一种控制铁路过渡段振动的扣件布置方法和系统与流程

本发明属于交通
技术领域：
，具体涉及一种控制铁路过渡段振动的扣件布置方法和系统。
背景技术：
：无砟轨道路基结构物中的一个关键部位是土质路基与刚性结构物之间设置的过渡段。在桥(涵)路、隧路等过渡段，由于基础结构形式和材料刚度的不同，轨道刚度的差别不可避免，且由于刚性结构物基础和路基结构物基础的加固方式不同，可能在过渡段产生差异沉降，将进一步降低线路的几何平顺性，由此可能产生较大的振动，使线路的耐久性和稳定性降低。因此，为保证高速列车运行的安全、平稳和舒适，降低轮轨相互作用力，提高线路的平顺性，需要在轨下基础刚度和强度差异较大的路段设置线路过渡段。现有的控制线路过渡段振动响应的手段还较少，且已有的方法中大多数效果不佳，尤其是在低频振动的控制中效果很不理想，因此需要一种能够有效地控制线路过渡段低频振动的有效方法。铁路轨道结构通常是由基本单元沿线路方向周期性排列而成，当振动以弹性波形式在轨道结构中传播时，由于满足bloch理论及周期性条件，弹性波会形成相应的波带隙(带隙中的波迅速衰减以致无法传播)，而带隙特性对于结构减振或保障结构在实际应用中可靠性均有很大的影响。铁路轨道的周期性体现在下部基础的周期性支承，因此，当下部基础支承刚度出现不均匀变化时，势必会影响到整体结构的周期性，从而影响到原本周期轨道结构的带隙特性，使得轨道结构中的振动呈现出不同的传播特性，为过渡段振动控制提供了一种新的思路。技术实现要素：本发明的目的在于解决目前声屏障降噪性能较差的问题，进而提供一控制铁路过渡段振动的扣件布置方法，其特征在于：所述方法包括，1)确定过渡段所需的扣件数目；2)确定过渡段的主要响应频段；3)根据所述响应频段确定扣件刚度渐变幅度；4)根据列车的行驶方向调整扣件刚度按照所述渐变幅度逐渐变大。进一步地，其特征在于：根据所述响应频段确定扣件刚度渐变幅度具体为扣件刚度渐变幅度单向传播频段1kn/mm129-137hz2kn/mm127-133hz3kn/mm125-140hz4kn/mm117-129hz5kn/mm125-135hz6kn/mm110-120hz7kn/mm105-125hz8kn/mm95-115hz9kn/mm90-109hz10kn/mm80-96hz。本申请还提供一种控制铁路过渡段振动的扣件布置系统，所述扣件布置系统包括多个扣件，其特征在于，所述多个扣件中至少部分相邻的扣件的刚度沿着列车行驶方向逐渐变大。进一步地，其特征在于，所述刚度变化幅度根据所述过渡段振动响应频率确定。进一步地，其特征在于，所述刚度变化幅度根据所述过渡段振动响应频率确定具体为依照下表选择，扣件刚度渐变幅度单向传播频段1kn/mm129-137hz2kn/mm127-133hz3kn/mm125-140hz4kn/mm117-129hz5kn/mm125-135hz6kn/mm110-120hz7kn/mm105-125hz8kn/mm95-115hz9kn/mm90-109hz10kn/mm80-96hz。进一步地，其特征在于，所述刚度变化幅度还要考虑扣件允许的最大刚度和最小刚度，所述多个扣件的刚度均在所述最大刚度和最小刚度之间。采用本发明的布置方法和系统，操作简单，无需进行复杂的分析，在实现减弱铁路过渡段振动响应的同时，确保了列车行驶安全性，也降低了维护成本。附图说明图1为过渡段传输特性分析示意图，其中a为正激励；b为反激励；图2为扣件松脱对无砟轨道结构振动传输特性；图3为频率f＝130hz正激励下轨道结构位移响应分布图；图4为频率f＝129hz正激励下位移分布云图；图5为频率f＝129hz反激励下位移分布云图；图6为频率f＝130hz正激励下位移分布云图；图7为频率f＝130hz反激励下位移分布云图；图8为频率f＝135hz正激励下位移分布云图；图9为频率f＝135hz反激励下位移分布云图。具体实施方式为了使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。本发明提出一种控制铁路过渡段振动的扣件布置方法，本发明的基本原理为：周期性无砟轨道结构可以看成是一维周期结构，它的周期性体现在钢轨下部的周期性支承，它本身具有带隙特性(带隙内的弹性波无法沿着钢轨纵向进行传播，会往下部基础传递)，基于此特性可以控制轨道结构的振动。