東南大學(xué)地鐵與輕軌計(jì)算題及論文

1、地鐵與輕軌結(jié)課論文地鐵與輕軌課程期末大作業(yè)一、計(jì)算題計(jì)算資料 重型軌道結(jié)構(gòu)組成線路條件：新建公路，曲線半徑800m；鋼軌：60kg/m，U71新軌，25m長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)軌；軌枕：型混凝土軌枕1760根/km；道床：碎石道碴，面碴20cm，底碴20cm；路基：砂粘土；鋼軌支點(diǎn)彈性系數(shù)D：檢算鋼軌強(qiáng)度時(shí)，取30000N/mm；檢算軌下基礎(chǔ)時(shí)，取70000N/mm。st =51 MPa；不計(jì)鋼軌附加應(yīng)力。機(jī)車：韶山SS1型電力機(jī)車，三軸轉(zhuǎn)向架，輪載115kN，軸距2.3米。 試對(duì)軌道各部件強(qiáng)度進(jìn)行檢算。解答：軌道各部件強(qiáng)度驗(yàn)算1) 機(jī)車通過曲線軌道的允許速度的確定：對(duì)于新建鐵路，通過R=800m，允許速度按

2、計(jì)算，由此得vmax = 122km/h。2) 鋼軌強(qiáng)度的檢算：SS1電力機(jī)車的兩個(gè)轉(zhuǎn)向架距離較大，彼此影響很小，可任選一個(gè)轉(zhuǎn)向架作為計(jì)算。由于三個(gè)車輪的輪重和輪距相同，兩端的車輪對(duì)稱，可任選1、2輪或2、3輪作為計(jì)算輪來計(jì)算彎矩的當(dāng)量荷載。計(jì)算結(jié)果見表1。表 1 計(jì)算值計(jì)算輪位計(jì)算值輪 位1231P(N)115000115000115000105616x(mm)023004600x02.7145.4281-0.08780.0062115000-100977132P(N)11500011500011500094806x(mm)230002300x2.71402.714-0.08781-0.08

3、78-10097115000-10097計(jì)算步驟如下：(A) 計(jì)算k值計(jì)算鋼軌強(qiáng)度的D = 30000N/mm，按無縫線路的要求，軌枕均勻布置，軌枕間距a = 1000000/1760 = 570mm，有此可得k = D/a = 30000/570 = 52.6MPa(B) 計(jì)算值 (mm-1)式中 J60kg/m新軌對(duì)水平軸的慣性矩，其值為3217×104 (mm4)。(C) 計(jì)算以1、2輪分別為計(jì)算輪計(jì)算，并選取其中最大值來計(jì)算鋼軌的彎矩。由表1可知，計(jì)算輪1的=105616為其中的最大值，該值用以計(jì)算鋼軌靜彎矩。(D) 計(jì)算鋼軌靜彎矩M(N·mm)(E) 計(jì)算鋼軌動(dòng)彎

4、矩Md查取電力機(jī)車計(jì)算軌底彎曲應(yīng)力的速度系數(shù)公式為，其計(jì)算值為由計(jì)算偏載系數(shù)，式中的h=75mm，= 0.002×75=0.15選取R = 800m的橫向水平系數(shù)f =1.45。將上述系數(shù)代入計(jì)算公式，得 = 22376271×(1+0.73+0.15 )×(1+0.006) ×1.45 =61363701 (N·mm)(F) 計(jì)算鋼軌的動(dòng)彎應(yīng)力s1d和s2d查得新軌的W1=396000mm3及W2=339400mm3。則(MPa)(MPa)查得25m長(zhǎng)的60kg/m鋼軌的溫度應(yīng)力st = 51Mpa。則鋼軌的基本應(yīng)力為 軌底 s1d +st

