钢轨嵌入式轨道结构及其设计优化

摘　要　在对现有轨道结构类型进行分析的基础上, 论述了嵌入式轨道结构的设计理念,对其设计优化进行了初步研究,并分析了减振降噪的原理,提出了合理的下部基础形式。

关键词　轨道结构,整体道床轨道,嵌入式轨道

轨道结构按其轨下基础型式可分为有碴轨道和无碴轨道。有碴轨道作为传统的轨道结构,其主要的缺点是养护维修费用较高。与有碴轨道相比, 无碴轨道具有少维修、结构整体性和稳定性好的优点,因此很适用于城市轨道交通。且已成为城市轨道交通中轨道结构的主要型式。然而,由于无碴轨道下部基础采用混凝土结构,与有碴轨道相比较, 会产生更大的振动和噪声。因此,有必要发展新型的无碴轨道或对现有轨道结构进行改善,即发展低噪声少养护的轨道结构。嵌入式钢轨技术的发展和应用,代表着轨道结构设计的巨大进步。
1 　嵌入式轨道结构
传统的轨道结构,其钢轨和轨枕(或整体道床) 是通过扣件连接的,钢轨的支撑和固定都是离散的,钢轨完全暴露在空气中。嵌入式轨道结构则采用连续的固定和支撑方式,其基本做法是:用一种叫corklast 的弹性体将钢轨固定在钢筋混凝土板整体道床的凹槽内,整个钢轨几乎完全埋置在弹性体中,除了必要的信号电缆和牵引供电电缆外,在钢轨和混凝土之间以及两条钢轨之间没有任何的机械联结(图1) 。嵌入式轨道结构具有以下优于传统非连续支承轨道结构的优点: ① 减小了轨道结构的厚度,厚度只有200 mm ; ② 不仅在设计上有很大的自由度,而且由于钢轨是连续支撑的,减少了钢轨疲劳的发生; ③ 不需要轨距拉杆、混凝土轨枕和钢轨联结部件; ④ 由于周围的线路路基可以和钢轨面齐平,对平交道口和库内工作很理想; ⑤ 具有良好的减振降噪性能和少养护维修的特点。

图1 　嵌入式轨道结构横断面图
嵌入式轨道结构的减振降噪原理主要体现在以下3 个方面: ① 钢轨完全由槽内弹性体和轨下弹性条连续固定和支承,优化了整个轨道结构在水平和竖向的刚度;其垂向弹性由轨下弹性条和槽内弹性体共同提供,很大程度上模拟了传统有碴轨道结构的受荷响应。② 传统轨道结构采用离散的钢轨支承方式,在列车的反复荷载作用下,导致钢轨产生不平顺性,增加了轨道结构的振动响应;而嵌入式轨道结构采用连续的弹性支承,大大降低了钢轨的不平顺性,从而减少了轨道结构的振动。③ 由于钢轨几乎完全埋置在弹性体内,减少了噪声源,也减少了噪声的反射面积,起到了降噪的作用。荷兰的实验研究表明,同样采用u ic 54 钢轨,嵌入式轨道结构的噪声只比传统的有碴轨道结构高2 db (a) ,其减振效果在10 db (a) 左右。
2 　嵌入式轨道结构的设计优化
对嵌入式轨道结构的进一步发展就是优化其减振降噪性能,降低其造价。由于嵌入式轨道结构比较简单,没有扣件等连接零件,因此,其优化的着眼点应该是钢轨本身和弹性体。为了降低列车通过时轨道结构引起的振动和噪声,荷兰在开发板式轨道时,研制了轨头形状与u ic 54 相似的sa42 型矮轨,并采用嵌入式轨道结构技术(图2) 。这种新型低噪声嵌入式轻型钢轨,每米仅重42 kg , 高8 cm , 其相应的凹槽体积要小的多,从而可以节约多达60 % 的弹性体,减少了轨道结构的高度,降低了工程造价。由于这种钢轨矮胖,车辆通过时引起钢轨腹板的振动频率较低,提高了轨道结构减振降噪效果,与采用u ic 54 钢轨的有碴轨道结构比较, 可以减少噪声约5～7 db (a) 。

图2 　新型低噪音嵌入式钢轨

3 　嵌入式轨道结构的下部基础
嵌入式钢轨的调整定位是一项复杂精密的工作,而且钢轨定位以后就不能做横向和竖向调整。因此,对其下部基础提出了严格的要求。一般来说,有以下两种类型的下部基础适合于嵌入式轨道结构: ① 混凝土板式道床,这是最典型的嵌入式轨道结构,道床采用预应力加强混凝土板,沿线路的纵向和横向分别施加了比例高达1. 5 % 的预应力。这种类型的轨道结构在荷兰的铁路干线和轻轨线路上,尤其在桥梁和平交线路上,都有很大程度的使用,其结构如图3 所示。② 采用箱型梁作为下部基础。在这种轨道结构中,箱型梁直接放在土路基上,路基的沟槽形状和梁体相吻合;整个梁的重量不大于挖出的土体的重量,这样梁下的土体不会发生大的沉降和变形(图4) 。箱梁具有和桥梁相当的挠曲刚度,能够保证轨道结构正确的几何形位, 因此非常适合于嵌入式轨道结构。

图3 　采用板式轨道结构

图4 　采用箱型梁轨道结构
4 　结语
伴随着城市轨道交通的大规模发展,轨道交通沿线噪声和振动问题越来越引起人们的重视。嵌入式轨道结构作为一种新型的减振降噪型轨道结构,在荷兰至德国的运输干线上已经有17 年的运营经验,另外在欧洲很多地方的车站和桥梁上也得到了广泛的应用。由于嵌入式轨道结构采用连续的弹性支承,钢轨内部的疲劳应力很小,减少了钢轨的磨耗,改善了车辆的运行性能,并一定程度上提高了列车运行的舒适度,轨道结构非常安全。在使用寿命方面,嵌入式轨道结构比传统的有碴轨道结构长50 % 。荷兰的研究表明,嵌入式轨道结构不仅少振动低噪声,而且其养护维修费用很低,总体造价比较经济,符合未来轨道结构的发展要求。但是由于其施工工艺复杂,而且我国还没有生产这种弹性体的厂家,因此,目前我国还不宜大规模铺设。目前宜先进行室内实验研究,并在一些对噪声和振动比较敏感的地段,考虑铺设嵌入式轨道结构,以开展相应的试验工作。

参　考　文　献
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
4 　刘加华. 城市轨道交通轨道结构的减振降噪设计. 见:上海市土木工程协会铁道工程专业委员会,论文集,2001 年学术年会,2001 :186～192
5 　baxter m i , 胡列德译. 无碴轨道的开发现状. 世界铁路,1994 , (1) :6～8