浮置板軌道設計

摘 要：隨著城市軌道交通在國內的快速發展，運營所產生的振動及噪聲污染問題將越來越突出，本文簡述了地鐵減振降噪的必要性，以及世界各國所采用的減振軌道類型，并著重介紹了浮置板減振軌道的設計和在廣州地鐵的應用情況。
關鍵詞：減振降噪、浮置板軌道、自振頻率、設計
1概述
地下鐵道是城市現代化必然的交通運輸工具，具有運量大、速度快、安全可靠、時間準確的優點，已成為解決城市交通擁擠、噪聲和大氣污染的一項可行性措施。另一方面,地下鐵道產生的振動對環境的影響又是世界各國普遍重視的一個問題。地鐵列車運營時產生的振動和噪聲，均來自于輪軌系統中各結構不同頻率的振動。這些振動,一部分通過空氣或周邊結構物的反射，以噪聲的形式擴散；另一部分，主要是低頻振動，則通過軌道結構向軌下基礎及周邊結構物傳播，對地面建筑物產生影響。如果建筑結構的自振頻率與所傳來振動的頻率相近，則振動的危害尤其顯著。一列地鐵列車通過時在建筑物上引起振動的持續時間大約為10秒鐘。在一條地鐵線路上，高峰時在兩個方向一小時內可以通過30對列車或更多一些。因而，振動作用持續的時間，可以達到地鐵總工作時間的15～20%。運營列車通過時產生的振動和噪聲,容易引起人疲勞和精力不集中,給工作和生活帶來不利影響,因此，地鐵運行中對環境產生的影響不能忽視。根據國家環保標準《城市區域環境振動標準》（GB10070-88），凡振動超標地段均應采取可行的減振措施，把地鐵列車運營產生的振動控制在國家環保標準以內。
2國內外減振軌道結構型式
減振按對象可分為主動減振和被動減振，我們對地鐵軌道采取減振措施則屬于主動減振；按減振形式可分為緩沖減振和隔離減振兩種形式，緩沖減振通常是僅對軌道上部建筑，如鋼軌、扣件和軌枕等用彈性體來緩沖和衰減車輛運行傳來的振動；隔離減振通常是把軌道的道床與結構基礎用彈性體整體隔離，車輛運行傳來的振動。 1、緩沖減振結構形式
1） 埋入式軌道
埋入式軌道即把鋼軌用彈性體置入混凝土軌道槽內，埋入深度至軌頭下部，通過彈性體的彈性變形來獲得減振降噪性能。其結構特點是將輪軌振動能量轉化為熱能并予以吸收，從而降低輪軌噪聲。在高架線路上，與普通鋼軌相比較，其車外噪聲級可降低4dB(A),同時，也可降低對橋梁的振動。
2）普通道床高彈性扣件軌道
高彈性扣件使鋼軌在車輪荷載作用下有較大的撓曲，從而降低上部建筑的力學阻抗，減小振動的激發，原西德地鐵1978年研制的“科隆蛋”扣件就是這種扣件的典型。科隆蛋扣件充分利用橡膠圈的剪切變形，節點垂向剛度為12～20kN/mm。減振效果在30～50Hz頻率范圍內達6～10dB。
3）彈性短軌枕整體道床
這種軌道結構在地鐵、輕軌交通和高速鐵路應用較為廣泛。由于枕下設有彈性很好的膠墊，垂直支承剛度約為10～30kN/mm，在縱向和橫向也由橡膠套提供了一定的彈性，因而具有較好的振動、噪聲衰減特性。彈性短軌枕整體道床在瑞士、法國、美國等城市地鐵以及日本高速鐵路、英吉利海峽海底隧道中廣泛應用，國內在廣州地鐵二號線也已研制成功，減振性能可達8～12dB。
2、隔離減振結構形式
1)縱向軌枕式浮置板軌道
縱向軌枕式浮置板軌道是由原蘇聯學者克拉夫欽科建議的在隧道中使用的新型軌道結構，這種結構的特點是把鋼軌置于沿線路縱向排列的鋼筋混凝土縱向軌枕上，縱枕與基礎間放置防枕墊板。由于縱向軌枕的重量較大，有助于振動的衰減。這種軌道于1983年開始鋪設，經數年的使用證明：線路狀態良好，減振效果明顯，與木枕混凝土整體道床相比：隧道襯砌表面垂向振動頻率在12.5～80Hz范圍內，可減振10～20dB。與板式浮置板軌道相比，其最大優點是容易維修，縱枕下防振墊板易于更換。
2）浮置板軌道
浮置板軌道，顧名思義就是通過彈性體把軌道結構上部建筑與基礎完全隔離，使其處于懸浮狀態，建立質量－彈簧的單自由度系統，利用整個道床在彈性體上進行慣性運動來隔離和衰減列車運行產生的振動。目前采用的彈性體主要有螺旋鋼彈簧和橡膠彈簧兩種。由于其結構特點，其減振性能目前是所有減振形式中最優越的，適用于線路從敏感建筑物下面或附近通過，且對建筑隔振要求較高的場合，如住宅、音樂廳、醫院、學校、賓館等場所，所以得以在全球城市軌道系統中廣泛采用。浮置板軌道結構于1968年由德國科隆地鐵首次采用，后來在德國的波恩、漢堡、慕尼黑、法國的南特、魯昂、美國的巴爾的摩、華盛頓、紐約、波斯頓、亞特蘭大、加拿大的多倫多、新加坡、香港、廣州地鐵等城市地鐵中都采用了這種浮置板軌道系統。本文將主要介紹廣州地鐵一號線浮置板（橡膠彈簧）軌道的設計。
3設計原理分析
3.1設計原理
浮置板隔振軌道結構又稱質量彈簧系統，其基本原理是在軌道上部建筑與基礎間插入一固有振動頻率遠低于激振頻率的線性諧振器，即將道床板置于橡膠彈簧上，通過質量——彈簧系統的慣性運動，把列車運營產生的振動進行較大衰減后，再傳遞給隧道主體結構，以達到減振的目的。 3.2浮置板減振系統自振頻率計算
浮置板隔振軌道的設計要點，是質量——橡膠彈簧體系自振頻率υ的設計。將浮置板表示為如圖所示的單自由度體系，其自振頻率為： υ=(K/me)1/2/2π
式中 K——橡膠彈簧剛度
me——當量質量

單自由度系統具有以下特點：當激振頻率與系統自振頻率相近時會產生共振，激振頻率與自振頻率的比值為1.5倍時，激勵振幅就小于系統靜變形，而且激振頻率與自振頻率的比值越大，激勵振幅就越小，在二者比值達到2.5～3以上時，激勵振幅就遠遠小于系統靜變形。根據以上分析，為了提高系統減振效果，減小系統的激勵振幅，就必須使系統的自振頻率盡可能的比激振頻率小，而人易感受到的振動和噪聲的主要振幅在31.5～250Hz之間，其中中低頻振動的影響最大。要提高浮置板軌道的低頻隔振效果，則應盡可能降低浮置板系統的自振頻率。由上式可知，通過增加參振質量和減小減振彈簧剛度可降低浮置板系統自振頻率，但浮置板軌道往往受主體結構高度控制，參振質量必然受限，若延長浮置板長度，又會增加施工難度。橡膠彈簧剛度值的大小，也與軌道結構的安全性及使用壽命密切相關，因此必須綜合考慮各項因素的影響。