轨道交通工程减振扣件设计方案探讨

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摘要:随着市域快速轨道交通工程对减振扣件需求加大，以成都轨道交通18号线为依托，对国内双层非线性减振扣件、Lord型扣件、轨道减振器扣件三种类型减振扣件进行方案比选，确定18号线中等减振地段采用GJ-Ⅲ型双层非线性减振扣件，综合考虑减振效果与行车安全因素，确定减振扣件静刚度参数。通过室内试验测试验证扣件系统相关指标均满足设计要求。其他市域快速轨道交通工程项目减振扣件可根据其特点综合比选后参考设计。

关键词:市域快速轨道交通，双层非线性减振扣件，刚度，减振效果

1概述

随着市域快速轨道交通工程日益增多，同时市民群众生活水平的提高，环保意识加强，地铁运营中所产生的振动越来越受到重视。为综合治理列车运行产生的振动影响，在市域快速轨道交通工程中必须考虑采用有效的减振措施，以保证沿线敏感目标的噪声和振动满足国家相关标准的规定。一般情况下，减振等级根据环评最大振动级的预测超标量分为中等、高等和特殊减振三个等级［1］。中等减振主要是采用扣件方式减振，市域快速轨道交通工程较常规地铁工程线路设计速度高，减振扣件在市域快速轨道交通工程中没有成熟的应用经验，本文以成都轨道交通18号线为依托，对市域快速轨道交通工程减振扣件进行设计方案研究。

2工程概况

成都轨道交通18号线工程起于火车北站，止于临江站，是服务于市区和天府国际机场之间的市域快速轨道交通线路兼机场线，复合了机场快线和市域快线功能，也是天府新区连接主城区并提供快速服务功能的主要通道。线路沿人民北路、人民中路、人民南路、天府大道往南，经火车北站、骡马市、省体育馆、火车南站、孵化园、博览城后折向东南方向经兴隆、合江，穿越龙泉山后经三岔湖至天府国际机场。线路全长86．72km，共设置18座车站，其中地下站16座，高架站2座，设停车场和车辆段各1座。主要技术标准:双线;设计速度140km/h(共线段预留160km/h);市域A型车，8辆编组;单相工频(50Hz)，25kV交流，接触网供电;最小曲线半径1200m;线路最大纵坡35‰。

3方案比选

减振扣件一般通过在钢轨和铁垫板下设置橡胶垫等方法实现减振，主要有双层非线性减振扣件、Lord型扣件、轨道减振器扣件。双层非线性减振扣件［2］通过设计双层非线性弹性垫板系统以降低系统刚度和提高结构阻尼来控制二次噪声与振动，具有整体尺寸紧凑、重量轻的特点，可在厂内进行预组装，也可在现场维修时局部更换零部件，主要有VIPA与GJ-Ⅲ两种类型。VIPA扣件已在丹麦、瑞典、马来西亚等国铺设应用于160km/h～180km/h线路上。GJ-Ⅲ型双层非线性减振扣件，独特的“自锁结构”解决上、下铁垫板之间的连接问题，不用螺栓锚固，也不用硫化粘接，能方便地更换失效的中间橡胶垫，大大降低了维护费用，已在广州、深圳、成都等多地使用。Lord型扣件［3］将承轨板、带孔橡胶和底板硫化为整体，利用橡胶孔的变形进行减振。扣件直接支承钢轨，下面设置调高垫板，通过调距扣板的齿纹移动铁垫板，利用铁垫板的长圆孔来实现扣件调距。结构尺寸紧凑，其减振效果和减振器扣件相当，缺点是橡胶与铁垫板复合技术特殊，需硫化处理，抗横移刚度较低。在上海、广州等地有采用。轨道减振器扣件［4］，也称“科隆蛋”，把承轨板与铁座之间用减振橡胶硫化粘结为整体，利用橡胶圈剪切变形获得弹性。轨道减振器扣件使钢轨在车轮荷载作用下有较大的挠曲，从而降低上部结构的力学阻抗，减小振动的激发。缺点是承轨板抗横移及扭转刚度较低，在列车的动力作用下轨距容易发生变化，钢轨波磨现象时有发生，而且当橡胶制造工艺不良时容易造成橡胶圈脱落而失效，结构高度较大。在上海、广州等地使用。上述三种减振扣件主要运用于国内常规城市轨道交通线路，列车运行速度不超过120km/h，轴重不大于16t。相对于成都轨道交通18号线17t轴重车辆，设计速度140km/h的条件，现有减振扣件不能直接应用。综上可见，市域快速轨道交通工程需充分借鉴地铁减振扣件方案，同时目前市域快速轨道交通工程减振扣件未形成标准化设计。

4成都轨道交通18号线工程减振扣件设计

4．1设计原则。轨道结构应满足安全可靠、先进成熟、经济合理、少维修和易维修、可持续发展的原则，具有足够的强度、刚度、稳定性及高平顺性;采取相应的减振降噪措施，把地铁运行振动、噪声对环境的影响，控制在国家环保标准允许的范围内;扣件结构选型应尽可能与成都轨道交通既有线路所采用的型式相一致，使其具有通用性、互换性，以方便维修及运营管理。根据环评报告要求，减振扣件减振效果需达到3dB～5dB。