5、= 155+51 = 206 (MPa)軌頭 s2d +st = 152+51 = 232(MPa)U71新軌的屈服極限sS = 405(MPa)，安全系數(shù)K = 1.3，其允許應(yīng)力為 (MPa)上述軌頭和軌底的基本應(yīng)力均小于，符合鋼軌的強(qiáng)度檢算條件。3) 軌枕彎矩的檢算(A) 計(jì)算k和值計(jì)算軌枕彎矩時(shí)，用D = 70000N/mm，由此可得k和值： (MPa)(mm-1)(B) 計(jì)算軌枕反力的當(dāng)量荷載，其結(jié)果見表2。表 2 計(jì)算值計(jì)算輪位計(jì)算值輪 位1231P(N)115000115000115000110416x(mm)023004600x03.3586.7161-0.041470.001

6、61115000-4769.05185.152P(N)115000115000115000105462x(mm)230002300x3.35803.358-0.041471-0.04147-4769.05115000-4769.05取表中最大的=110416N。(C) 計(jì)算軌枕上動(dòng)壓力Rd速度系數(shù)按下式計(jì)算而得：偏載系數(shù)=0.002h = 0.002×75=0.15； (N)作為算例,來確定軌枕彎矩。計(jì)算軌下截面正彎矩如下：對(duì)于型軌枕 L=2500mm，a1=500mm，e = 950mm，60kg/m軌底寬b´ =150mm，代如上式得N·mm在計(jì)算軌枕中間截面

7、彎矩時(shí)，可按兩種不同中部支承方式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。 N·mm N·mm顯然，軌枕中部滿支承所產(chǎn)生的負(fù)彎矩比中部部分支承的負(fù)彎矩大32%。4) 道床頂面應(yīng)力的檢算：對(duì)于型軌枕，其中部600mm不支承在道床上時(shí)，e´= 950mm；中部支撐在道床上時(shí)，e´= 1175mm，b =275mm，所以按照上述兩種支承情況可算得道床頂面壓應(yīng)力為(MPa)或 (MPa)上述=0.50 Mpa，滿足道床強(qiáng)度條件。5) 路基面道床壓應(yīng)力的檢算：有兩個(gè)檢算道床應(yīng)力的方案，一是根據(jù)已知的道床厚度，檢算路基面的道床壓應(yīng)力；或是根據(jù)路基填料的允許應(yīng)力反算所需的道床厚度。第一方案

8、計(jì)算方法如下：計(jì)算h1和h2：(mm)(mm)由已知條件，道床的計(jì)算厚度h = 200+200/2 = 300mm。所以計(jì)算厚度在h1和h2之間，計(jì)算，得6 (MPa) >= 0.13(Mpa)第二方案計(jì)算如下： (mm)所需道床厚度大于設(shè)計(jì)的道床厚度，未通過檢算。城市軌道交通減振降噪對(duì)策研究摘要：城市軌道交通的快速發(fā)展在創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)，也不可避免地給城市帶來了振動(dòng)和噪聲問題，有效解決這一問題對(duì)于改善沿線居民的生活環(huán)境，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過對(duì)軌道交通振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，結(jié)合常用減振降噪的途徑，針對(duì)性的提出了減振降噪的措施，最后對(duì)

9、減振降噪技術(shù)的發(fā)展做出了展望關(guān)鍵詞：城市軌道交通；減振降噪；對(duì)策 0 引言城市軌道交通具有速度快、舒適和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)已將城市交通軌道化發(fā)展列為今后發(fā)展的重點(diǎn)。地鐵作為現(xiàn)代化大中城市交通發(fā)展的首選，其優(yōu)勢(shì)顯得越來越突出。但隨著地鐵的運(yùn)營(yíng)與發(fā)展而帶來的弊端-振動(dòng)和噪聲污染也給人們的生活環(huán)境造成了一定的負(fù)面影響。上海、南京等地就先后出現(xiàn)過因市民投訴地鐵振動(dòng)、噪聲影響居民生活而在開通運(yùn)營(yíng)后進(jìn)行噪聲治理、列車限速的情況1。由于大家對(duì)于環(huán)保的逐步重視和對(duì)生活品質(zhì)要求的不斷提高，地鐵的振動(dòng)和噪聲擾民問題已經(jīng)成為地鐵設(shè)計(jì)過程中亟待解決的問題。1 振動(dòng)與噪聲對(duì)人的影響1.1 振動(dòng)對(duì)人的影響 國(guó)際標(biāo)淮化組織采