但在线路过渡段的设置通常是在轨下基础刚度和强度差异较大的路段设置，此时，轨道结构的下部支撑条件改变，使得轨道结构局部不再呈现出周期性，因此势必会改变轨道结构中弹性波的传播特性，这也为过渡段振动的控制提供了一种可能的途径，下面进一步对此进行分析。取7个钢轨元胞为例，组成有限周期无砟轨道结构，轨道板及轨下基础简化为刚性基础，轨道结构简化为单层弹性点支承钢轨结构，通过改变扣件垂向刚度来设置线性过渡，大刚度取50kn/mm,小刚度取15kn/mm,变化趋势为5kn/mm。如图1所示，分别在大刚度(反激励)和小刚度端施加激励(正激励)，在响应端提取响应，通过(1)式计算其传输特性，绘制传输特性曲线如图2所示。tn＝20log10(wn/w0)(1)其中，wn表示响应端的位移响应，w0表示激励端的位移响应。由图2可以看出，正反激励得到了不一样的传输特性曲线。第一阶带隙范围内(0-141.5hz)范围内，反激励传输特性曲线在130hz出现了一个振动响应峰值点a，而正激励在130hz对应的b点仍处于振动衰减区域(正值表示振动放大，负值表示振动衰减，数值越大，对应的放大或衰减的幅度也就越大，b点为负值，表示处于振动衰减区域)，同时在130hz附近的频率约为125hz、135hz，正激励条件下处于振动衰减区域，而反激励条件下处于振动增大区域。这表明，频率为125-135hz的弹性波无法从小刚度传向大刚度端，只能从大刚度端传向小刚度端，具有单向传播特性。下面进一步分析125-135hz频率范围内弹性波的单向传播特性。提取出图1所示的两种激励方式下，激励频率为130hz时，轨道结构各个位置的位移响应分布示意图，如图3所示，每个响应点位置的位移响应以位置0处(钢轨的起始端)的位移为基准进行归一化处理。由图3可知，当频率为130hz时，正激励条件下，振动沿禁带内的弹性波传播方向逐渐衰减，五个元胞后几乎降为零；而反激励状态下，振动沿弹性波传播方向一开始也出现衰减，两个元胞后衰减为0，但往后传播出现振动放大现象，特别是在小刚度端，与激励端相比，放大近3倍。这也进一步表明，频率为130hz的弹性波无法从小刚度传向大刚度端，只能从大刚度端传向小刚度端，具有单向传播特性。图4-9是正反激励条件下，频率为125-135hz对应的位移分布云图(左端为小刚度端，右端为大刚度端)，可以看出，125-135hz频率范围内，正激励条件下，五个元胞后位移基本衰减为0，往后也无振动放大现象出现，相反，反激励条件下，位移一开始出现衰减，两个元胞衰减为零，但是从第三个元胞开始，位移响应开始出现增大，在第七个元胞位置位移响应与激励点相比呈现倍数增长(125hz增大近两倍，135hz增大近三倍)。频率为135hz的弹性波呈现出无衰减传播。无砟轨道结构过渡段中，渐变刚度的设置，会使得125-135hz频率的弹性波无法从小刚度端传向大刚度端，只能从大刚度端传向小刚度端，出现很明显的单向传播的特性，而且从大刚度端传向小刚度端时，会在小刚度端(刚度突变端)出现振动放大的现象。因此，可以基于这种弹性波单向传播特性，通过在铁路过渡段设置渐变刚度的形式来控制过渡段的振动，即以列车行驶方向为基准，下部基础刚度从小到大呈线性增大设计，即让列车从小刚度端行驶至大刚度端。这样布置就可以让列车通过过渡段时，产生的125-135hz频率范围内的振动波无法沿着钢轨纵向进行传播，而是往下部基础传递了，这样就减轻了这个频段内过渡段接口处的振动响应，确保了列车在过渡段行驶安全性。上面是扣件刚度渐变幅度为5kn/mm对应的单向传播频段的计算过程，对于其他刚度渐变幅度(1kn/mm-4kn/mm、6kn/mm-10kn/mm)对应的单向传播频段，申请人一一经过试验并分别得出。具体见表1。扣件刚度渐变幅度单向传播频段1kn/mm129-137hz2kn/mm127-133hz3kn/mm125-140hz4kn/mm117-129hz5kn/mm125-135hz6kn/mm110-120hz7kn/mm105-125hz8kn/mm95-115hz9kn/mm90-109hz10kn/mm80-96hz表1列出了扣件刚度渐变幅度对应的弹性波单向传播的频段，在具体工程中，可以根据实际工程情况进行灵活选择。