王明生， 董奇奇

(石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

地鐵作為城市軌道交通主要方式之一，它有運量大、速度快、準點、安全的優(yōu)點，因此，在各大城市飛速發(fā)展。然而地鐵在給人們帶來便捷的同時也給周圍環(huán)境帶來了振動與噪聲污染，振動噪聲打擾人們生活，地鐵下穿的建筑物也會受到振動的影響[1-5]。Gladwell et al[6]研究表明地鐵對周圍結(jié)構(gòu)和建筑物的影響主要表現(xiàn)為低頻振動，在眾多地鐵減振方式中，鋼彈簧浮置板道床低頻減振效果較為顯著[7-10]，因此越來越多的鋼彈簧浮置板軌道應(yīng)用于地鐵減振。鋼彈簧隔振器將浮置板道床與基礎(chǔ)分離，起到支撐軌道系統(tǒng)的作用，每個鋼彈簧都承受了來自道床的荷載作用[11]。鋼彈簧受壓強度大，隨著時間的推移，鋼彈簧在列車荷載反復作用下可能發(fā)生斷裂，增大周圍鋼彈簧的受壓強度，加速周圍鋼彈簧斷裂，降低地鐵列車平穩(wěn)性和舒適性，嚴重時還會引起列車行車安全隱患[12]。因此對鋼彈簧隔振器失效的研究是必要的。

關(guān)于鋼彈簧隔振器失效對車軌系統(tǒng)的影響，國內(nèi)外眾多學者開展了很多相關(guān)研究。董北北[13]通過車輛軌道二維耦合模型，得出鋼彈簧失效對軌道不平順二次導有很大影響。吳磊[11]研究表明少數(shù)鋼彈簧失效會增大道床垂向變形位移。多位學者通過建立車輛軌道耦合模型，研究了鋼彈簧失效數(shù)量和失效位置對軌道系統(tǒng)的影響[14-18]。Zhao et al[19]通過有限元仿真研究分析得出，鋼彈簧失效對車輛安全性和平穩(wěn)性有顯著影響。余關(guān)仁等[20]研究表明側(cè)置隔振器失效的危害比內(nèi)置隔振器的大。

以上對鋼彈簧損傷的研究大多數(shù)集中在現(xiàn)澆式浮置板軌道，對于短板預制式浮置板的研究仍比較缺乏，有待完善。本文建立了車輛-預制式鋼彈簧浮置板軌道耦合三維有限元模型，設(shè)立不同鋼彈簧損傷工況，分析了鋼彈簧損傷數(shù)量和損傷位置對車軌系統(tǒng)振動特性的影響。

1 車輛浮置板軌道有限元模型建立

圖1為車輛-軌道耦合動力學模型，車輛選用地鐵B型車，3節(jié)編組，取最高行駛速度80 km/h，單個車廂是由1個車體、2個轉(zhuǎn)向架、4個輪對以及對應(yīng)的一系懸掛和二系懸掛組成的。車體和構(gòu)架考慮橫移、浮沉、點頭、搖頭和側(cè)滾方向的自由度，輪對考慮橫移、浮沉、搖頭和側(cè)滾方向的自由度，軸箱考慮點頭方向的自由度，單個車廂共計39個自由度。主要參數(shù)如表1所示。利用ABAQUS建立柔性鋼軌和浮置板道床，采用中國CHN60鋼軌，選用solid45實體單元對鋼軌和浮置板道床進行建模，將建好的模型導入到SIMPACK多體動力學軟件，用彈簧元件模擬扣件和鋼彈簧，在SIMPACK里建立車輛模型，設(shè)置輪軌關(guān)系，有限元模型如圖2所示。為了排除其他因素的干擾，計算中不考慮軌道不平順的影響。

表1 車輛、浮置板主要參數(shù)

