，連接鋼管基本不受力。試驗(yàn)加載如圖3所示。

      (2)對(duì)縱梁施加不對(duì)稱荷載時(shí)，連接鋼管具有足夠的彎曲承載強(qiáng)度。當(dāng)縱梁一側(cè)在荷載作用下已經(jīng)開(kāi)裂，鋼管受到最大應(yīng)力僅為165 MPa，只達(dá)到屈服強(qiáng)度的一半，具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

      (3)對(duì)縱梁進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，荷載達(dá)到抗剪檢驗(yàn)值80 kN時(shí)，縱梁無(wú)裂紋出現(xiàn)；當(dāng)荷載加至100 kN時(shí)，支座和加載點(diǎn)之間開(kāi)始出現(xiàn)斜裂紋。這說(shuō)明縱梁的抗剪能力是有保證的，即使在橡膠支座失效狀態(tài)下，目前的抗剪設(shè)計(jì)也能滿足要求。

      (4)負(fù)彎矩試驗(yàn)同抗剪試驗(yàn)相似，荷載達(dá)到檢驗(yàn)值時(shí)，兩側(cè)縱梁均未開(kāi)裂；繼續(xù)加至120％ 檢驗(yàn)值，單側(cè)縱梁開(kāi)裂，但裂紋很細(xì)，且深度不大，加載點(diǎn)處縱梁撓度為4．04mm，說(shuō)明縱梁的負(fù)彎矩承載力也是足夠的。

      (5)進(jìn)行保持軌距加載試驗(yàn)時(shí)，軌距擴(kuò)大最大值為2．99 mm，說(shuō)明縱梁型式完全能夠滿足結(jié)構(gòu)對(duì)保持軌距的要求。圖4為橫向加載和軌頭橫移的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

      (6)在對(duì)縱梁進(jìn)行200萬(wàn)次疲勞加載后，其四個(gè)側(cè)面殘余裂縫的寬度均在0．05 mm 以下，說(shuō)明縱梁的疲勞性能滿足要求。

      3．2 減振性能試驗(yàn)分析

      試驗(yàn)用軌下墊板的剛度均為60 kN／mm，縱梁下橡膠支座的剛度也控制在15～20 kN／mm。從整個(gè)試驗(yàn)的情況來(lái)看，縱梁邊緣振動(dòng)加速度約在28．9 ～59．7g之間，整體道床邊緣約在0．15g～0．38g之間，地面振動(dòng)加速度約在0．008 9g～0．02g之間。從軌下連續(xù)支承和點(diǎn)支承的對(duì)比分析看，采用彈性連續(xù)支承的效果比點(diǎn)支承的方式要好，但二者的區(qū)別并不明顯。

      越靠近軌道結(jié)構(gòu)底部的隔振元件，減振的效果越明顯。隨著隔振元件的下移，單趾彈簧扣件、軌道減振器、彈性支承塊式、浮置板的減振效果越來(lái)越明顯，無(wú)碴型縱梁軌道的減振效果和普通浮置板的SA型相當(dāng)，效果要優(yōu)于彈性支承塊式和軌道減振器等軌道上部結(jié)構(gòu)的減振方式。這對(duì)于城市地鐵和輕軌的減振(尤其是高架橋上)是非常有利的，另外如果考慮軌下彈性墊板的連續(xù)支承，還可以起到降低輪軌接觸產(chǎn)生的噪音。表2為各種彈性軌道結(jié)構(gòu)的減振對(duì)比分析。

      根據(jù)頻譜分析的結(jié)果，縱梁支承軌道道床邊緣振動(dòng)加速度的第一主頻為70 Hz。從圖中不難看出，無(wú)碴型縱梁軌道道床邊緣的振動(dòng)能量分布在0～100 Hz之間。圖5為道床邊緣加速度的功率譜分析。

      4 結(jié)語(yǔ)