振动模态分析在浮置板轨道结构上的应用

随着城市轨道交通在国内的快速发展,列车运营所产生的振动及噪声污染问题将越来越突出。为此,在减振要求特殊地段采用浮置板轨道结构,而轨道结构的减振性能与其固有频率有关,因此需要对轨道结构的动力特性进行更深入的研究。在建立浮置板轨道系统的振动分析模型基础上,对浮置板轨道系统进行模态分析,得到该系统的振动动力特性(固有频率、振型),可为轨道结构的合理设计提供一定的理论依据。     

浮置板轨道结构的振动频率分析

浮置板轨道结构在城市轨道交通中的减振降噪效果最显著,而其减振性能与它的固有频率有关.通过建立浮置板轨道有限元分析模型,对浮置板轨道进行了模态分析.分析了浮置板轨道的断面形状、弹性支座刚度、浮置板长度、弹性支座布置间距等对浮置板轨道系统振动频率的影响.分析结果可为浮置板轨道结构的优化隔振设计提供一定的理论依据.     

城市轨道交通低频减振轨道结构研究

针对城市轨道交通常规减振型轨道结构在低频域(30Hz)范围内因共振放大低频振动的现象,提出一种被动式动力减振轨道结构。基于扩展定点理论和有限单元法,利用最优同调和最优阻尼条件,得到抑制浮置板轨道1阶模态振动的最优刚度和阻尼。以短型钢弹簧浮置板轨道为例,建立车辆-被动式动力减振浮置板轨道耦合动力学模型。计算结果表明:被动式动力减振浮置板可有效抑制13 Hz(短型浮置板1阶固有频率)附近的振动加速度,质量比为0.2时被动式动力减振浮置板使13Hz处振动降低12dB;被动式动力减振浮置板使弹簧支点反力在13Hz附近的峰值明显降低,有效降低传递至周围建筑物的低频振动;被动式动力减振浮置板轨道结构的质量比越大,其对1阶模态振动的减振效果越好。     

减振轨道对高架桥梁低频振动特性的影响

基于有限元方法与车辆—轨道耦合动力学理论,针对城市高架轨道交通引起的低频振动现象,着重分析了常用高架简支箱梁在铺设非减振型轨道、钢弹簧浮置板轨道和被动式动力减振浮置板轨道3种情况下的低频振动特性。结果表明:在0~30 Hz,非减振型轨道板因与梁体共同运动,其振动水平较钢弹簧浮置板略低,但非减振型轨道板无法有效衰减传递到桥梁结构的振动;在15~30 Hz,钢弹簧浮置板通过增大轨道板自身振动的方式降低板下结构的振动,墩顶的振动加速度级衰减量约10~20 d B,但会放大轨道在1阶固有频率(5 Hz左右)处的振动水平;插入控制1阶模态振动的被动式动力吸振器,可使浮置板及桥墩各测点在1阶固有频率处的振动大幅衰减,桥墩的振动加速度级衰减量约为10 d B,有效弥补了钢弹簧浮置板结构的不足。     

U型梁上减振垫浮置板轨道系统动力分析

研究目的:深圳地铁6号线是首条全高架采用"U型梁+减振垫浮置板轨道"系统的地铁快线,为检验是否存在系统共振,考察行车安全性指标和桥梁结构振动情况,本文通过建立车-轨-桥耦合动力学模型,对系统固有频率以及车辆、轨道、桥梁动力特性进行研究,以期指导深圳地铁6号线桥梁、轨道结构设计实践。研究结论:(1) U型梁与减振垫浮置板轨道自振频率相差较大,二者发生低阶共振的可能性较小;(2) U型梁上采用减振垫浮置板轨道以后,行车安全性指标、轨道及桥梁动力学指标均满足规范要求;(3)减振垫浮置板轨道系统可降低桥梁结构振动5～8 d B;(4)本文所采用的系统动力检算方法,既验证了"U型梁+减振垫浮置板轨道"设计方案的合理性,同时也对国内地铁高架线减振设计具有一定的指导意义。     