圖1 車輛-軌道動力學模型

圖2 車輛軌道有限元模型

2 動力學仿真分析

2.1 工況設(shè)置

鋼彈簧隔振器損傷形式較多，如剛度折減、剛度部分失效等，本文僅考慮鋼彈簧隔振器完全失效的情況。地鐵運營過程中，鋼彈簧隔振器數(shù)量較多以及浮置板自身剛度大，個別鋼彈簧失效較難發(fā)現(xiàn)，很可能出現(xiàn)不同位置、不同數(shù)量的鋼彈簧失效，因此將探討不同位置和不同數(shù)量鋼彈簧失效對浮置板軌道系統(tǒng)動力特性的影響。為了提高計算效率并且減少邊界對計算結(jié)果的影響，模型建立了5塊3.6 m長的浮置板道床，僅考慮第3塊浮置板道床下的隔振器失效。為方便研究對一側(cè)鋼彈簧所在位置標記為A、B、C，如圖3所示。圖4(a)～圖4(h)為各個工況，圖4中標黑的點表示所在位置的鋼彈簧失效。

圖3 鋼彈簧浮置板軌道

圖4 鋼彈簧失效工況

2.2 不同數(shù)量的鋼彈簧失效對浮置板軌道動力特性的影響

圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)分別為車體、鋼軌和浮置板垂向加速度時程曲線，從圖5(a)可以看出，不同數(shù)量的鋼彈簧失效時，各工況車體垂向加速度趨勢上變化明顯，但數(shù)值差異較小，最大值為工況6的0.11 m/s2,均小于《鐵路線路修理規(guī)則》(鐵運[2006]146號)中所規(guī)定的二級舒適度標準允許偏差值0.15g。從圖5(b)和圖5(c)可以看出，鋼軌垂向加速度隨著鋼彈簧失效數(shù)量的增加變化不明顯，且遠小于規(guī)范限值2 000 m/s2。浮置板垂向加速度隨鋼彈簧失效數(shù)量的增加而微微增大，最大值為工況6的6.48 m/s2，均小于規(guī)范限值200 m/s2。由此可以看出不同數(shù)量的鋼彈簧失效對車體、鋼軌和浮置板的垂向加速度影響較小。

圖5(d)和圖5(e)分別為浮置板和鋼軌垂向位移時程曲線，圖5(f)為鋼軌垂向位移幅值沿線路縱向分布情況。由圖5(d)可知,浮置板垂向位移隨鋼彈簧失效數(shù)量的增加而增大。在無鋼彈簧失效時，浮置板最大位移為1.82 mm，鋼彈簧失效數(shù)量為1、2、4、6個時，浮置板最大垂向位移分別為2.08、2.39、2.93、3.62 mm，相較于無鋼彈簧失效時分別增大了14.3%、31.3%、61.0%、98.9%，其中工況6的鋼彈簧垂向位移幅值超過了規(guī)范限值3 mm。由圖5(e)和圖5(f)可知，鋼軌垂向位移隨鋼彈簧失效數(shù)量的增加而增大，無鋼彈簧失效時，處于浮置板端部的鋼軌垂向位移幅值比中部的大。無鋼彈簧失效時鋼軌最大垂向位移為2.71 mm，工況1、4、5、6情況下的鋼軌垂向位移最大幅值分別為3.07、3.31、3.99、4.69 mm，相對于鋼彈簧完好狀態(tài)下分別增大了13.3%、22.1%、47.2%、73.1%，其中工況6的鋼軌最大垂向位移超過了規(guī)范限值4 mm。斷簧位置的浮置板失去支撐，該部位以及對應(yīng)的鋼軌在列車經(jīng)過時向下位移的距離增大，由于浮置板較好的整體性，在列車經(jīng)過之后會恢復原位。

圖5 不同數(shù)量的鋼彈簧失效對浮置板軌道動力特性的影響

圖5(g)和圖5(h)分別為鋼彈簧和扣件支點力幅值沿線路縱向分布情況。由圖5(g)可知，無鋼彈簧失效時，位于端部的鋼彈簧支點力略大于中部的鋼彈簧支點力，當有鋼彈簧失效時，斷簧位置的鋼彈簧支點力驟減為0，該部分的荷載由周圍鋼彈簧承擔，周圍鋼彈簧支點力增大，失效數(shù)量越多，周圍鋼彈簧支點力越大。由圖5(h)可以看出，處于浮置板端部的扣件支點力隨著鋼彈簧失效數(shù)量的增加而減小，而處于中部的扣件支點力則隨著鋼彈簧失效數(shù)量的增加而增大，且增加趨勢隨鋼彈簧失效數(shù)量的增加而減小。

