鋼軌嵌入式軌道結(jié)構(gòu)及其設(shè)計優(yōu)化

摘　要　在對現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)類型進行分析的基礎(chǔ)上, 論述了嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念,對其設(shè)計優(yōu)化進行了初步研究,并分析了減振降噪的原理,提出了合理的下部基礎(chǔ)形式。
關(guān)鍵詞　軌道結(jié)構(gòu),整體道床軌道,嵌入式軌道
軌道結(jié)構(gòu)按其軌下基礎(chǔ)型式可分為有碴軌道和無碴軌道。有碴軌道作為傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu),其主要的缺點是養(yǎng)護維修費用較高。與有碴軌道相比, 無碴軌道具有少維修、結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性好的優(yōu)點,因此很適用于城市軌道交通。且已成為城市軌道交通中軌道結(jié)構(gòu)的主要型式。然而,由于無碴軌道下部基礎(chǔ)采用混凝土結(jié)構(gòu),與有碴軌道相比較, 會產(chǎn)生更大的振動和噪聲。因此,有必要發(fā)展新型的無碴軌道或?qū)ΜF(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)進行改善,即發(fā)展低噪聲少養(yǎng)護的軌道結(jié)構(gòu)。嵌入式鋼軌技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,代表著軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的巨大進步。
1 　嵌入式軌道結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu),其鋼軌和軌枕(或整體道床) 是通過扣件連接的,鋼軌的支撐和固定都是離散的,鋼軌完全暴露在空氣中。嵌入式軌道結(jié)構(gòu)則采用連續(xù)的固定和支撐方式,其基本做法是:用一種叫Corklast 的彈性體將鋼軌固定在鋼筋混凝土板整體道床的凹槽內(nèi),整個鋼軌幾乎完全埋置在彈性體中,除了必要的信號電纜和牽引供電電纜外,在鋼軌和混凝土之間以及兩條鋼軌之間沒有任何的機械聯(lián)結(jié)(圖1) 。嵌入式軌道結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)于傳統(tǒng)非連續(xù)支承軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)點: ① 減小了軌道結(jié)構(gòu)的厚度,厚度只有200 mm ; ② 不僅在設(shè)計上有很大的自由度,而且由于鋼軌是連續(xù)支撐的,減少了鋼軌疲勞的發(fā)生; ③ 不需要軌距拉桿、混凝土軌枕和鋼軌聯(lián)結(jié)部件; ④ 由于周圍的線路路基可以和鋼軌面齊平,對平交道口和庫內(nèi)工作很理想; ⑤ 具有良好的減振降噪性能和少養(yǎng)護維修的特點。

圖1 　嵌入式軌道結(jié)構(gòu)橫斷面圖
嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪原理主要體現(xiàn)在以下3 個方面: ① 鋼軌完全由槽內(nèi)彈性體和軌下彈性條連續(xù)固定和支承,優(yōu)化了整個軌道結(jié)構(gòu)在水平和豎向的剛度;其垂向彈性由軌下彈性條和槽內(nèi)彈性體共同提供,很大程度上模擬了傳統(tǒng)有碴軌道結(jié)構(gòu)的受荷響應(yīng)。② 傳統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)采用離散的鋼軌支承方式,在列車的反復(fù)荷載作用下,導(dǎo)致鋼軌產(chǎn)生不平順性,增加了軌道結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng);而嵌入式軌道結(jié)構(gòu)采用連續(xù)的彈性支承,大大降低了鋼軌的不平順性,從而減少了軌道結(jié)構(gòu)的振動。③ 由于鋼軌幾乎完全埋置在彈性體內(nèi),減少了噪聲源,也減少了噪聲的反射面積,起到了降噪的作用。荷蘭的實驗研究表明,同樣采用U IC 54 鋼軌,嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的噪聲只比傳統(tǒng)的有碴軌道結(jié)構(gòu)高2 dB (A) ,其減振效果在10 dB (A) 左右。
2 　嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化
對嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展就是優(yōu)化其減振降噪性能,降低其造價。由于嵌入式軌道結(jié)構(gòu)比較簡單,沒有扣件等連接零件,因此,其優(yōu)化的著眼點應(yīng)該是鋼軌本身和彈性體。為了降低列車通過時軌道結(jié)構(gòu)引起的振動和噪聲,荷蘭在開發(fā)板式軌道時,研制了軌頭形狀與U IC 54 相似的SA42 型矮軌,并采用嵌入式軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)(圖2) 。這種新型低噪聲嵌入式輕型鋼軌,每米僅重42 kg , 高8 cm , 其相應(yīng)的凹槽體積要小的多,從而可以節(jié)約多達60 % 的彈性體,減少了軌道結(jié)構(gòu)的高度,降低了工程造價。由于這種鋼軌矮胖,車輛通過時引起鋼軌腹板的振動頻率較低,提高了軌道結(jié)構(gòu)減振降噪效果,與采用U IC 54 鋼軌的有碴軌道結(jié)構(gòu)比較, 可以減少噪聲約5～7 dB (A) 。

