高架轨道浮筏隔振系统耦合机理分析及参数优化匹配研究

The research project studies on the problem of vibration problem and structural noise of urban viaduct by analyzing the coupling mechanism of the multi-layer vibration isolation system and the parameter matching principle. The multi-layer vibration system is composed of rail fastening systems, track slab and bridge bearing . Firstly, a dynamic non-linear constitutive model of rubber component is established to study on the influence of dynamic stiffness and damping factor of resilient component on the performance of vibration isolation under a wide frequency band and largely deformed status. Then, a theoretical model of floating raft isolation system of urban viaduct is established based on the floating raft vibration isolation theory. By applying the dynamic nonlinear property to the resilient component, on based of finite element power flow method, the influence of every subsystem’s stiffness ratio, damping ratio and free frequency ratio on the performance of multi-layer vibration isolation system, inertia coupling of non-rigid body, power flow transfer ratio, self-tuning effect and mixed neutralized effect of the upper subsystems is studied. By using the coupling mechanism analyzing results, vibration level difference and power flow level are specified as the comprehensive evaluation index to propose a parameter optimization method to ameliorate vibration isolation and damping line spectra vibration or particular resonance. This research not only has an important theoretical significance for modifying the design method of vibration reduction of rail transit viaduct, it will do the exploratory work to ameliorate the deterioration of wheel-rail relationship and track defects due to performance optimization for vibration isolation as well.

针对城市高架轨道振动和结构噪声问题，对扣件-轨道板支承-桥梁支座多层隔振系统内部耦合机理及参数优化匹配方法展开研究。首先建立橡胶材料动态非线性本构模型，分析弹性元件变刚度和变阻尼系数在宽频域大形变工作环境下对其隔振性能的影响规律。然后基于浮筏隔振理论，构建高架轨道浮筏隔振系统数值模型，赋予弹性元件幅频非线性属性，采用有限元功率流法，研究各层子系统刚度比、阻尼比、自由频率比对多层隔振元件耦合隔振性能的影响，对各层非刚体质量惯性耦合作用的影响，对非刚体质量功率流损耗/传递率的影响，对上部子系统调谐效应和混抵效应的影响。根据上述耦合机理，以加速度振级落差和传递功率流落差为综合评估指标，提出有利于系统集成隔振效果和线谱振动或局部共振峰高效衰减的参数优化匹配方法。本项目不仅对进一步完善我国高架轨道减振设计方法具有重要理论意义，还将为改善隔振措施性能优化导致的轮轨关系恶化及轮轨病害做探索性工作。

城市轨道交通高架线路在我国“先城市后轨道”的绝大部分城市建设中占比极大，导致很多地区轨道桥梁紧邻声振敏感区域，致使桥梁结构振动和低频辐射噪声问题引发强烈居民烦恼反应。针对高架轨道轨下-板下-桥下多层隔振系统存在的技术局限：（1）相互制约的不利现象，或单一隔振措施过度设计导致弹性和稳定性难以兼顾；（2）单一隔振元件性能优化导致的轨道结构局部共振现象，引发轮轨关系恶化及车辆和轨道病害；（3）难以通过单一元件的技术设计提出在多层耦合隔振系统中满足实际减振要求的有效性能指标；（4）轨道桥梁结构在建造和使用周期内因设计反复造成的巨大资源浪费。本项目利用浮筏隔振理论和功率流分析方法，提出了兼顾隔振效果和缓解轮轨病害的参数匹配优化方法，提高了多层隔振系统的协同工作能力。.首先，基于浮筏隔振理论，构建高架轨道浮筏隔振系统数值模型，赋予弹性元件幅频非线性属性，建立车辆-轨道-桥梁系统动力学仿真模型，由于现有各层减振措施均属隔振元件，重点研究了系统刚度比对各层隔振元件耦合隔振效果的影响规律。然后，选取我国某城市高架轨道线路进行现场测试，以现场实测钢轨、轨道板、桥梁翼板、腹板、底板的振动响应，以及沿线近场的辐射噪声值，验证了高架轨道浮筏隔振系统模型的有效性。进一步，基于仿真平台，采用有限元功率流法，研究了不同层弹性元件刚度匹配特性，并对惯性耦合效应展开了研究。最后，根据上述耦合机理，以加速度振级落差和传递功率流落差为综合评估指标，提出了有利于系统集成隔振效果和线谱振动或局部共振峰高效衰减的参数优化匹配方法和匹配设计建议。该项目提出的弹性元件参数匹配设计方法，可使高架轨道结构达到优化的集成减振效果。该课题的研究成果将对新建项目和既有线路隔振措施设计提供工程指导，具有良好的应用前景。