既有高速铁路减振措施对曲线地段适应性研究_雷佳鑫.pdf

第 20 卷 第 3 期2023 年 3 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 3March 2023既有高速铁路减振措施对曲线地段适应性研究雷佳鑫1,2，姚力3，惠庆敏1,2，赵才友1,2(1.高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；3.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)摘要：减振型无砟轨道在一定程度上可解决高速列车运行所引起的振动噪声问题。既有文献以直线轨道为研究对象，从控制轨道振动角度出发，多角度定量或定性分析了轨道结构参数的合理取值。但由于直线轨道与曲线轨道的振动差异，曲线轨道横向振动是否纳入减振考虑范围，直线轨道减振参数对曲线轨道的适应性尚不清楚，亟需开展相关研究。通过多体系统动力学与有限元联合仿真，建立典型曲线地段车辆轨道刚柔耦合模型，对比直线段、直缓地段、缓圆地段、圆曲线段轨道下部结构振动差异。研究结果表明：在相同的不平顺激励下，曲线地段脱轨系数为0.046，大于直线地段的0.012。随着列车从直线驶入曲线轨道，轨道板垂向振动加速度级在50 Hz减少了2.19 dB，相反横向振动加速度级增大了0.97 dB。采取同样的减振措施后，直线地段与曲线地段减振效果存在较大差异。相较于直线地段，曲线地段轨道板振动响应距规范限制有较多余量。同时，直线地段轨道板与底座板加速度级差值为14.45 dB，而曲线地段增大到17.41 dB。后续针对轨道减振设计时，应在所处地段的轨道模型中进行分析。关键词：高速铁路减振；曲线轨道；车辆轨道耦合动力学；振动加速度级中图分类号：U211.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7029（2023）03-0772-09Adaptability of existing high-speed railway vibration damping measures to curved railLEI Jiaxin1,2,YAO Li3,HUI Qingmin1,2,ZHAO Caiyou1,2(1.Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Ministry of Education,Chengdu 610031,China;2.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;3.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)Abstract:Vibration-reducing ballastless tracks can solve the problem of vibration and noise caused by high-speed train operation to a certain extent.The existing literature takes the straight track as the research object,and from the perspective of controlling the vibration of the track,the reasonable value of the orbital structure parameters is quantitatively or qualitatively analyzed from multiple angles.However,due to the difference in 收稿日期：2022-04-01基金项目：高速铁路基础研究联合基金资助项目(U1734207)；国家自然科学基金资助项目(51978585)；四川省应用基础研究项目(2020YJ0214)通信作者：赵才友(1984)，男，湖北宜昌人，研究员，博士，从事轨道交通减振降噪研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220634第 3 期雷佳鑫，等：既有高速铁路减振措施对曲线地段适应性研究vibration between the straight track and the curved track,whether the lateral vibration of the curved track is included in the scope of vibration reduction,and the adaptability of the vibration reduction parameters of the linear track to the curved track is still unclear.The relevant research is urgently needed.In this paper,through the joint simulation of multibody system dynamics and finite element,a vehicle-track rigid-soft coupling model of typical curved lots was established,and the vibration differences of the lower structure of the track of straight segment,straight slow lot,slow circle lot and circular curve section were compared.The conclusions are