城市鐵路西直門車站鋼彈簧浮置板道床的應(yīng)用與設(shè)計(jì)
摘 要：從減振原理、應(yīng)用場(chǎng)所、方案設(shè)計(jì)、各專業(yè)配合等方面，介紹了正在建設(shè)的城市鐵路西直門車站減振型軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為今后類似工程條件的設(shè)計(jì)提供借鑒。關(guān)鍵詞：鋼彈簧浮置板、隔振、設(shè)計(jì)
1 西直門車站的周邊環(huán)境及減振要求
北京市西直門--東直門城市鐵路工程（以下簡(jiǎn)稱“城鐵”）是北京申奧承諾的軌道交通線路之一，是全國(guó)第一條集地下線、高架線、地面線為一體的快速軌道交通項(xiàng)目，全長(zhǎng)40.6km。西直門車站是“城鐵”的起點(diǎn)站。 “城鐵”西直門站位于繁華的西直門地區(qū)新建的西直門交通樞紐之中，與公交、國(guó)鐵、環(huán)線地鐵、水運(yùn)等在交通樞紐中匯集。緊鄰“城鐵”西直門站西側(cè)是華融公司已立項(xiàng)開發(fā)的三棟高層高檔流線形的寫字樓；東側(cè)是新改建的國(guó)鐵北京北站；周圍是公交站點(diǎn)；地下是環(huán)線地鐵站。“城鐵”西直門站為高架三層框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，站臺(tái)層在第三層。除兩條正線外還有一條存車線。“城鐵”車站結(jié)構(gòu)與相鄰的流線形寫字樓的地下結(jié)構(gòu)連通為一體，地下為超市及停車場(chǎng)。
在西直門交通樞紐環(huán)境評(píng)估報(bào)告中明確要求，軌道交通的西直門站應(yīng)考慮采取更有效的減振、隔振措施。市政府有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)也指示，因西直門交通樞紐的遠(yuǎn)期高峰小時(shí)將有約5.2萬(wàn)人次換乘，且周圍為高檔寫字樓，設(shè)計(jì)應(yīng)以人為本，保護(hù)環(huán)境最為重要。單一從“城鐵”的減振要求而言，因西直門車站處在的交通樞紐之中，對(duì)減振并無(wú)特殊要求。但是就盡可能減小軌道交通的振動(dòng)對(duì)周邊寫字樓的影響及考慮減小交通樞紐中的整體噪聲水平、從而提高交通樞紐的綜合環(huán)境水平而言，對(duì)軌道的減振水平要求又很高。因此，在西直門站軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行了以減振性能為主要因素的方案比選。
2 減振方案比選
在進(jìn)行西直門車站初步設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)西直門站的特殊地理位置及環(huán)境要求，對(duì)國(guó)內(nèi)外的軌道減振措施進(jìn)行了認(rèn)真的理論分析及工程類比。綜合其減振性能、工程可實(shí)施性、造價(jià)等因素，選擇了四個(gè)方案進(jìn)行比選。這四個(gè)方案分別是：軌道減振器扣件、彈性套靴式整體道床、美國(guó)Lord公司的膠結(jié)彈性扣件、德國(guó)隔而固（GERB）公司的鋼彈簧浮置板道床。
前兩個(gè)方案是國(guó)內(nèi)已建和在建地鐵項(xiàng)目中應(yīng)用較多的軌道減振方案。如北京環(huán)線地鐵的東四十條站采用了彈性套靴式減振型軌道，取得了預(yù)期的減振效果，其上方的保利劇院等建筑物，均未受到地鐵列車運(yùn)行的影響。軌道減振器扣件類似于德國(guó)的科隆蛋，已應(yīng)用于上海地鐵一、二號(hào)線的較高要求減振地段。這兩種減振型軌道的振動(dòng)加速度級(jí)減振效果一般為5~10dB。
后兩個(gè)方案在國(guó)內(nèi)還沒有工程應(yīng)用，國(guó)外則有很多的工程應(yīng)用實(shí)例。膠結(jié)彈性扣件已應(yīng)用于美國(guó)及其他國(guó)家和地區(qū)的地鐵項(xiàng)目。一般減振效果可達(dá)10dB以上。鋼彈簧浮置板道床應(yīng)用于德國(guó)、英國(guó)、巴西和韓國(guó)等高鐵和地鐵項(xiàng)目。一般減振效果為25~40dB。深圳地鐵一號(hào)線在地鐵線路穿越市政府一段（雙線255m），于2001年已決定采用該方案，并已經(jīng)通過(guò)在鐵道科學(xué)研究院的實(shí)尺模型試驗(yàn)。試驗(yàn)的減振效果為40dB，隔振器下的地面未受到激振力的影響。從國(guó)外已采用鋼彈簧浮置板道床的地鐵運(yùn)營(yíng)情況看，被保護(hù)建筑物內(nèi)均未受地鐵列車運(yùn)營(yíng)所產(chǎn)生振動(dòng)的影響。
