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浮置板轨道交通箱形梁减振效果分析

2019/08/08 阅读:

摘要:为研究浮置板轨道对轨道交通桥梁的减振效果,以32m的轨道交通双线箱形梁为研究对象,基于联合仿真方法建立了车辆-轨道-桥梁耦合振动分析模型,计算列车荷载作用下轨道交通箱形梁的振动响应,分析了浮置板轨道对箱型梁的减振效果。结果表明,箱形梁桥上采用浮置板轨道会急剧增大钢轨和浮置板自身的振动响应;采用浮置板轨道可以降低桥梁中、高频的振动,但是会放大桥梁低频的振动响应;如需采用浮置板轨道以减少轨道交通辐射的噪声,还应考虑设置浮置板轨道后钢轨辐射噪声的增加。

关键词:轨道交通;箱形梁;浮置板轨道;联合仿真;减振效果

近些年来,我国的城市轨道交通快速发展,由此引起的振动和噪声问题也逐渐显现,这影响着人们日常的生活和工作环境,产生了较大的负面影响[1]。浮置板轨道作为一种有效的减振轨道结构型式,已经广泛地应用在地铁隧道的减振地段当中。国内已经有很多个城市采用了钢弹簧浮置板轨道结构,并取得了较好的减振效果。国内外学者通过理论分析、数值计算和试验测试等方法对钢弹簧浮置板轨道减振性能进行了大量的研究工作。刘学文[2]、袁俊等[3]通过建立解析轨道模型,对浮置板轨道的减振效果进行计算和分析。李增光等[4]提出了采用动柔度的求解方法,通过建立浮置板轨道的力学模型加载求解浮置板的隔振性能及其影响因素。姚京川等[5]分析了浮置板轨道对地铁环境振动减振特性的影响。HuiC.K.等[6]采用试验方法对浮置板轨道的减振效果进行了分析。大多数学者只研究了浮置板轨道在隧道内的减振效果,但是针对桥上浮置板轨道对桥梁的减振效果的研究还很少。本文基于联合仿真动力分析,拟通过建立车辆-轨道-桥梁耦合振动分析模型,计算列车荷载作用下轨道交通箱型梁的振动响应,分析浮置板轨道的减振效果,为轨道交通桥梁的减振设计提供参考。

1计算模型、参数及理论

1.1车辆-轨道-桥梁耦合振动分析模型

利用有限元软件ANSYS和多体动力学软件UM,建立车-轨-桥耦合精细化的空间分析模型。在UM软件中建立车辆分析模型,通过刚体、力元、铰接、约束和轮轨接触模型等来建立车辆系统的动力学方程。1节车辆主要由7个刚体构成,分别是1个车体、2个转向架、4个轮对。这些刚体再分别用一、二系弹簧、垂向减振器、横向减振器、抗蛇行减振器、横向止挡、抗侧滚扭杆、牵引拉杆等连接。每个刚体都考虑6个自由度,即伸缩、横摆、点头、浮沉、侧滚、摇头,左右两边车轮各有1个约束,单节车辆共有34个自由度。在ANSYS软件中建立箱型梁的有限元模型,计算桥梁质量、刚度矩阵等信息,并使用UM软件与ANSYS软件接口程序ANSYS_UM生成UM软件中可以识别的箱型梁结构柔性体的标准文件。然后利用轮轨接触面上的离散信息点进行数据交换,从而实现对车辆-轨道-桥梁系统的耦合振动分析,车辆-轨道-桥梁耦合振动分析模型见图1。

1.2有限元模型及参数

某轨道交通的双线箱型梁的标准跨径为32m。在有限元模型中,钢轨由梁单元beam188模拟,扣件和钢弹簧由弹簧单元combine14单元模拟,轨道板、浮置板和桥梁由实体单元solid185单元模拟。浮置板轨道-桥梁的有限元模型见图2。车辆模型的参数以地铁A型车为标准,计算车速为80km/h,建模所需参数见表1。轨道不平顺采用德国低干扰谱模拟,这与我国实际轨道谱比较接近。通过将车辆-轨道-桥梁耦合振动分析模型计算的轮轨相互作用力加载到轨道桥梁的有限元模型上,可以获得桥梁的振动响应。

1.3计算理论

在有限元动力分析中,采用瞬态动力学方法分析结构的动力响应,得到了时变荷载下结构的节点位移、应力、速度、加速度的响应。瞬态动力学分析也称作时间历程分析,其基本运动方程见式(1)式中:M、C和K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;¨u(t)、u(t)和u(t)分别为系统节点的加速度、速度和位移向量;F(t)为系统的节点荷载向量。

2计算结果分析

为研究箱型梁桥上浮置板轨道的减振特性,选择的箱型梁跨中截面输出点见图3。其中输出点1~6分别表示箱型梁跨中处的外侧钢轨顶点、浮置板中心、轨道中心、翼缘板顶点、腹板中心和梁底中心。通过瞬态分析,可以得到6个输出点的时域响应;然后通过傅里叶变换对输出点的时域响应进行频谱分析,得出输出点的加速度频谱曲线,见图4。图4箱形梁振动加速振级对比图由图4可见,在1~200Hz的范围内,浮置板轨道的轨顶和轨道板中心处的振动响应明显高于普通整体轨道的振动响应。浮置板轨道轨顶在10Hz处的加速度振级比普通轨道高21.39dB,轨道板中心的加速度振级相差43.54dB。设置浮置板轨道的桥梁振动响应总体来说小于采用普通轨道的桥梁振动响应。这表明浮置板轨道是通过增加自身的振动幅值来降低高架桥的振动响应的,因此,如果要想利用设置浮置板轨道来达到降低轨道交通产生的噪声的目的,还应该考虑到钢轨辐射噪声的增加。在12.5~200Hz频率范围内,设置浮置板轨道的箱型梁的轨道中心线处、翼缘板、腹板、梁底的振动水平明显低于普通轨道,加速度振级相差最大值分别为37.45,43.60,36.47,32.83dB。在小于12.5Hz的低频部分,箱形梁的各部分振动响应略有增加。说明浮置板轨道主要对轨道交通桥梁的中、高频响应具有明显的减振作用,但在低频部分有振动放大的现象。

3结语

本文通过对比分析浮置板轨道与普通轨道对轨道交通箱型梁的减振效果,得到以下结论。1)在箱型梁桥上采用浮置板轨道将急剧放大钢轨和浮置板的振动响应。2)采用浮置板轨道可以降低桥梁中、高频的振动,但是会放大桥梁低频的振动响应。3)如要采用浮置板轨道来降低轨道交通产生的噪声,还应考虑采用浮置板轨道后钢轨辐射噪声的增加。

参考文献

[1]刘维宁,马蒙,刘卫丰,等.我国城市轨道交通环境振动影响的研究现状[J].中国科学(科学技术),2016,46(6):547-559.

[2]刘学文,吴川,谢军,等.长型浮置板轨道隔振系统理论分析:弥散曲线及临界速度[J].计算力学学报,2009,26(6):919-923.

[3]袁俊,胡卫兵,孟昭博,等.浮置板轨道结构类型比较及其隔振性能分析[J].测试与诊断,2011,31(2):223-228.

[4]李增光,吴天行.浮置板轨道二维建模及隔振性能分析[J].铁道学报,2011,33(8):93-98.

[5]姚京川,杨宜谦,王澜.浮置板式轨道结构隔振效果分析[J].振动与冲击,2005,24(6):108-110.

作者:黄俊飞 左志远 单位:隔而固振动控制有限公司

浮置板轨道交通箱形梁减振效果分析

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