drawn as follows.Under the same uneven excitation,the derailment coefficient of the curve lot is 0.046 greater than the 0.012 of the straight lot.As the train enters the curved track from the straight line,the vertical vibration acceleration stage of the track plate decreases by 2.19 dB at 50 Hz,while the lateral vibration acceleration stage increases by 0.97 dB.After taking the same vibration damping measures,there is a big difference between the vibration damping effect of the straight lot and the curve lot,compared with the straight line lot,the vibration response distance of the curve lot track plate has more margin.The difference between the acceleration stage of the linear lot track plate and the base plate is 14.45 dB,while the curve lot is increased to 17.41 dB,and the subsequent design for track vibration reduction should be analyzed in the track model of the lot.Key words:vibration reduction of high-speed railway;curve rail;vehicle-track coupling dynamics;vibration acceleration level 随着我国“八纵八横”高速铁路网的不断发展和列车速度的不断加快，人们的出行日益便捷，但由列车运行引起的振动与噪声问题对沿线环境的污染愈发突出，严重干扰了沿线附近居民和精密仪器厂的正常生活及工作。在城市轨道交通中常采用钢弹簧浮置板1、阻尼钢轨23等措施来减小由列车引起的环境振动振动噪声问题。针对高速铁路减振，目前有从振动的传播途径、新材料运用、轮轨冲击等多种途径46来开展轨道结构的减振工作。从控制轨道结构振动出发，辛涛等7研究了 CRTS 型板式无砟轨道减振层的不同设置方案，认为减振垫层设置在底座板下时减振效果更优。基于有限元功率流法，付娜等8分析了不同扣件和减振参数对结构功率流的影响。基于板式无砟轨道结构隔振机理和振动理论，任娟娟等9从多个角度分析了轨道结构参数对轨道隔振效果的影响。从传递函数及隔振率角度出发，徐坤10以提高减振型轨道结构隔振性能为切入点，确定了减振层的合理面阻尼。上述研究大多以直轨道为基础进行减振设计研究，且主要考虑轨道垂向振动特性。通过对高速铁路高架桥线路直线和曲线段振动进行测试11，在025 m内，直线段桥墩断面Z振级大于曲线地段，而距离大于25 m时，结果相反。直线地段与曲线地段振动的差异导致在进行减振设计时，曲线地段直接套用直线段参数，其可行性尚不清楚，亟需开展相关研究。本文利用多系统动力学与有限元软件进行联合仿真，分别建立了4种典型地段(直线段、直缓地段、缓圆地段、圆曲线地段)刚柔耦合模型，对比了采用既有减振措施前后不同地段轨道结构振动响应的差异，定性分析了不同地段的减振效果，以振动加速度级为评价手段，定量描述不同地段下轨道结构振动加速度级差异，为后续曲线地段减振设计提供理论基础。1 高速列车刚柔耦合模型列车采用和谐号CRH380A型车辆模型参数12，将其简化为包含1个车体、2个转向架、4个轮对的车辆模型。各部件自由度考虑侧滚、点头、摇头、纵向、横移和沉浮，合计 7个刚体部件和 42个自由度，车体与转向架通过二系悬挂连接，转向架与车轮通过一系悬挂连接，轮轨法向力采用赫兹理论计算，切向力计算采用 Kalker简化非线性理论，摩擦因数取0.4。相关参数见表1。轨道结构是车辆运行的基础，起着承受上部的车轮荷载，并将车辆运行时产生的振动和变形773铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月传递到下部基础的重要作用。目前具有代表性的无砟轨道为Bogl，Rheda，Zublin，日本的板式轨道及我国的CRTS系列等13，本文研究对象为我国自主研发CRTS 型板，其吸收了前两者的优势。为了探究曲线地段减振与直线地段减振效果差异，计算列车通过曲线过程中轨道振动响应的同时兼顾模型计算效率，首先明确所需计算轨道板6块，每块长度为4.8 m，底座板1块，长度为30 m，分别在曲线关键位置处(直线、直缓点、缓圆点、圆曲线中点)建立对应实体模型。曲线线型为直线50 m，缓和曲线750 m，圆曲线长度500 m，曲线半径为7 000 m，超高设置为0.115 m。目前在刚柔耦合仿真中，大多采用单个点弹簧模拟扣件，但仅限于直线仿真，单个点弹簧无法模拟列车通过曲线时，扣件复杂的受力情况。本文在建模过程中，采用扣件垫板模拟扣件，将钢轨与轨道板纳入一个整体进行模态分析，避免了扣件等效简化的问题。在有限元软件ABAQUS中分别建立位于直线段、直缓点、缓圆点、圆曲线中点处前后3块轨道板及底座板进行模态分析，其中钢轨、轨道板和底座板实体单元最大横向长度分别为 0.01，0.05 和 0.05 m，纵向均为 0.05 m。采用GUYAN14缩减理论的子结构方法