類似于西直門站這種高架車站與周邊建筑緊鄰的情況在國(guó)內(nèi)還是首例。這種工程條件下的隔振措施，還沒有技術(shù)成熟且國(guó)內(nèi)有應(yīng)用實(shí)例的方案。在方案比選的過(guò)程中，從西直門站的結(jié)構(gòu)型式、周邊開發(fā)項(xiàng)目的性質(zhì)、所處的地理位置和周邊環(huán)境等方面綜合考慮，并參考國(guó)外同類工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)國(guó)外專家的技術(shù)咨詢，推薦鋼彈簧浮置板道床為實(shí)施方案。由于華融寫字樓和“城鐵”西直門交通樞紐屬于同期規(guī)劃，首規(guī)設(shè)委在[2000]765號(hào)文件中就北京西直門交通樞紐初步設(shè)計(jì)減振降噪標(biāo)準(zhǔn)及特殊隔振追加投資分?jǐn)倖栴}進(jìn)行了批復(fù)。“城鐵”公司和華融公司按照首規(guī)委文件精神進(jìn)行了多次磋商，并組織設(shè)計(jì)院、有關(guān)專家和隔振廠家進(jìn)行多次技術(shù)交流和專家論證，從設(shè)計(jì)院提出的多種備選方按中，確定采用鋼彈簧浮置板隔振技術(shù)方案。此處采用鋼彈簧浮置板道床方案，其技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、社會(huì)效益好。正是西直門車站隔振要求這一工程急需才帶來(lái)了鋼彈簧浮置板在中國(guó)軌道交通中的應(yīng)用及配套工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。
3 鋼彈簧浮置板道床隔振原理及技術(shù)特點(diǎn)
⑴ 鋼彈簧浮置板道床隔振原理
鋼彈簧浮置板道床是將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置在鋼彈簧隔振器上，構(gòu)成質(zhì)量－彈簧－隔振系統(tǒng)。隔振器內(nèi)放有螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼。
盡管浮置板具有很多高階振動(dòng)模態(tài)，但對(duì)隔振效果起關(guān)鍵作用的是浮置板－彈簧系統(tǒng)的6個(gè)低階剛體固有振動(dòng)模態(tài)，其隔振原理仍然可以用單質(zhì)量－單自由度振動(dòng)體系來(lái)分析。假設(shè)激振力是一正弦函數(shù)，如圖1。橫坐標(biāo)軸是激振頻率與系統(tǒng)固有頻率之比h，簡(jiǎn)稱調(diào)諧比；縱坐標(biāo)軸為傳遞到基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)力振幅與激振力振幅之比VF，簡(jiǎn)稱傳遞比。當(dāng)調(diào)諧比接近1時(shí)，即當(dāng)激振頻率接近系統(tǒng)固有頻率時(shí)，傳遞比大于1，系統(tǒng)處于共振區(qū)；而當(dāng)調(diào)諧比大于 以后，系統(tǒng)進(jìn)入隔振區(qū)，傳遞比開始小于1，基礎(chǔ)力動(dòng)載振幅小于激振力振幅，激振力被慣性質(zhì)量的慣性力部分平衡掉。而當(dāng)調(diào)諧比遠(yuǎn)大于 以后，質(zhì)量塊的慣性力與激振力相位相反，而數(shù)值接近，相互平衡掉，僅有靜荷載和小部分殘余動(dòng)荷載通過(guò)彈簧阻尼元件傳到基礎(chǔ)上。
鋼彈簧隔振器內(nèi)有粘滯阻尼，使鋼彈簧具有三維彈性，且橫向剛度可以獨(dú)立設(shè)計(jì),可以設(shè)計(jì)出很高的橫向穩(wěn)定性，而橡膠的橫向剛度很小，需橫向限位裝置，限制了垂向剛度的設(shè)計(jì)空間。與鋼彈簧相匹配的粘滯阻尼也恰好具有三維以上的阻尼，增加了系統(tǒng)的各向穩(wěn)定性和安全性，且能抑制和吸收固體聲。