当出现频段交叉时，比如130-135hz，可对应1,3,5kn/mm三种渐变幅度，此时应尽量选取渐变幅度较小的情况，因为对于铁路过渡段的长度较长，一般为几十米甚至上百米，为了保证设置的扣件刚度渐变区段足够长，应该选用扣件刚度的渐变幅度较小的情况，这样才能实现弹性波单向传播的功能。本发明控制铁路过渡段振动的扣件布置方法的具体步骤如下：(1)确定过渡段所需的扣件数目具体地，确定需要设置过渡段的线路长度，再确定扣件间距，以相邻扣件之间的钢轨为一小段，进一步确定需要设置过渡段内包含的钢轨段数，从而确定所需布置的扣件数目。其中，对于轨道结构而言，扣件间距一般在0.6-0.7m之间取值。其确定主要是为了用于确定需要布置渐变扣件的数目。(2)确定相应频段根据过渡段已有实测数据，或者通过简单的激励响应实验确定过渡段振动响应较明显的频段。(3)确定扣件刚度渐变幅度根据得到的需要减轻振动响应的主要频段，结合表1，选择合适的扣件刚度渐变幅度。(4)根据列车的行驶方向调整扣件刚度按照所述渐变幅度逐渐变大并根据铁路相关规范确定扣件刚度的取值范围表，取一个扣件刚度允许的最大值和最小值，再根据选择的扣件刚度渐变幅度进行设置，具体设置方式为：根据列车的运行方向，扣件刚度依次线性增大，确保列车从小刚度端往大刚度端行驶。其中，可以根据铁路规范中的扣件刚度允许的最大值和最小值之间的范围内进行灵活的选取，比如说选取的扣件刚度渐变幅度为2kn/mm，而对应的最大扣件刚度值为70kn/mm-33kn/mm时,可以将最大阈值取为69kn/mm,或者将最小阈值取为34kn/mm,这样可使得设置的扣件数目均为整数。本申请还提供一种控制铁路过渡段振动的扣件布置系统，所述扣件布置系统包括多个扣件，其中，所述多个扣件中至少部分相邻的扣件的刚度沿着列车行驶方向逐渐变大。其中，所述刚度变化幅度根据所述过渡段振动响应频率确定。其中，所述刚度变化幅度根据所述过渡段振动响应频率确定具体为依照表1选择。其中，所述刚度变化幅度还要考虑扣件允许的最大刚度和最小刚度，所述多个扣件的刚度均在所述最大刚度和最小刚度之间。下面结合附图对本发明方案进行具体说明：(1)确定过渡段所需的扣件数目需要设置过渡段的线路长度为12.5m，扣件间距为0.625m，过渡段内包含的钢轨为20段，需要布置的扣件数为20个；(2)确定相应频段根据查阅线路相关数据与资料，确定过渡段区域振动响应明显的频段为125-130hz左右。(3)确定扣件刚度渐变幅度根据表1，125-130hz频段对应的扣件刚度渐变幅度为5kn/mm,再通过查阅相关铁路规范确定扣件允许最大刚度为75kn/mm,再根据实际情况对扣件刚度渐变幅度进行调制，调整为2kn/mm(如此调整的原因是，125-130hz对应了多个渐变幅度，为了让弹性波单向传播特性达到最优化，在满足需求减振频段的同时，尽量使得渐变扣件段的长度更长，当然也可以根据实际工程情况进行进一步的调整)；(4)确定列车的行驶方向以列车的行驶方向为基准，扣件刚度按照从小到大布置，变化幅度为2kn/mm，依次从37kn/mm设置到75kn/mm即可。由本发明中的分析可知，通过布置扣件刚度的渐变能够实现弹性波的单向传播，即只有当列车从小刚度段驶向大刚度段时，会出现一个弹性波单向传播频段，即弹性波只能从大刚度端往小刚度端传播，由于列车的前进方向为从小到大，激励端在小刚度处，在这个频段内弹性波是无法沿着钢轨进行传递的，即无法从小刚度端传递至大刚度端，因此可以有效地抑制这个频段内的钢轨振动，从而实现控制过渡段钢轨振动的效果。对于铁路过渡段而言，因为出现了不同的地质环境的交叠，使得列车通过时会产生较为强烈的振动，从而会影响到列车的行车安全性。而传统的铁路过渡段振动控制方法的效果均不理想，本发明通过布置扣件刚度的渐变，使得振动只能沿着大刚度向小刚度传播，如图3-9所示，利用此特性，将过渡段振动响应最为明显的一个区段按照列车的行驶方向设置为小刚度-大刚度的形式，此时就能够控制某个频段内(低频)弹性波的传递，即减小钢轨的振动以上所述仅是本发明的优选实施方式，在不脱离本发明原理的前提下都视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。当前第1页12