基于TRIZ理论的低频减振轨道结构研究

研究目的:针对常规浮置板轨道结构会放大低频振动的现象,基于发明问题解决理论(TRIZ)的思想和方法,利用发明原理、流分析等工具,提出低频减振轨道结构方案,并对部分方案进行数值仿真验证。研究结论:(1)利用空间分离原理,提出"分离式"轨道板结构,可克服"刚度既要低,又要大"这个物理矛盾;(2)利用流分析中"结合一个反流"的方法,提出"被动式动力减振"轨道结构,即在轨道板上弹性连接一个附加质量块,通过附加质量块相对于轨道板的反相位振动,可实现在常规浮置板轨道结构固有频率处施加一个反流的目的,从而消除常规浮置板轨道结构会放大低频振动的现象;(3)利用多体系统动力学和有限元技术,建立了车辆-被动式动力减振浮置板轨道结构耦合振动模型,计算结果表明:被动式动力减振浮置板轨道结构可以有效地抑制常规浮置板轨道结构在13 Hz(一阶模态)附近的低频振动,浮置板振动加速度由1.06 m/s~2减小到0.25 m/s~2,降低幅度达76%;(4)本研究结果可供低频减振轨道结构设计参考。     

橡胶浮置板轨道垂向动力特性分析

根据浮置板轨道系统的结构特点及隔振原理,结合轮轨系统耦合动力学理论,建立了车辆—橡胶减振垫型浮置板轨道系统垂向耦合振动模型,以美国五级谱随机不平顺作为轮轨激励,计算了车辆和轨道系统的动力响应,并分析了减振垫面刚度对轨道结构动力特性及垂向力的传递特性的影响。计算表明,减振垫的面刚度对车辆系统的动力响应影响不大,但对轨道系统影响较大;随着面刚度的减小,传递到基础上的垂向力明显减低,而钢轨和浮置板的垂向变形会有所增大;在保证轨道系统稳定性的前提下,存在合理的较低的减振垫面刚度,使得减振效果最佳。     

两侧半铺减振垫浮置板轨道设计及振动特性研究

为了改善减振垫浮置板轨道的减振效果，基于定性理论分析，通过优化设计，提出了新型的两侧半铺减振垫浮置板轨道，并制作足尺模型，采用落锤激振方法对其振动特性进行了测试及分析。结果表明：适当减小减振垫铺设面积可以提高浮置板轨道的减振性能，降低隔振频率，优化后其固有频率从31.9 Hz降至26.6 Hz；采用不同落锤进行激振试验得到的振动响应均与现场实测结果有一定差异，其中自动落锤的响应频带与实测结果相对接近，可以在一定程度上模拟实际工况下轨道结构的振动；在实际工况中振动响应最大的100 Hz频率处，相比于非减振轨道，两侧半铺减振垫浮置板轨道在底座板处的振动插入损失约为8 dB，减振效果显著。     

浮置式轨道结构的自振频率有限元分析

浮置式轨道结构作为一种减振降噪的轨道结构,广泛应用于城市轨道交通线路中。目前,这类轨道结构有钢弹簧浮置板、隔离式减振垫和梯形轨枕等几种轨道型式,其中钢弹簧浮置板轨道又包括传统的现浇钢弹簧浮置板轨道与新型的预制钢弹簧浮置板轨道。文章通过对这4种浮置式轨道的自振频率有限元分析,研究了不同设计参数对它们各自自振动频率的影响,以期为今后浮置式轨道结构其他动力特性分析提供参考。     

轨道型式对地铁与建筑物共建结构振动响应的影响

以上海某地铁站与建筑物共建工程为例,现场实测由于地铁运行引起的车站站厅层、上部结构各楼层的动力响应,建立道床—共建结构—地基二维动力有限元模型。通过对比分析计算和实测的共建结构竖向振动加速度的时域谱和1/3倍频程振级谱,探讨普通轨道、科隆蛋高弹扣件轨道和钢弹簧浮置板轨道在引起共建结构振动响应方面的差异。研究结果表明:采用科隆蛋高弹扣件轨道时,共建结构同一位置的加速度峰值约是普通轨道的1/2,而固有频率为6 Hz的钢弹簧浮置板轨道的加速度峰值仅为普通轨道的1/10左右,但钢弹簧浮置板轨道引起的振动周期和持时相对较长;科隆蛋高弹扣件轨道与钢弹簧浮置板轨道均有明显的减振效果,所不同的是前者对25 Hz以下、后者对25 Hz以上频段的竖向振动有较好减振效果;钢弹簧浮置板固有频率的变化对该共建结构振动响应的影响很小。     