⑵ 鋼彈簧浮置板道床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則
浮置板系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即在浮置板自重作用下彈簧壓縮量和列車動(dòng)荷載引起的壓縮量。這兩個(gè)參數(shù)一旦確定，就基本確定了浮置板的主要尺寸和隔振效果。首先，要根據(jù)列車軸重確定浮置板的每延米重量。該重量一般取值為最大軸重的25－30％。然后確定浮置板的厚度和寬度。浮置板的長(zhǎng)度不僅對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性而且對(duì)浮置板系統(tǒng)的總造價(jià)都有影響。浮置板越短，接點(diǎn)越多，造價(jià)越高。最后再根據(jù)每延米重量選取隔振器的型號(hào)和數(shù)量，并驗(yàn)算彈簧變形和動(dòng)變形。
主要設(shè)計(jì)步驟如下。
1) 根據(jù)激振頻率ω，確定隔振系統(tǒng)的固有頻率 。
確定鋼彈簧浮置板系統(tǒng)的自振頻率是整個(gè)隔振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而系統(tǒng)自振頻率的取值與被保護(hù)對(duì)象（建筑）的種類，位置及環(huán)境條件有關(guān)。
2) 根據(jù)車輛軸重P確定隔振系統(tǒng)質(zhì)量m：m=0.25~0.3P
一般情況下，要達(dá)到理想的隔振效果，作為參振質(zhì)量的的浮置板較重，而隔振器的剛度較小。一般橡膠類減振器無(wú)法達(dá)到。
4) 進(jìn)行隔振器的動(dòng)靜比γ設(shè)計(jì)，以期達(dá)到更長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)疲勞壽命。
式中：Yd 、 Yj——由動(dòng)荷載、自重分別引起的彈簧振幅；
5) 浮置板的外形及強(qiáng)度設(shè)計(jì)
根據(jù)鋼彈簧浮置板地段的結(jié)構(gòu)特性、浮置板的動(dòng)力特性及混凝土的伸縮等條件確定浮置板的長(zhǎng)度。
6) 進(jìn)行鋼筋混凝土浮置板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
浮置板的設(shè)計(jì)，必須進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算及動(dòng)力學(xué)分析，以保證鋼彈簧浮置板道床減振降噪效果。
⑶ 鋼彈簧浮置板道床系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)：
1) 該隔振系統(tǒng)的固有頻率低（4～7Hz），可有效的減振和消除固體聲；其減振效果為振動(dòng)加速度級(jí)傳遞損失（道床面到隧道壁）可達(dá)40～60dB，插入損失（道床到建筑物）最小可達(dá)25dB；
2) 該結(jié)構(gòu)的減振元件具有三維彈性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,具有很高的水平方向穩(wěn)定性，無(wú)需橫向限位裝置；
3) 隔振器疲勞壽命長(zhǎng)，易檢查，不需特殊的維護(hù)和保養(yǎng)；
4) 施工簡(jiǎn)便，維修、更換無(wú)需中斷行車；
5) 通過(guò)加設(shè)調(diào)平墊板可用于調(diào)整結(jié)構(gòu)的偶然下沉。
6) 工程造價(jià)高，因?yàn)槭翘厥庠O(shè)計(jì)，需各相關(guān)專業(yè)密切配合。
4 西直門車站鋼彈簧浮置板道床設(shè)計(jì)及分析
西直門車站站臺(tái)形式為兩島一側(cè)，車站的站臺(tái)長(zhǎng)為120m。西直門車站每線設(shè)計(jì)采用鋼彈簧浮置板道床126.53m 。
三條線共設(shè)計(jì)5種規(guī)格、12塊浮置板，如下圖。