圖2 　新型低噪音嵌入式鋼軌
3 　嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的下部基礎(chǔ)
嵌入式鋼軌的調(diào)整定位是一項復(fù)雜精密的工作,而且鋼軌定位以后就不能做橫向和豎向調(diào)整。因此,對其下部基礎(chǔ)提出了嚴格的要求。一般來說,有以下兩種類型的下部基礎(chǔ)適合于嵌入式軌道結(jié)構(gòu): ① 混凝土板式道床,這是最典型的嵌入式軌道結(jié)構(gòu),道床采用預(yù)應(yīng)力加強混凝土板,沿線路的縱向和橫向分別施加了比例高達1. 5 % 的預(yù)應(yīng)力。這種類型的軌道結(jié)構(gòu)在荷蘭的鐵路干線和輕軌線路上,尤其在橋梁和平交線路上,都有很大程度的使用,其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。② 采用箱型梁作為下部基礎(chǔ)。在這種軌道結(jié)構(gòu)中,箱型梁直接放在土路基上,路基的溝槽形狀和梁體相吻合;整個梁的重量不大于挖出的土體的重量,這樣梁下的土體不會發(fā)生大的沉降和變形(圖4) 。箱梁具有和橋梁相當(dāng)?shù)膿锨鷦偠?能夠保證軌道結(jié)構(gòu)正確的幾何形位, 因此非常適合于嵌入式軌道結(jié)構(gòu)。

圖3 　采用板式軌道結(jié)構(gòu)

圖4 　采用箱型梁軌道結(jié)構(gòu)
4 　結(jié)語
伴隨著城市軌道交通的大規(guī)模發(fā)展,軌道交通沿線噪聲和振動問題越來越引起人們的重視。嵌入式軌道結(jié)構(gòu)作為一種新型的減振降噪型軌道結(jié)構(gòu),在荷蘭至德國的運輸干線上已經(jīng)有17 年的運營經(jīng)驗,另外在歐洲很多地方的車站和橋梁上也得到了廣泛的應(yīng)用。由于嵌入式軌道結(jié)構(gòu)采用連續(xù)的彈性支承,鋼軌內(nèi)部的疲勞應(yīng)力很小,減少了鋼軌的磨耗,改善了車輛的運行性能,并一定程度上提高了列車運行的舒適度,軌道結(jié)構(gòu)非常安全。在使用壽命方面,嵌入式軌道結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的有碴軌道結(jié)構(gòu)長50 % 。荷蘭的研究表明,嵌入式軌道結(jié)構(gòu)不僅少振動低噪聲,而且其養(yǎng)護維修費用很低,總體造價比較經(jīng)濟,符合未來軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求。但是由于其施工工藝復(fù)雜,而且我國還沒有生產(chǎn)這種彈性體的廠家,因此,目前我國還不宜大規(guī)模鋪設(shè)。目前宜先進行室內(nèi)實驗研究,并在一些對噪聲和振動比較敏感的地段,考慮鋪設(shè)嵌入式軌道結(jié)構(gòu),以開展相應(yīng)的試驗工作。

參　考　文　獻
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