CRTSⅡ型板式轨道垂向振动传递特性的影响因素.docx

摘要

采用频域分析方法和辛数学方法建立车辆-CRTS Ⅱ型板式轨道垂向频域模型，分析了 CRTS Ⅱ型

板式轨道结构关键参数对轨道振动传递特性的影响，为 CRTS Ⅱ型板式轨道结构参数设计优化以

及后期运营维护提供理论依据。结果表明：1）振动传递过程中，扣件系统可显著减小轨道结构的

振动，CA 砂浆则无明显减振作用；2）轨道板和支承层厚度的增大，可有效降低轨道板、支承层振

动，但会加剧钢轨分别在 50~80 Hz、40~80 Hz 范围内的振动；3）CA 砂浆弹性模量和阻尼对

轨道结构的振动基本无影响；4）路基阻尼的增大，可显著降低 20~30 Hz 的钢轨振动，以及 20 Hz

以上的轨道板、支承层振动；5）扣件刚度和阻尼、路基支承刚度等参数对不同频带内轨道结构振

动的影响存在明显差异。因此，从轨道振动传递的角度来看，合理的参数设计优化以及后期运营维

design optimization and operation maintenance of CRTS Ⅱ slab track. The results

show that: (1) In the vibration transfer process, the fastening system can

significantly reduce the vibration of the track structure, while cement asphalt (CA)

mortar has no significant effect on vibration attenuation; (2) With the increase of

the thickness of slab and support layer, the vibration of slab and support layer can

be reduced, but the vibration of rail in the ranges 50~80 Hz and 40~80 Hz will be

intensified respectively; (3) The elastic modulus and damping of CA mortar have

little effect on the vibration of track structure; (4) With the increase of subgrade

damping, the rail vibration in 20~30 Hz and the vibration of slab and support layer

above 20 Hz can be reduced; (5) The influence of parameters such as the stiffness

关键词

高速铁路; CRTSⅡ型板式轨道; 频响函数; 振动传递特性; 轨道结构参数; 增益因子

Keywords

high-speed railway; CRTS Ⅱ slab track; frequency response function; vibration

transmissibility; parameters of track structure; gain factor

译

无砟轨道具有高稳定、高平顺和维修量少的优点，在高速铁路上得到广泛应用

［ 1， 2］

，其中，CRTS

Ⅱ型板式轨道广泛应用于我国高速铁路。

轨道结构优化设计以及运营期轨道结构服役状态的维护，均需明确轨道结构的动力特性。因此，许

车辆-轨道耦合系统随机振动分析的方法有 2 种，即时域分析和频域分析。时域分析方法主要采用

逐步积分法求解在轨道不平顺激励下车辆-轨道耦合系统的动态响应，该方法的求解过程复杂、计

算量大、效率较低。文献［9］指出如果系统可以进行线性简化，则频域分析方法适用于研究系统

的动力响应，该方法可大大提高计算效率。目前，轮轨垂向耦合系统的线性简化已较为成熟

［ 10］

，

本文采用频域分析方法开展分析研究。

本文根据 CRTSⅡ型板式轨道的结构特点，基于车辆-轨道耦合动力学理论

［ 10］

，结合频域分析方法

与辛数学方法，建立车辆-CRTSⅡ型板式轨道垂向耦合频域模型，分析了轨道不平顺激励下 CRTS

Ⅱ型板式轨道各部件振动的频响函数，研究了 CRTSⅡ型板式轨道的振动传递特性，并探讨了轨道

式轨道垂向耦合动力学模型开展研究。动力学模型如图 1 所示，模型中只考虑了车辆和轨道的垂向

振动。

车辆子系统是由车体、转向架、轮对组成的多刚体系统，包括车体和转向架的沉浮、点头运动，以

及 4 个轮对的沉浮运动，共计 10 个自由度。参考文献［11，12］，将钢轨视为离散点支承的 Euler

梁单元，轨道板、混凝土支承层视为连续支承的 Euler 梁单元。

由于在频域分析中所有的参数须为线性参数，因此对轮轨接触进行等效线性化处理

2 振动方程的建立及求解

本文采用文献［13］提出的方法建立车辆-CRTSⅡ型板式轨道耦合系统的运动方程。该方法采用

哈密尔顿原理建立车辆系统的运动方程；再将 CRTSⅡ型板式轨道结构按扣件支承间距划分轨道周

期子结构，采用有限元法、传递矩阵法、辛数学方法建立轨道结构运动方程；最后利用轮轨接触关

系组建车辆-CRTSⅡ型板式轨道耦合系统的运动方程。文献［13］已证明该方法的正确性，本文

不再赘述。

简谐激励作用下车辆系统的运动方程为

式中 ： u

为车 辆 的位移向量 ； M

、C