浮置式梯形轨枕轨道减振器刚度对轨道动力特性影响分析

浮置式梯形轨枕轨道相对于其他轨道系统有良好的减振降噪效果。现阶段对该种轨道形式的研究较少,利用有限元软件从谐响应方面分析浮置式梯形轨枕轨道的动力特性,并在此基础上,深入分析减振器刚度变化对系统动力特性的影响规律,以反映参数变化对浮置式梯形轨枕轨道减振性能的影响。分析结果显示,在该轨道系统中使用刚度小的减振器可提高其减振性能,提高行车舒适性及改善轨下结构受力特性。     

轨道结构参数对钢轨和轨枕振动特性的影响

建立轨道结构三维实体有限元模型,同时考虑钢轨、轨下垫层、轨枕和道床,并与已有轨道结构振动模型的数值结果进行比较。结果表明,本文模型的数值结果在高频部分较合理,能够反映轨道结构高频振动特性。分析不同轨道结构参数对钢轨和轨枕振动特性的影响,这些轨道结构参数主要包括钢轨材料损失因子和钢轨质量、轨下垫层损失因子和垂向刚度、轨枕质量和损失因子、道床的刚度与阻尼特性等。分析结果表明,轨道结构参数的改变对钢轨和轨枕在不同频域范围影响不同,通过合理的轨道结构系统参数优化设置,可达到减振降噪效果。相关计算和分析结果可为低噪声轨道的设计提供依据与参考。     

地铁减振板式轨道动力测试与减振特性研究

地铁减振板式轨道作为一种新型轨道结构,具有质量高、施工快、维修少等特点,在地铁线路中逐渐得到推广应用。为揭示地铁板式轨道减振效果,选取天津地铁5号线板式轨道、现浇整体道床断面,采用现场试验和数值模拟方法,对其动力学行为和减振特性进行研究。结果表明:与现浇整体道床相比,地铁板式轨道降低了轮轨横、垂向力和安全性指标,有利于行车安全;由于板式轨道整体刚度较低,钢轨垂向位移略有增加;板式轨道与整体道床结构振动由上至下依次减小,且板式轨道减小幅度更为显著;与现浇整体道床相比,除轨道板振动加速度增大外,其余结构加速度均一定程度减小;板式轨道隧道壁处时域上减振明显,频域上全频段减振,最高减振达16.92 dB。     

TLV移动加载对轨道结构动态特性的影响分析

为探究轨道加载试验车(简称TLV)在高速、重载线路上移动加载测试时其合理的加载参数,建立"TLV—高速板式无砟轨道/重载有砟轨道—路基"空间耦合动力学模型,系统分析加载速度、加载力、轨道结构参数的变化对轨道结构动态特性的影响规律。结果表明:满足测试要求前提下,同等加载力下合理的移动加载速度建议参考值为40~50km/h;同等加载速度下移动加载力越大,可认为加载力参数越为合理;轨下结构刚度的增大使得TLV移动加载下测得的轨道部件动位移降低,振动响应增强;TLV移动加载下不同轨道结构部件的动态特性对于轨道结构参数变化的敏感程度不同。     

