市域快线钢弹簧浮置板轨道动力特性及振动传播规律

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目前现代化都市圈建设上升为国家战略。市域快线可大幅缩短通勤时间、实现都市圈内部互联互通、促进区域协调发展,已成为都市圈建设的重要引领。市域快线由于设计时速高、列车轴重大、车站间距远,导致列车对轨道结构的冲击作用增大,势必产生严重的轨道交通振动问题,进而影响市域快线安全、绿色发展。钢弹簧浮置板轨道作为特殊减振措施已在地铁线路广泛应用,但市域快线与地铁制式不同,实际工程尚极少采用该结构,对其缺乏深入研究。因此,亟待对市域快线钢弹簧浮置板轨道的动力学特性及其引起的环境振动规律开展研究,以指导市域快线的减振轨道设计。本文以市域快线引起的环境振动问题为研究背景,基于振动产生原理及其传播理论,建立了精细的列车-浮置板轨道-隧道-土体一体化分析模型,详细分析了市域列车以时速160km运行时钢弹簧浮置板轨道系统的动力学特性;基于现场测试分析轨道结构振动传递特性,并研究了市域快线振动在地层中的传播规律及其影响因素;依托某拟建大型建筑工程实例,分析线路运营对临近建筑振动影响。研究具体结论如下:(1)基于对市域快线及相关技术标准的研究总结,确定本文市域快线速度目标值为160km/h,以采用市域D型车的钢弹簧浮置板轨道线路为研究对象。基于钢轨-扣件-浮置板-隔振器有限元轨道模态分析模型,分析了浮置板轨道主要设计参数对模态的影响。规律如下:增大浮置板道床质量可降低系统固有频率,前两阶频率随着板厚的增大而减小,第三阶后频率的变化则与之相反;较大的材料密度可以降低系统整体的固有频率。隔振器的刚度及布置间距对低阶模态影响显著,减小弹簧隔振器刚度或加大布置间距将大幅降低系统固有频率。(2)建立了列车-浮置板轨道-隧道-土体一体化动力分析模型,得出钢弹簧浮置板轨道动力指标分布规律,并研究了运行时速、浮置板厚度、隔振器刚度、隔振器布置间距对轨道动力特性的影响规律。钢轨轨头为其横截面上的最不利位置,而位于浮置板板中及板端处的钢轨则是线路上最不利截面;浮置板的两端尤其是首先承受列车荷载的前端是浮置板道床的最不利位置。随着列车运行时速的提高,系统垂向位移呈缓慢增大的趋势,系统加速度则显著增大;时速由100km提高至160km过程中,钢轨加速度提高147.5%。浮置板厚度的增大使系统垂向位移明显减小、浮置板及隧道结构的加速度明显减弱,可改善整个系统的动力特性。增大隔振器刚度可显著控制系统位移,但同时削弱轨道结构的减振效果;布置间距对于位移、加速度的影响与刚度基本一致。(3)开展现场测试研究轨道振动传递特性,对比优化前后系统整体振动传播过程,研究地层振动传播规律及土质、隧道埋深的影响。某地铁实测结果表明:振动由钢轨传播至隧道过程中快速衰减,振动主频逐步减小。优化方案使结构的垂向位移满足规范要求,进一步改善系统的振动特性。地表振动在40m至72m的传播距离内呈波动式增大,尤其72m位置振动水平与0m基本持平,加速度峰值达0.038m/s2。振动由埋深深度传播至地表时出现激增,振动水平接近甚至超出埋深处。较硬土质的整体振动水平较小,振动放大区更加靠近线路中心线;砂土土质接近地表时的振动放大幅度远大于粘土和粉土。土体振动加速度随着隧道埋深的增加基本呈减小的趋势,振动放大现象逐渐减弱。(4)以临近快速轨道交通X号线的某拟建大型建筑为例,进行振动影响分析。分析结果:钢弹簧浮置板轨道线路引起的振动对建筑影响较小,仅极个别位置振动超出规范限值,拟建建筑振动基本满足要求。由于拟建建筑结构特殊,其地下层的振动均小于60d B,而地上各层的振动较大,首层夹层及三层的Z振级最大值超出限值70d B。为保证建筑实际使用效果,通过比选隔振措施,建议设置排桩隔振系统,单排桩隔振实施后建筑各层振动满足要求。图141幅,表32个,参考文献118篇。
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