2.3 不同位置的鋼彈簧失效對浮置板軌道動力特性的影響

圖6(a)和圖6(b)分別為車體和浮置板垂向加速度時程曲線，從圖6(a)和圖6(b)可以看出,單個鋼彈簧失效情況下，無論失效位置在板中還是板端，車體垂向加速度和浮置板垂向加速度差異都較小且變化趨勢接近，均滿足規(guī)范。

圖6 單個鋼彈簧在不同位置失效對浮置板軌道動力特性的影響

圖6(c)和圖6(d)分別為浮置板垂向位移時程曲線與鋼軌垂向位移幅值沿線路縱向分布情況圖。從圖6(c)可以看出，工況1、2、3情況下的浮置板垂向位移幅值為2.08、1.93、1.85 mm，與無鋼彈簧失效情況下的1.82 mm相比，分別增大了14.3%、6.4%、1.6%。從圖3和圖6(d)可知，隨著同一塊浮置板下單個鋼彈簧失效的位置沿線路縱向距離的增加，浮置板垂向位移則減小。無鋼彈簧失效和單個鋼彈簧失效情況下，位于板端的鋼軌垂向位移幅值均大于中部，且任意位置的單個鋼彈簧失效均會導致各點鋼軌垂向位移幅值的增大。與鋼彈簧完好狀態(tài)下相比，工況1的鋼軌垂向位移最大增幅位于A處，為0.36 mm；工況2的鋼軌垂向位移最大增幅在B處，為0.33 mm；工況3的鋼軌垂向位移最大增幅位于C處，為0.36 mm，即鋼彈簧失效位置處的鋼軌垂向位移增幅最大，且板端影響比板中的大。

圖6(e)和圖6(f)分別為各點鋼彈簧、扣件支點力幅值沿線路縱向分布情況圖。由圖6(e)可知，板端的鋼彈簧支點力大于板中，單個鋼彈簧失效情況下，它周圍的鋼彈簧支點力均增大，工況1、2、3分別增大1.9、1.92、1.83 kN。板中鋼彈簧失效時周圍鋼彈簧支點力要大于板端鋼彈簧失效時周圍的鋼彈簧支點力，這是由于板端鋼彈簧失效時，相鄰浮置板通過剪力鉸分擔了支點力。由圖6(f)可以看出，板端鋼彈簧失效會引起相近位置的扣件支點力減小，相遠位置支點力微微增大，而板中鋼彈簧失效對扣件支點力的影響較小。

3 結(jié)論

地鐵列車行車密度大，列車荷載反復作用在軌道上，容易引起鋼彈簧斷裂，引發(fā)一系列安全隱患?；谟邢拊浖?，建立車輛-軌道三維模型，設(shè)置不同的工況，探討了鋼彈簧斷裂對浮置板軌道結(jié)構(gòu)振動特性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)不同數(shù)量和不同位置的鋼彈簧失效對車體振動加速度、浮置板振動加速度的影響較小。

(2)鋼彈簧失效數(shù)量越多，浮置板垂向位移、鋼軌垂向位移和鋼彈簧支點力越大，其中當整個浮置板下的鋼彈簧都失效時，浮置板垂向位移和鋼軌垂向位移超出了規(guī)范要求。

(3)單個鋼彈簧失效時，隨著鋼彈簧失效位置沿線路縱向距離的增加，浮置板垂向位移幅值越小。板端鋼彈簧失效時鋼軌垂向位移比板中鋼彈簧失效時的大，板端斷簧時的鋼彈簧支點力比板中斷簧時的小。當板端有鋼彈簧失效時，附近的扣件支點力會減小。