基于现场锤击试验的地铁轨道振动特性分析及参数研究

近来,由于轮轨共振而产生的地铁钢轨异常波磨问题备受关注。轨道结构动力特性分析是开展轮轨耦合振动研究的基础,地铁轨道结构的动力特性取决于各组成部分(钢轨、扣件、轨枕和道床等)的物理特性及其组合形式。基于轨道结构的周期性频域解析模型,结合北京地铁在线锤击试验,通过计算轨道结构在脉冲荷载下的频响函数,对0~2000Hz频段内轨道结构的动力响应主频进行分析;并通过改变轨道结构参数,分别研究了不同轨道结构参数对各轨道结构动力响应主频的影响情况。研究结果表明:轨下支撑刚度对钢轨共振频率影响较大,枕下支撑刚度对轨道系统共振频率影响较大,轨下和枕下支撑阻尼仅能改变各共振频率点的响应幅值;轨枕支撑间距对pinned-pinned共振频率影响较大,对其他共振频率点的影响较小。     

中低速磁浮交通轨排连接性能对轨道动力响应的影响

中低速磁浮交通轨道结构振动直接影响着行车安全。以中低速磁浮轨排-桥梁结构为研究对象,通过锤击模态试验、有限元理论模拟等方法分析螺栓连接性能对轨道动力响应的影响。研究表明:锚固螺栓在正常工况下,F轨的竖向自振频率集中在60~100 Hz,谐响应频率在80 Hz以上;锚固螺栓的松动导致F轨自振频率大幅降低,谐响应频率明显降低;在列车荷载作用下轨排振动大幅提高。锚固螺栓松动改变了轨排的振动传递性,直接影响悬浮控制系统的调节过程,容易引发异常共振。     

轨道结构动力分析的傅里叶变换法

将傅里叶变换法应用于轨道结构动力分析，首先对轨道结构振动方程进行傅里叶变换，求解傅里叶变换域中的振动位移，再通过快速离散傅里叶逆变换得到轨道结构的振动响应。该方法适用于任何复杂的轨道结构动力学问题。文中针对轨道结构连续弹性单层梁模型和双层梁模型，用傅里叶变换法求得了单轮通过时的轨道临界速度，分析不同的轨下橡胶垫板和弹性扣件、荷载速度及激振频率对轨道结构振动的影响。研究表明，轨道结构有多个临界速度，特别需要关注的是最小的轨道临界速度，这一速度容易被中、高速列车超过，从而引起轨道结构的强烈振动。另外，用连续弹性单层梁模型得到的最小轨道临界速度与理论计算结果一致；对双层梁模型，则很难用解析的方法求得轨道临界速度。     

不同时速下地铁多种轨道结构现场测试与分析

近年来地铁振动污染问题日益突出,地铁中亦采用多种减振轨道结构型式用于减振。为详细评价各种减振轨道结构的减振效果,以地铁动力测试为依托,在频域内分析4种轨道结构各测试断面在不同时速下的振动特征。结果表明:对于长枕埋入式整体道床轨道而言,行车速度的增加对钢轨、道床、隧道竖向加速度低频范围内的影响较大,而在中高频影响较小。对于GJ-Ⅲ型中等减振扣件轨道,随着行车速度的增加,GJ-Ⅲ型中等减振扣件轨道减振效果下降较明显。同时随着行车速度的提高,橡胶隔振垫浮置板轨道仅对浮置板和隧道减振效果较稳定,而钢弹簧浮置板轨道对钢轨、浮置板及隧道减振效果都很稳定。     

高速铁路桩板结构路桥过渡段无砟轨道动力特性试验研究

桩板结构被广泛应用于我国高速铁路深厚软土地区地基处理,其对路基与桥梁间不均匀沉降控制具有显著效果,但针对桩板结构路桥过渡段上无砟轨道的结构动力特性却鲜有研究。以杭长高铁桩板结构路桥过渡段为研究对象,采用现场实车测试,分析不同行车速度下过渡段和相邻桥梁上无砟轨道结构动力特性及其差异。研究结果表明,随行车速度增加,钢轨和轨道板加速度呈指数增长,轨道板动位移呈线性增长;同一行车速度下,过渡段和桥梁上轨道结构振动无突变现象,差异性小;由行车测试数据拟合结果预测行车速度达到350 km/h时,过渡段上钢轨加速度约为2 324 m/s~2,轨道板动位移约为0.49 mm,轨道板加速度约为17.89 m/s~2。