車站的行車道結(jié)構(gòu)為8.4mX5的框架結(jié)構(gòu)。為使隔振器作用在結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的橫梁上，隔振器按8.4m間距布置；為了保證浮置板的抗彎剛度和動(dòng)力特性，浮置板的厚度確定為0.66米；為實(shí)現(xiàn)接觸軌的固定，浮置板寬度確定為3.3m；通過(guò)動(dòng)力計(jì)算，確定每段浮置板按跨越4跨行車道框架設(shè)計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為33.6m。最后一段為三跨，長(zhǎng)25.3m。本設(shè)計(jì)的浮置板質(zhì)量為5.2t/m，在無(wú)載荷狀態(tài)下，浮置板懸浮于行車道之上40mm。
2) 隔振器的種類比選
隔振器在浮置板道床中的布置方式，隔振器分為嵌入式和側(cè)置式兩種型式。后者的造價(jià)約是前者的2/3。因西直門車站為高架車站，經(jīng)與車站結(jié)構(gòu)、建筑專業(yè)配合，具有設(shè)置側(cè)置式隔振器的條件，因此為降低造價(jià)，本工點(diǎn)采用側(cè)置式隔振器。隔振器上下無(wú)螺栓連接，采用摩擦系數(shù)為2的專用防滑墊代替。
3) 隔振器彈簧剛度的設(shè)計(jì)
本工程的具體情況，隔振器的支撐剛度設(shè)計(jì)為6.9kN/mm，使在靜荷載、動(dòng)荷載情況下隔振器的壓縮量分別為5mm、10mm。
4) 隔振器的壽命保證
隔振器的鋼彈簧采用磷化處理，并涂鍍環(huán)氧樹脂以防腐。彈簧的工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于彈簧鋼的疲勞應(yīng)力極限。關(guān)鍵焊縫設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)較大，其余高應(yīng)力鋼件進(jìn)行了時(shí)效處理，采用熱鍍鋅保護(hù)。整個(gè)隔振器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)壽命大于50年。
5) 過(guò)渡段設(shè)計(jì)
浮置板道床的南端接本工程區(qū)間高架線采用的剛性整體道床。為使兩種道床相接處的鋼軌變形連續(xù)及支撐剛度漸變，在浮置板道床的最南端，進(jìn)行了加密隔振器等技術(shù)處理，以增大浮置板道床的支撐剛度。與浮置板道床的北端緊鄰的，是高架橋穿越北京“城鐵”的指揮中心辦公樓地段。在該高架橋的支座處亦設(shè)置了隔振支座。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中將西直門車站的隔振器設(shè)計(jì)與指揮中心橋下的隔振支座設(shè)計(jì)一并考慮，增加了浮置板端部的隔振器數(shù)量，以減少剛度突變，使該處兩端的鋼軌動(dòng)態(tài)位移量相當(dāng)。
6) 剪力鉸設(shè)計(jì)
為保護(hù)鋼軌不受大的額外剪力，在浮置板之間的接頭處設(shè)置了5根剪力鉸，剪力鉸和剪力筒分別埋設(shè)在兩塊相鄰浮置板中間，縱向可以相對(duì)自由伸縮，徑向剛度很大，可以傳遞垂向載荷，這樣可以保證相鄰浮置板之間協(xié)同受力，接頭處變形基本一致，鋼軌不額外受剪。
5 與相關(guān)專業(yè)的技術(shù)接口
因軌道采用了鋼彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)，使相關(guān)的結(jié)構(gòu)、建筑、防迷流、給排水等專業(yè)的設(shè)計(jì)都應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。采用鋼彈簧浮置板后，行車道結(jié)構(gòu)的受力方式由承受面荷載變?yōu)槌惺茳c(diǎn)荷載，且荷載值加大，還產(chǎn)生施工期荷載較大等新問題。行車道結(jié)構(gòu)的橫梁寬度與隔振器支撐寬度也進(jìn)行了設(shè)計(jì)調(diào)整。同時(shí)由于預(yù)留隔振器更換空間等原因，站臺(tái)板懸臂寬度加大，站臺(tái)板懸臂端根部亦進(jìn)行了加強(qiáng)。防迷流專業(yè)根據(jù)浮置板的特點(diǎn)，要求在浮置板受力鋼筋之表層另加一層排迷流鋼筋網(wǎng)，以防止鋼筋焊接對(duì)浮置板受力鋼筋的強(qiáng)度影響，并加強(qiáng)對(duì)浮置板的電腐蝕防護(hù)。牽引供電、通信、信號(hào)等專業(yè)的橫向過(guò)軌電纜，經(jīng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，均避開此地段過(guò)軌。