10、用四個(gè)物理參數(shù)來規(guī)定人對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)，這四個(gè)參數(shù)是：振動(dòng)頻率、振動(dòng)水平、振動(dòng)作用于人體的方向和暴露時(shí)間3。人處于振動(dòng)環(huán)境中，將會(huì)引起人體生理和心理的效應(yīng)。例如感到不舒服、麻感、頭暈、困倦，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)出汗、頭痛、心慌甚至損害到人體心臟。而當(dāng)人處于較強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境中，就會(huì)嚴(yán)重影響人的安全和健康。1.2 噪聲對(duì)人的影響 大量研究表明3噪聲危害人的聽力，發(fā)生高頻聽力損傷甚至于耳聾或耳鼓膜破裂。在噪聲的影響下，可能誘發(fā)疾?。涸肼曌饔糜谌说闹袠猩窠?jīng)系統(tǒng)，致使人的基本生理過程，即大腦皮層的興奮與抵制的平衡失調(diào)，導(dǎo)致條件反射異常，感到疲勞、頭昏腦漲等；噪聲還影響人的其他器官。噪聲可使交感神經(jīng)系統(tǒng)緊張，從而產(chǎn)生心律不

11、齊、消化不良、體質(zhì)減弱等。噪聲影響人們的休息和睡眠,干擾人們的談話、聽廣播、打電話等日常生活。在強(qiáng)噪聲環(huán)境下工作，人們?nèi)菀仔那闊┰?，容易疲勞，反?yīng)遲鈍，工作效率大大降低。 噪聲對(duì)建筑物和儀器設(shè)備也有危害，如在強(qiáng)噪聲作用下材料因噪聲疲勞而引起裂紋甚至斷裂等現(xiàn)象。2 城市軌道交通振動(dòng)及噪聲來源分析2.1軌道交通振動(dòng)的來源 軌道線路是由直線、曲線或平道及高架橋梁、隧道等組成，它不可能始終保持平直，線路的走向、表面的不平順，甚至線路基礎(chǔ)的彈性變化都會(huì)引起運(yùn)行車輛的振動(dòng)4。另外急劇變化在地鐵運(yùn)行中，由于站間距小，啟制動(dòng)頻繁，加減速度大，引起縱向力急劇變化，使縱向力加大，縱向振動(dòng)加劇。（1）高架橋梁上運(yùn)行

12、的振動(dòng)來源當(dāng)?shù)罔F在高架橋梁上運(yùn)行時(shí)，地鐵高速行進(jìn)是地鐵振動(dòng)的主要發(fā)生源，具體來源于列車的輪軌系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)，其表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：列車行駛時(shí)，對(duì)軌道的重力加載產(chǎn)生的沖擊，造成車輪與軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；地鐵車輛運(yùn)行時(shí)，眾多車輪與鋼軌同時(shí)發(fā)生作用所產(chǎn)生的作用力，造成車輛與鋼軌結(jié)構(gòu)(包括鋼軌、構(gòu)件等)上的振動(dòng)6；車輪滾過鋼軌接縫處時(shí)，輪軌相互作用產(chǎn)生的車輪與鋼軌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；軌道的不平順和車輪的粗糙損傷等隨機(jī)性激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)；車輪的偏心等周期性激勵(lì)導(dǎo)致的振動(dòng)。（2）地下線路運(yùn)行的振動(dòng)來源地鐵在地下線路運(yùn)行時(shí)影響振動(dòng)源的因素涉及到車輛、軌道、道床、隧道、地質(zhì)條件等方面。地下鐵道輪軌間相互作用而產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞

