鋼軌嵌入式軌道結構及其設計優化

摘　要　在對現有軌道結構類型進行分析的基礎上, 論述了嵌入式軌道結構的設計理念,對其設計優化進行了初步研究,并分析了減振降噪的原理,提出了合理的下部基礎形式。
關鍵詞　軌道結構,整體道床軌道,嵌入式軌道
軌道結構按其軌下基礎型式可分為有碴軌道和無碴軌道。有碴軌道作為傳統的軌道結構,其主要的缺點是養護維修費用較高。與有碴軌道相比, 無碴軌道具有少維修、結構整體性和穩定性好的優點,因此很適用于城市軌道交通。且已成為城市軌道交通中軌道結構的主要型式。然而,由于無碴軌道下部基礎采用混凝土結構,與有碴軌道相比較, 會產生更大的振動和噪聲。因此,有必要發展新型的無碴軌道或對現有軌道結構進行改善,即發展低噪聲少養護的軌道結構。嵌入式鋼軌技術的發展和應用,代表著軌道結構設計的巨大進步。
1 　嵌入式軌道結構
傳統的軌道結構,其鋼軌和軌枕(或整體道床) 是通過扣件連接的,鋼軌的支撐和固定都是離散的,鋼軌完全暴露在空氣中。嵌入式軌道結構則采用連續的固定和支撐方式,其基本做法是:用一種叫Corklast 的彈性體將鋼軌固定在鋼筋混凝土板整體道床的凹槽內,整個鋼軌幾乎完全埋置在彈性體中,除了必要的信號電纜和牽引供電電纜外,在鋼軌和混凝土之間以及兩條鋼軌之間沒有任何的機械聯結(圖1) 。嵌入式軌道結構具有以下優于傳統非連續支承軌道結構的優點: ① 減小了軌道結構的厚度,厚度只有200 mm ; ② 不僅在設計上有很大的自由度,而且由于鋼軌是連續支撐的,減少了鋼軌疲勞的發生; ③ 不需要軌距拉桿、混凝土軌枕和鋼軌聯結部件; ④ 由于周圍的線路路基可以和鋼軌面齊平,對平交道口和庫內工作很理想; ⑤ 具有良好的減振降噪性能和少養護維修的特點。

圖1 　嵌入式軌道結構橫斷面圖
嵌入式軌道結構的減振降噪原理主要體現在以下3 個方面: ① 鋼軌完全由槽內彈性體和軌下彈性條連續固定和支承,優化了整個軌道結構在水平和豎向的剛度;其垂向彈性由軌下彈性條和槽內彈性體共同提供,很大程度上模擬了傳統有碴軌道結構的受荷響應。② 傳統軌道結構采用離散的鋼軌支承方式,在列車的反復荷載作用下,導致鋼軌產生不平順性,增加了軌道結構的振動響應;而嵌入式軌道結構采用連續的彈性支承,大大降低了鋼軌的不平順性,從而減少了軌道結構的振動。③ 由于鋼軌幾乎完全埋置在彈性體內,減少了噪聲源,也減少了噪聲的反射面積,起到了降噪的作用。荷蘭的實驗研究表明,同樣采用U IC 54 鋼軌,嵌入式軌道結構的噪聲只比傳統的有碴軌道結構高2 dB (A) ,其減振效果在10 dB (A) 左右。
2 　嵌入式軌道結構的設計優化
對嵌入式軌道結構的進一步發展就是優化其減振降噪性能,降低其造價。由于嵌入式軌道結構比較簡單,沒有扣件等連接零件,因此,其優化的著眼點應該是鋼軌本身和彈性體。為了降低列車通過時軌道結構引起的振動和噪聲,荷蘭在開發板式軌道時,研制了軌頭形狀與U IC 54 相似的SA42 型矮軌,并采用嵌入式軌道結構技術(圖2) 。這種新型低噪聲嵌入式輕型鋼軌,每米僅重42 kg , 高8 cm , 其相應的凹槽體積要小的多,從而可以節約多達60 % 的彈性體,減少了軌道結構的高度,降低了工程造價。由于這種鋼軌矮胖,車輛通過時引起鋼軌腹板的振動頻率較低,提高了軌道結構減振降噪效果,與采用U IC 54 鋼軌的有碴軌道結構比較, 可以減少噪聲約5～7 dB (A) 。

圖2 　新型低噪音嵌入式鋼軌
3 　嵌入式軌道結構的下部基礎
嵌入式鋼軌的調整定位是一項復雜精密的工作,而且鋼軌定位以后就不能做橫向和豎向調整。因此,對其下部基礎提出了嚴格的要求。一般來說,有以下兩種類型的下部基礎適合于嵌入式軌道結構: ① 混凝土板式道床,這是最典型的嵌入式軌道結構,道床采用預應力加強混凝土板,沿線路的縱向和橫向分別施加了比例高達1. 5 % 的預應力。這種類型的軌道結構在荷蘭的鐵路干線和輕軌線路上,尤其在橋梁和平交線路上,都有很大程度的使用,其結構如圖3 所示。② 采用箱型梁作為下部基礎。在這種軌道結構中,箱型梁直接放在土路基上,路基的溝槽形狀和梁體相吻合;整個梁的重量不大于挖出的土體的重量,這樣梁下的土體不會發生大的沉降和變形(圖4) 。箱梁具有和橋梁相當的撓曲剛度,能夠保證軌道結構正確的幾何形位, 因此非常適合于嵌入式軌道結構。

圖3 　采用板式軌道結構

圖4 　采用箱型梁軌道結構
4 　結語
伴隨著城市軌道交通的大規模發展,軌道交通沿線噪聲和振動問題越來越引起人們的重視。嵌入式軌道結構作為一種新型的減振降噪型軌道結構,在荷蘭至德國的運輸干線上已經有17 年的運營經驗,另外在歐洲很多地方的車站和橋梁上也得到了廣泛的應用。由于嵌入式軌道結構采用連續的彈性支承,鋼軌內部的疲勞應力很小,減少了鋼軌的磨耗,改善了車輛的運行性能,并一定程度上提高了列車運行的舒適度,軌道結構非常安全。在使用壽命方面,嵌入式軌道結構比傳統的有碴軌道結構長50 % 。荷蘭的研究表明,嵌入式軌道結構不僅少振動低噪聲,而且其養護維修費用很低,總體造價比較經濟,符合未來軌道結構的發展要求。但是由于其施工工藝復雜,而且我國還沒有生產這種彈性體的廠家,因此,目前我國還不宜大規模鋪設。目前宜先進行室內實驗研究,并在一些對噪聲和振動比較敏感的地段,考慮鋪設嵌入式軌道結構,以開展相應的試驗工作。

參　考　文　獻
1 　Jelte Bos. Low Noise Track. Rail International , 1999 , (1) :17～22
2 　Jelte Bos ,Herke Stuit ,Deck Track. Rail Interational , 2000 ,(1) :30～37
3 　Valeri Markine ,Amy de Manm , Stasha Jovanoovic , Coenraad Esveld. Modelling and Optimization of an Embedded Rail Struc2 ture. 2000
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