浮置板軌道設(shè)計(jì)
摘 要：隨著城市軌道交通在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)所產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲污染問(wèn)題將越來(lái)越突出，本文簡(jiǎn)述了地鐵減振降噪的必要性，以及世界各國(guó)所采用的減振軌道類(lèi)型，并著重介紹了浮置板減振軌道的設(shè)計(jì)和在廣州地鐵的應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：減振降噪、浮置板軌道、自振頻率、設(shè)計(jì)
1概述
地下鐵道是城市現(xiàn)代化必然的交通運(yùn)輸工具，具有運(yùn)量大、速度快、安全可靠、時(shí)間準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，已成為解決城市交通擁擠、噪聲和大氣污染的一項(xiàng)可行性措施。另一方面,地下鐵道產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響又是世界各國(guó)普遍重視的一個(gè)問(wèn)題。地鐵列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，均來(lái)自于輪軌系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)不同頻率的振動(dòng)。這些振動(dòng),一部分通過(guò)空氣或周邊結(jié)構(gòu)物的反射，以噪聲的形式擴(kuò)散；另一部分，主要是低頻振動(dòng)，則通過(guò)軌道結(jié)構(gòu)向軌下基礎(chǔ)及周邊結(jié)構(gòu)物傳播，對(duì)地面建筑物產(chǎn)生影響。如果建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率與所傳來(lái)振動(dòng)的頻率相近，則振動(dòng)的危害尤其顯著。一列地鐵列車(chē)通過(guò)時(shí)在建筑物上引起振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間大約為10秒鐘。在一條地鐵線路上，高峰時(shí)在兩個(gè)方向一小時(shí)內(nèi)可以通過(guò)30對(duì)列車(chē)或更多一些。因而，振動(dòng)作用持續(xù)的時(shí)間，可以達(dá)到地鐵總工作時(shí)間的15～20%。運(yùn)營(yíng)列車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲,容易引起人疲勞和精力不集中,給工作和生活帶來(lái)不利影響,因此，地鐵運(yùn)行中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響不能忽視。根據(jù)國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB10070-88），凡振動(dòng)超標(biāo)地段均應(yīng)采取可行的減振措施，把地鐵列車(chē)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)控制在國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)。
2國(guó)內(nèi)外減振軌道結(jié)構(gòu)型式
減振按對(duì)象可分為主動(dòng)減振和被動(dòng)減振，我們對(duì)地鐵軌道采取減振措施則屬于主動(dòng)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(duì)軌道上部建筑，如鋼軌、扣件和軌枕等用彈性體來(lái)緩沖和衰減車(chē)輛運(yùn)行傳來(lái)的振動(dòng)；隔離減振通常是把軌道的道床與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)用彈性體整體隔離，車(chē)輛運(yùn)行傳來(lái)的振動(dòng)。 1、緩沖減振結(jié)構(gòu)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(nèi)，埋入深度至軌頭下部，通過(guò)彈性體的彈性變形來(lái)獲得減振降噪性能。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將輪軌振動(dòng)能量轉(zhuǎn)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(chē)外噪聲級(jí)可降低4dB(A),同時(shí)，也可降低對(duì)橋梁的振動(dòng)。
2）普通道床高彈性扣件軌道
高彈性扣件使鋼軌在車(chē)輪荷載作用下有較大的撓曲，從而降低上部建筑的力學(xué)阻抗，減小振動(dòng)的激發(fā)，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(jié)點(diǎn)垂向剛度為12～20kN/mm。減振效果在30～50Hz頻率范圍內(nèi)達(dá)6～10dB。
3）彈性短軌枕整體道床
這種軌道結(jié)構(gòu)在地鐵、輕軌交通和高速鐵路應(yīng)用較為廣泛。由于枕下設(shè)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(dòng)、噪聲衰減特性。彈性短軌枕整體道床在瑞士、法國(guó)、美國(guó)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(yīng)用，國(guó)內(nèi)在廣州地鐵二號(hào)線也已研制成功，減振性能可達(dá)8～12dB。
2、隔離減振結(jié)構(gòu)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(lián)學(xué)者克拉夫欽科建議的在隧道中使用的新型軌道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(chǔ)間放置防枕墊板。由于縱向軌枕的重量較大，有助于振動(dòng)的衰減。這種軌道于1983年開(kāi)始鋪設(shè)，經(jīng)數(shù)年的使用證明：線路狀態(tài)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(dòng)頻率在12.5～80Hz范圍內(nèi)，可減振10～20dB。與板式浮置板軌道相比，其最大優(yōu)點(diǎn)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(guò)彈性體把軌道結(jié)構(gòu)上部建筑與基礎(chǔ)完全隔離，使其處于懸浮狀態(tài)，建立質(zhì)量－彈簧的單自由度系統(tǒng)，利用整個(gè)道床在彈性體上進(jìn)行慣性運(yùn)動(dòng)來(lái)隔離和衰減列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)。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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其減振性能目前是所有減振形式中最優(yōu)越的，適用于線路從敏感建筑物下面或附近通過(guò)，且對(duì)建筑隔振要求較高的場(chǎng)合，如住宅、音樂(lè)廳、醫(yī)院、學(xué)校、賓館等場(chǎng)所，所以得以在全球城市軌道系統(tǒng)中廣泛采用。浮置板軌道結(jié)構(gòu)于1968年由德國(guó)科隆地鐵首次采用，后來(lái)在德國(guó)的波恩、漢堡、慕尼黑、法國(guó)的南特、魯昂、美國(guó)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(tǒng)。本文將主要介紹廣州地鐵一號(hào)線浮置板（橡膠彈簧）軌道的設(shè)計(jì)。
3設(shè)計(jì)原理分析
3.1設(shè)計(jì)原理
浮置板隔振軌道結(jié)構(gòu)又稱(chēng)質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，其基本原理是在軌道上部建筑與基礎(chǔ)間插入一固有振動(dòng)頻率遠(yuǎn)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(guò)質(zhì)量——彈簧系統(tǒng)的慣性運(yùn)動(dòng)，把列車(chē)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行較大衰減后，再傳遞給隧道主體結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減振的目的。 3.2浮置板減振系統(tǒng)自振頻率計(jì)算
浮置板隔振軌道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，是質(zhì)量——橡膠彈簧體系自振頻率υ的設(shè)計(jì)。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(dāng)量質(zhì)量