13、給隧道結(jié)構(gòu)，繼而又傳遞給周圍的土壤。振動(dòng)通過土壤再向鄰近的建筑物傳播，從而導(dǎo)致地下及墻壁的振動(dòng)和噪聲向建筑物內(nèi)房間的第二次輻射，它是一種低頻聲響，就如同外界振動(dòng)使房間中的窗戶發(fā)出的“喀喀”聲響。列車振動(dòng)引起的沿線地面建筑物的振動(dòng)，其振級(jí)的大小與建筑物的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型以及與地鐵線的距離有密切關(guān)系。2.2 軌道交通噪聲的來源城市軌道交通按產(chǎn)生噪聲的聲源可分為輪軌噪聲、列車運(yùn)行車體噪聲、牽引動(dòng)力系統(tǒng)噪聲、高架軌道噪聲、地下鐵道的地面承載噪聲及客運(yùn)站人群噪聲等。（1）輪軌噪聲鋼軌與車輪之間相互作用而產(chǎn)生的聲響。車輪和軌道相接觸處產(chǎn)生力的相互作用，造成車輪和軌道的振動(dòng)而向外輻射聲波。輪軌噪聲是城市軌

14、道交通的主噪聲源。輪軌噪聲主要有摩擦噪聲、撞擊噪聲和轟鳴噪聲。（2）列車運(yùn)行車體噪聲車體噪聲包括兩部分，一是機(jī)車、車輛車體因振動(dòng)而輻射的結(jié)構(gòu)噪聲以及牽引噪聲經(jīng)機(jī)車車體做二次輻射噪聲，此類噪聲呈中、低頻特征2；另一是列車表面與空氣作用，氣體粘滯性在列車表面引起附面層壓力變化，激發(fā)表面振動(dòng);同時(shí)產(chǎn)生氣流渦旋和摩擦沖擊、形成高頻氣流噪聲。（3）牽引動(dòng)力系統(tǒng)噪聲牽引動(dòng)力系統(tǒng)噪聲為機(jī)車所特有，指機(jī)車動(dòng)車組、各種輔助裝置、設(shè)備(冷卻風(fēng)扇、齒輪箱等)在運(yùn)作時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械性噪聲、電磁噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。（4）制動(dòng)噪聲制動(dòng)系統(tǒng)噪聲主要指實(shí)施制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生自激振動(dòng)形成的噪聲。此外，制動(dòng)系統(tǒng)中銷套與銷軸之間的間隙在運(yùn)行

15、中相互撞擊也產(chǎn)生噪聲2。（5）高架軌道噪聲列車通過高架橋梁時(shí)，輪軌作用除了使車輪和軌道直接向外輻射噪聲之外，還要向橋梁的各個(gè)構(gòu)件傳遞振動(dòng)能量，激發(fā)橋梁的各個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生振動(dòng)，并形成噪聲的二次輻射。由于采用高架結(jié)構(gòu)，聲源位置提高，噪聲影響范圍擴(kuò)大。（6）地下鐵道的地面承載噪聲輪軌之間的相互作用而引起的振動(dòng)響應(yīng)沿軌道結(jié)構(gòu)通過巖層和土壤層向臨近的建筑物傳播，其產(chǎn)生的聲學(xué)效果是引起低頻轟響聲。這種低頻聲的傳播距離遠(yuǎn)，影響范圍廣，使臨近建筑物的墻體、地板和天花板產(chǎn)生振動(dòng)的感覺，并由此產(chǎn)生低頻轟響聲，即二次輻射噪聲15。3 城市軌道交通減振降噪對(duì)策3.1 減振降噪主要途徑一般來說，振動(dòng)和噪聲的控制途徑主要分為

