城市轨道交通高架桥上浮置板轨道结构模态分析
【摘要】本文以一跨32m简支箱梁上铺设的浮置板轨道为例，对城市轨道交通高架桥上浮置板轨道结构的振动特性进行研究。利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立车辆-浮置板轨道结构-桥梁耦合动力学有限元模型，对高架桥上浮置板轨道结构进行模态分析。
【关键词】高架轨道交通；浮置板；ANSYS/LS-DYNA；模态分析
1.绪论
1.1引言
一方面，城市轨道交通系统不仅可以改良城市交通状况，为人们出行提供便利，而且还会加快城市的经济和社会发展，能够产生极大的的社会和经济影响。另一方面，我们也要清楚的认识到，城市轨道交通系统的运行也会不可避免地引起诸如振动、噪声、电磁辐射等问题以及影响城市景观，其中以列车运行中产生的振动和噪声影响尤为突出。因此，进行城市轨道高架桥上轨道结构的减振降噪研究是很有意义的。
2.浮置板轨道结构动力学有限元模型
2.1轮轨接触模型
在对轮轨耦合进行模拟时，只有通过轮轨接触才能将列车振动和轨道振动联系起来，因此轮轨接触在这一过程中起着很重要的作用。本文采用Hertz非线性接触弹簧来模拟轮轨间的垂向接触[2]。
2.2轨道随机不平顺的数值模拟
一般情况下，我们用功率谱密度函数来描述轨道随机不平顺。在列车-轨道-桥梁系统动力学非线性模型中，时域输入方式常常被用于系统激励，以便于非线性系统动力响应的数值求解。所以，有必要采用空间样本（由此可获得时域样本）替换轨道随机不平顺功率谱密度函数。
2.3有限元模型的建立
利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立车辆-浮置板轨道结构-桥梁耦合系统动力学有限元模型，在模型的建立过程中，所采用的单元类型不但能够如实的反映出高架轨道交通中浮置板轨道结构的振动性能，还要求所采用的单元类型较为简单，这样不仅可以使所建立的模型易于分析计算同时还可以保证该模型的计算结果与实际情况相接近。因此，在模型中：
（1）车辆可视为具有一系、二系悬挂的由车体、转向架及轮对组成的空间刚体系统，同时对车体、转向架构架及轮对的弹性变形不进行考虑。由于轨道不平顺会引起列车轮对的振动，同时振动会通过车辆的车体和转向架传递到相邻轮对，从而使相邻轮对产生附加振动，因此本文中的车辆模型采用整车模型。可以用实体单元SOLID164对车体、前后转向架以及轮对加以模拟，用弹簧阻尼单元COMBIN165来对车辆的一二系悬挂加以模拟。
（2）钢轨采用60轨，以三维梁单元（BEAM161）来模拟，相邻扣件之间的钢轨作为一个梁单元，每个扣件都作为―个弹簧阻尼单元（COMBIN165）来考虑。
（3）弹性支承块作为质量单元（MASS166）模拟，块下弹性垫板作为一个弹簧阻尼单元（COMBIN165）来考虑。
（4）浮置板以实体模型（SOLID164）进行处理，用六面体元划分，在浮置板中，每个钢弹簧支座和扣件都作为一个弹簧阻尼单元（COMBIN165）来考虑。
（5）轮轨间采用LINK160单元模拟，LINK160是―种三维双线性单元，可以为纯受拉或者纯受压。
（6）桥梁采用单跨32m简支箱梁，以实体模型（SOLID164）进行模拟，用六面体元划分。其有限元模型如下图所示。
3.钢弹簧浮置板轨道结构的模态分析
3.1各种工况下浮置板轨道的模态分析
（1）浮置板密度变化的影响
在浮置板轨道结构中，当采用不同质量的浮置板时，系统振动特性将会发生很大的变化，因此，浮置板的质量对于整个系统的振动特性而言是一项很重要的参数。要使浮置板的质量发生改变，可以采用多种方法，比如可以通过使用高标号的混凝土或者提高浮置板的配筋来提高浮置板的质量。本节主要分析浮置板轨道结构的振动特性和自振频率随密度的变化规律。
由上可知，浮置板轨道固有频率随着浮置板密度的增加而降低。因此，提高浮置板轨道密度是减小其自振频率的有效措施。
（2）桥梁支座刚度变化的影响
下面来研究当桥梁支座刚度分别为400 kN/mm、600 kN/mm、800 kN/mm和1000 kN/mm时浮置板轨道结构的自振频率以及振动特性。
由上可知：系统的自振频率会随着桥梁支座刚度的增大而显著增加，并且在低阶振动时对浮置板轨道系统自振频率的影响小于在高阶振动时对浮置板轨道系统自振频率的影响。
4.结论
本论文所得出的主要结论有：应用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立列车―浮置板轨道―桥梁系统耦合动力学有限元模型，从时域的角度对钢弹簧浮置板轨道结构进行分析，分析在各种工况下浮置板轨道结构固有频率和振动特性的变化规律，从而根据分析结果选取合理的参数以避免浮置板轨道结构发生共振。由计算结果可知，通过增大浮置板密度、减小钢弹簧的支承刚度、减小桥梁支座刚度来降低浮置板轨道系统的自振频率。
参考文献：
[2] 夏禾， 张楠. 车辆与结构动力相互作用[M]. 北京市： 科学出版社， 2005：74-79.