6 施工方法
鋼彈簧浮置板道床的施工采用與區(qū)間剛性整體道床相同的鋼軌支撐架法施工，以確保浮置板道床施工后的軌面精度。施工層面自上而下，即先架軌至軌道高低、水平、軌距等達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，然后灌注整體道床。不同之處是，鋼彈簧浮置板道床施工在架軌時(shí)應(yīng)預(yù)留出處于懸浮狀態(tài)時(shí)浮置板與行車道結(jié)構(gòu)頂板間的縫隙40mm；在澆注道床混凝土前應(yīng)敷設(shè)隔離薄膜，以隔離道床混凝土與結(jié)構(gòu)混凝土；在預(yù)制隔振器箱中放置隔振器，經(jīng)過(guò)對(duì)浮置板實(shí)施頂升后，釋放頂升的千斤頂，使隔振器受力，軌面升至設(shè)計(jì)軌面標(biāo)高。主要步驟如下：
1）在行車道結(jié)構(gòu)頂面鋪設(shè)隔離膜，以隔離浮置板混凝土與結(jié)構(gòu)頂面混凝土；
2）架軌，并調(diào)整軌道高低、水平、軌距等達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；
3）放置已預(yù)制好的隔振器支承箱、立模板、綁鋼筋，放置剪力桿，并調(diào)整好支承箱和剪力桿的位置；
4）澆注混凝土，養(yǎng)護(hù)混凝土達(dá)到28天強(qiáng)度后，方可開始頂升；
5）頂升前，先設(shè)置永久測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，并測(cè)量記錄；
7）利用專用液壓頂升系統(tǒng)對(duì)浮置板從一端開始，進(jìn)行多點(diǎn)（2x4點(diǎn)，3跨）多輪（5x10mm）頂升，每輪頂升后浮置板下面的間隙用墊塊墊起；
6）浮置板頂升均達(dá)50mm以后，放置隔振器到位，放置調(diào)平鋼板和防滑墊；
7）再?gòu)囊欢碎_始，先用千斤頂多點(diǎn)（2x4點(diǎn)）卸載墊塊并抽出墊塊，然后回落千斤頂，使浮置板的重量落到隔振器上；
8）待所有的浮置板重量落到隔振器上后，浮置板處于浮置狀態(tài)；
9）測(cè)量并調(diào)整浮置板的局部高度至設(shè)計(jì)高度后，精調(diào)軌面。
經(jīng)過(guò)浮置板道床地段施工前的精心準(zhǔn)備，以及德國(guó)專家的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，目前西直門車站的浮置板道床已經(jīng)順利施工完畢，浮置板處于懸浮狀態(tài)。
7 小結(jié)
通過(guò)西直門車站的隔振軌道設(shè)計(jì)，將德國(guó)隔而固公司的鋼彈簧隔振器技術(shù)與西直門車站這一具體工點(diǎn)的減振要求有機(jī)地相結(jié)合，以發(fā)揮鋼彈簧浮置板道床的隔振技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而隔離軌道交通的振動(dòng)，消除固體聲，盡量減少軌道交通對(duì)周圍建筑物的振動(dòng)影響。這將對(duì)改善西直門交通樞紐的環(huán)境條件都將起到良好的作用。這是鋼彈簧浮置板道床在我國(guó)的首次工程應(yīng)用。
就隔振原理而言，鋼彈簧浮置板道床是行之有效的隔振措施。但是由于其價(jià)格等原因，只有在軌道交通與振動(dòng)敏感點(diǎn)的相對(duì)位置十分不利，即預(yù)測(cè)振動(dòng)敏感點(diǎn)將超標(biāo)25dB以上的情況下使用，采用此隔振方案的性價(jià)比是比較合理的。待“城鐵”開通運(yùn)營(yíng)后，計(jì)劃將對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)際隔振效果進(jìn)行量化的測(cè)試與評(píng)估。