16、主動(dòng)控制和被動(dòng)控制15。主動(dòng)控制是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和提高結(jié)構(gòu)精度，減小干擾，通過控制振動(dòng)源和噪聲源以達(dá)到降低振動(dòng)噪聲的目的，這是減振降噪最有效的方法。被動(dòng)控制是指采用振動(dòng)、噪聲隔離或吸收技術(shù)，切斷振動(dòng)波和噪聲波，通過控制振動(dòng)和噪聲的傳播以達(dá)到降低振動(dòng)和噪聲的目的。減振降噪措施往往是相輔相成的，所以將兩者合起來一起考慮往往會(huì)取得很好地效果。3.2 城市軌道交通減振降噪對(duì)策 3.2.1 振動(dòng)噪聲源的控制（1）車輛的減振降噪對(duì)于設(shè)計(jì)方面，將車體外形設(shè)計(jì)成流線型，使之具備良好的氣動(dòng)外形；車體結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)、高強(qiáng)材料制造，使車體輕質(zhì)，且具有足夠的強(qiáng)度和剛度；對(duì)機(jī)車車輛動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，使系

17、統(tǒng)的工作頻段遠(yuǎn)離共振區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，盡量避免電磁耦合激發(fā)振動(dòng)和噪聲；用改變車輪結(jié)構(gòu)的方法來改變?cè)肼暤陌l(fā)射性能，可降低輪軌噪聲，如德國(guó)通過把制動(dòng)盤放在輪心上來減少噪聲。其次，對(duì)機(jī)車相關(guān)部件進(jìn)行優(yōu)化也可顯著改善振動(dòng)和噪音的產(chǎn)生。在車輛動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用直線電機(jī)技術(shù)，可省去齒輪箱等一系列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減少了許多噪聲源，有相關(guān)資料顯示6，其噪聲水平比一般車輛可降低大約10dB。采用徑向轉(zhuǎn)向架能避免車輪在鋼軌上的蠕動(dòng)，使車輛能順利地通過曲線，減少輪軌磨耗和消除常規(guī)轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)的尖叫聲，其噪聲亦比一般車輛降低近20dB6。此外，采用彈性車輪和阻尼車輪及彈性踏面車輪等技術(shù)，亦可顯著隔振降噪。（2）軌道結(jié)構(gòu)的減

18、振降噪軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)組成。調(diào)查相關(guān)文獻(xiàn)，輪軌之間的振動(dòng)噪聲與軌道各部件的質(zhì)量、剛度以及結(jié)構(gòu)阻尼密切相關(guān)13。 顯而易見，軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪最佳控制手段應(yīng)該是在設(shè)計(jì)和施工階段就完成。例如：可采用焊接長(zhǎng)鋼軌，可減少因列車通過鋼軌接頭所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，最好鋪設(shè)無縫軌道；采用防振型鋼軌，在鋼軌軌腰兩側(cè)粘貼防振吸音材料(如橡膠等) 11，可有效地減少噪聲（如圖1）；采用彈性支承塊式無碴道床軌道或者采用彈性扣件，軌道的彈性，尤其是剛性基礎(chǔ)整體道床結(jié)構(gòu)的彈性，主要取決于扣件的彈性，彈性構(gòu)件能大大降低軌道整體支承剛度，顯著提高軌道的減振降噪性能；采用浮置板式軌道結(jié)構(gòu)11，該結(jié)構(gòu)使用扣件把鋼

