新型梯形轨枕减振轨道对地铁线路基础结构及上盖建筑物振动的影响

《Scientific Reports》：Influence of new vibration-reducing track with trapezoidal sleepers on the vibration of subway line foundation structure and overtrack buildings

　　

随着城市地铁建设的快速发展，列车运行引起的环境振动日益受到各方关注。地铁引起的环境振动评估是减振设计和影响控制的主要依据，因此研究列车引起的地铁环境振动沿线路的传播特性十分必要。本研究提出了一种融合车-轨耦合动力学与有限元法的地铁列车环境振动预测方法，并将新型梯形轨枕减振轨道（vibration-reducing track with trapezoidal sleepers，VRTTS）应用于钢轨减振设计。列车被建模为多刚体系统，轨道结构被建模为柔性体；研究建立了考虑轮轨动态接触关系的车-轨相互作用模型，以获取动态轮轨接触力；随后利用ANSYS建立了VRTTS–隧道–土体–建筑物有限元模型，将轮轨力作为下部结构的激励源，研究了列车引起振动在整个传播路径上的传播特性。进一步通过数值算例分析了扣件刚度、减振垫刚度与阻尼等参数对不同结构部件振动时频特性的影响。结果表明，减振垫能有效抑制列车振动向基础和建筑物传递；增大减振垫的刚度与阻尼可显著降低隧道和建筑物中的低频振动，但可能在一定程度上放大中高频振动；因此，应根据建筑物功能与要求合理确定减振垫参数。所提方法为评估列车引起环境振动及设计减振措施提供了有效途径，并为VRTTS的参数设计提供了理论指导。

随着城市轨道交通的快速发展，地铁运行诱发的环境振动与噪声问题日益突出，对敏感设备和人体健康产生不利影响，也制约了轨道交通发展。现有预测方法包括经验与试验方法、解析/半解析方法、数值方法及智能预测方法等，但往往在精度、效率或适用性方面存在局限。VRTTS因优良的减振性能受到关注，但对其减振特性的研究仍很有限，且车辆振动在VRTTS–隧道–土体–建筑物系统中的传递规律及各减振参数的影响机制尚不明确。为此，研究人员构建了融合车-轨耦合动力学与有限元法的预测框架，系统分析不同VRTTS参数下的全系统振动特性，为减振轨道参数设计提供指导。研究成果发表于《Scientific Reports》。

在技术方法上，研究人员首先建立车辆-轨道相互作用模型：车辆采用多刚体系统，轨道为有限元柔性体，轮轨接触法向力由非线性赫兹接触理论计算、切向力由修正饱和蠕滑理论求解，模型经验证与翟模型结果基本一致（最大轮轨力误差约9.8%）。随后利用ANSYS建立VRTTS–隧道–土体–建筑物有限元模型：钢轨、轨枕、钢管、扣件与减振垫分别采用Beam188、Solid45、梁单元及弹簧-阻尼单元模拟；土体为分层介质并设置黏弹性人工边界；建筑物为10层钢筋混凝土框架结构。采用弱耦合方法将轮轨力作为激励源施加到下部结构进行动力计算。算例采用B型地铁列车、运行速度80 km/h、FRA 6轨道不平顺谱。

**Vibration transmission rules of track-tunnel structure（轨道-隧道结构振动传递规律）**：钢轨最大竖向加速度为54.7 m/s2，梯形轨枕为37.8 m/s2，向下传递衰减约30.9%；钢轨与轨枕最大位移分别为1.49 mm和0.53 mm，衰减约64.4%。隧道各测点主频约55 Hz，最大加速度0.0236 m/s2，振动级75 dB；沿“钢轨-梯形轨枕-隧道壁”路径振动强度逐级减小。

**Vibration transmission characteristics of soil structure（土体结构振动传递特性）**：竖向传播时，加速度时域幅值先减小后增大，地表软土层出现放大效应；横向传播时，随距隧道中心线距离增大，加速度幅值先降后升。土体主频约63 Hz；地表振动级最高，且随距离增加先减弱后增强。

**Vibration transmission characteristics of building structure（建筑物结构振动传递特性）**：底层楼板主频约25 Hz和55 Hz，顶层约55 Hz；底层最大加速度为1.378×10?3 m/s2，顶层为0.98×10?3 m/s2，最大振动级均为47 dB，满足GB/T 50355限值要求；振动沿“土体-地表-建筑”路径传播时幅值先增后减。

**The influence of fastener stiffness（扣件刚度的影响）**：扣件刚度由20 kN/mm增至50 kN/mm时，钢轨最大加速度由36.948 m/s2降至35.980 m/s2，位移由1.43 mm降至0.96 mm；轨枕、隧道壁和上盖建筑的竖向振动随之增大，且以低频段为主。因此扣件刚度过低会导致钢轨位移过大，过高则可能放大隧道振动与噪声。

**Stiffness of vibration-reducing pad（减振垫刚度的影响）**：减振垫刚度由15 kN/mm增至30 kN/mm时，钢轨最大加速度降低6.9%，轨枕最大位移降低47.6%；轨枕减振效果最佳，低频段平均振动级降低约8 dB；隧道与建筑物低于63 Hz的低频振动减弱，而高于63 Hz的中频振动增强。

**Damping parameters of vibration-reducing pad（减振垫阻尼参数的影响）**：阻尼由10 kN·s/m增至100 kN·s/m时，钢轨最大加速度降低5.58%，轨枕降低70.3%；轨枕与钢轨中高频段振动级显著减弱，轨枕最大降幅约14 dB；隧道与建筑物低于80 Hz频段振动减弱，高于80 Hz频段振动增强。推荐阻尼值约为40 kN·s/m。

讨论与结论：VRTTS能有效削减地铁车辆振动传递，其中VRTTS至隧道壁段衰减幅度最大，最大振动级降低约56 dB；土体表面振动级最高。扣件刚度对各部件振动影响显著；增大减振垫刚度时梯形轨枕低频减振效果最佳；增大减振垫阻尼时梯形轨枕中高频减振效果最明显。未来将建立详细的土-结构相互作用模型，进一步研究基础类型、埋深及隧道与基础间距对上盖建筑振动的影响。