4．2技术可行性分析。尽管国内未见减振扣件用于大于120km/h线路的成熟案例，但参照VIPA扣件使用经验，在更高速度及轴重情况下运用减振扣件是可行的。《城际铁路设计规范》第10．3．4条规定“正线无砟轨道应根据线路速度等级及环境减振降噪需求合理选用与轨道结构匹配的弹性扣件”，同时其条文解释“在减振降噪要求较高地段，为满足环保要求，可采用具有更好减振降噪效果的特殊轨道扣件［5］”。因此，从规范来讲，成都轨道交通18号线采用减振扣件也是可行的。成都轨道交通既有线路均采用GJ-Ⅲ型双层非线性减振扣件，为了与既有工程实现资源共享，同时方便运营维护，同时保证减振扣件弹条、螺栓套管、锚固螺栓及钉孔距与正线DZⅢ-3型普通扣件通用的原则，减少建设施工及运营维护的工作和成本，本线中等减振地段推荐采用双层非线性减振扣件。

4．3关键技术参数设计。普通地铁减振扣件刚度一般为14kN/mm，钢轨垂向位移限值为3mm，这一标准经过了多条120km/h速度线路的运营检验，状态良好，安全可控。轨道交通既有工程中等减振是通过降低扣件自身刚度来实现减振，一般来说刚度越低减振效果越好，但过低的扣件刚度势必引起较大的钢轨垂向位移，影响行车安全，因此减振扣件的刚度取值为其关键设计。为模拟实际钢轨在列车载荷作用下的变形情况，采用有限元软件，建立120m长的钢轨模型，采用梁单元模拟，将扣件简化为弹簧，选择不同的扣件刚度，计算对应刚度下的钢轨位移，计算结果见表1。成都轨道交通18号线为高品质的市域快速轨道交通线路，钢轨垂向位移不应大于1．5mm［6］，根据表1的计算结果，减振扣件的静刚度应不小于20kN/mm。研究表明［7］，以DZⅢ-3型普通扣件(静刚度为35kN/mm)为参考，减振扣件静刚度为22kN/mm时，减振效果大于3dB。综上分析，减振扣件静刚度为22kN/mm时，钢轨垂向位移及减振效果均满足设计要求。

4．4室内试验测试。根据上述减振扣件方案，在室内进行减振扣件刚度及纵向阻力测试、疲劳试验、减振性能测试。4．4．1减振扣件刚度按照现场实际使用工况，对单个扣件进行组装成扣件系统。将单个扣件系统平置于试验机上，先对试样进行预压。以1kN/s～2kN/s的速度垂向加载至80kN，静停1min后卸载，反复至少两次，然后进行正式试验。以(2±1)kN/s的速度垂向加载，当载荷至5kN和35kN时各停留1min，反复试验三次记录钢轨位移平均值S1，S2。按下式计算扣件静刚度K=22．6kN/mm，符合设计要求。K=30/(S2－S1)。4．4．2钢轨纵向阻力测试钢轨纵向阻力测试参照TB/T3396．1规定进行，按标准组装状态用扣件将钢轨固定在轨枕的一个承轨面上，将轨枕放在刚性基础上并予以锚定，测得钢轨纵向阻力为12．1kN，符合设计要求。4．4．3疲劳试验减振扣件组装疲劳试验参照TB/T3396．4规定进行，试验荷载参数根据18号线车辆轴重确定。试验加载频率为4Hz。经300万次疲劳试验后各零部件无损伤和开裂，疲劳试验前后轨底横向移动量为1．26mm，单边轨距扩张1．47mm，钢轨纵向阻力变化率8．26%，扣件静刚度变化率6．35%，动静比1．24，钢轨垂向位移1．48mm，均符合规范和设计要求。4．4．4减振性能测试减振效果是指双层非线性减振扣件与DZⅢ-3型普通扣件在相同工况下，轨枕、道床基础的减振指标对比测试。减振扣件与钢轨、轨枕、道床组成整体性完好的轨道结构系统，采用落锤试验进行测试减振性能［8］。采用50kg的落锤，在锤头和锤体之间垫有10mm厚的橡胶缓冲垫片，落高为100mm，自由落下。在钢轨、轨枕和整体道床两侧分别布置加速度计，在锤头冲击轨头的瞬间，测量钢轨、轨枕及距道床边缘20cm的地面振动加速度。在4Hz～200Hz频段范围内减振扣件振动强度相对于DZⅢ-3型普通扣件减少6．11dB，达到设计要求。

5结语

国内主要有双层非线性减振扣件、Lord型扣件、轨道减振器扣件三种类型减振扣件，本文以成都轨道交通18号线为依托，通过方案比选，确定18号线中等减振地段采用GJ-Ⅲ型双层非线性减振扣件，并对减振扣件静刚度这一关键参数进行研究设计，综合考虑减振效果与行车安全因素，确定减振扣件静刚度为22kN/mm;通过室内试验测试可知扣件系统相关指标均满足设计要求。其他市域快速轨道交通工程项目减振扣件可根据其特点综合比选后参考设计。

作者:杜华杨 单位:中铁二院工程集团有限责任公司