19、軌固定在鋼筋混凝土浮置板上，浮置板置于橡膠支座上，可以提供足夠的慣性質(zhì)量來抵消車輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載，只有靜荷載和少量殘余動(dòng)荷載會(huì)通過彈性元件傳到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上（如圖2）；此外，亦可采用所謂的梯形軌道，其橫截面為梯形，它大幅度提高荷載的分散能力，又可補(bǔ)充鋼軌本身的剛性和質(zhì)量的性能特點(diǎn)，是一種能提高彎曲剛度和剪切剛度，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于減少車輛簧下質(zhì)量的較理想的整體減振系統(tǒng)。 圖 1 防振型鋼軌示意圖11 圖 2 浮置板軌道結(jié)構(gòu)的安裝示意圖11對(duì)于已在運(yùn)營(yíng)階段的軌道線路，可以在小半徑曲線地段鋼軌側(cè)面經(jīng)常涂油，定期對(duì)鋼軌表面進(jìn)行打磨，對(duì)車輪進(jìn)行漩削，以控制軌道的不平順度，保證輪軌接觸面的良好狀態(tài)，從而獲得良好的減

20、振降噪效果。（3）高架線路和橋梁的減振降噪目前，高速軌道交通的高架橋絕大部分采用箱形梁橋，而箱形梁內(nèi)部空腔的聲場(chǎng)共振會(huì)使箱形梁的噪聲輻射增強(qiáng)。因此，有必要研究箱形梁的減振降噪措施?？刂茦蛄赫駝?dòng)噪聲最有效的方法，在箱形梁腔內(nèi)安裝動(dòng)力吸振器。其次。亦可在箱形梁腔內(nèi)設(shè)置隔聲板，將箱形梁腔內(nèi)的聲學(xué)共振頻率向上移至軌道交通噪聲的主要頻段以外，則可有效降低橋振動(dòng)噪聲。對(duì)于箱梁梁腔的外部結(jié)構(gòu)，可以鋪設(shè)輕質(zhì)吸聲橋面和路面。高架軌道交通線的橋面是聲反射面，降低橋面的聲反射可以大大降低列車通過時(shí)的噪聲，即在橋面鋪澆一定厚度的多孔混凝土，既不影響檢修者行走，又有一定的吸聲效果；此外，設(shè)置隔振支座，通過調(diào)整減振支座的

21、剛度，從而控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和周期，避開列車運(yùn)行引起的豎向振動(dòng)頻率，達(dá)到減振和降噪的效果；在高架橋上安裝吸聲天棚或懸掛空間吸聲體等吸聲結(jié)構(gòu)，可以大大降低橋梁振動(dòng)的輻射噪聲。3.2.2 振動(dòng)噪聲傳播途徑的控制（1）設(shè)置聲屏障設(shè)施消減振動(dòng)噪聲設(shè)置聲屏障是控制噪聲聲途徑的重要措施。聲屏障的主要功能是阻擋聲音的傳播，將大部分聲能反射回去，僅使部分聲能繞射過去，在屏障的后面形成一個(gè)聲影區(qū)，從而降低噪聲。當(dāng)前廣泛采用的板式聲屏障結(jié)構(gòu)主要是吸聲型聲屏障，主要采用多孔材料、穿孔板加纖維類14等吸聲材料。對(duì)于結(jié)構(gòu)較薄弱的敏感建筑，加強(qiáng)其本身的吸聲、隔聲能力，例如在面向線路的墻體外表面設(shè)吸聲層，使其隔聲能力增強(qiáng)。（2）其他措施采用聲屏障這種方法來控制振動(dòng)噪聲傳播途徑，要想獲得較理想的效果往往成本較高，故我們可以采用其他一些環(huán)保或者成本相對(duì)低廉的方式來減振降噪，如可將道路兩側(cè)的地面做綠化處理、將敏感性較高的建筑物如教學(xué)樓改成實(shí)驗(yàn)室等來降低噪聲的干擾。4 結(jié)語我國(guó)城市軌道交通建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入集中建設(shè)和全面發(fā)展的全盛時(shí)期，軌道交通的減振降噪技術(shù)需要不斷的完善才能滿足人們對(duì)環(huán)境的要求，除上面提到的常用措施外，以粘彈性阻尼材料為依托的約束阻尼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研發(fā)的正在興起14，有望使軌道交通運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲問題