城市鐵路西直門車站鋼彈簧浮置板道床的應用與設計
摘 要：從減振原理、應用場所、方案設計、各專業(yè)配合等方面，介紹了正在建設的城市鐵路西直門車站減振型軌道結構的設計，為今后類似工程條件的設計提供借鑒。關鍵詞：鋼彈簧浮置板、隔振、設計
1 西直門車站的周邊環(huán)境及減振要求
北京市西直門--東直門城市鐵路工程（以下簡稱“城鐵”）是北京申奧承諾的軌道交通線路之一，是全國第一條集地下線、高架線、地面線為一體的快速軌道交通項目，全長40.6km。西直門車站是“城鐵”的起點站。 “城鐵”西直門站位于繁華的西直門地區(qū)新建的西直門交通樞紐之中，與公交、國鐵、環(huán)線地鐵、水運等在交通樞紐中匯集。緊鄰“城鐵”西直門站西側是華融公司已立項開發(fā)的三棟高層高檔流線形的寫字樓；東側是新改建的國鐵北京北站；周圍是公交站點；地下是環(huán)線地鐵站。“城鐵”西直門站為高架三層框架鋼筋混凝土結構，站臺層在第三層。除兩條正線外還有一條存車線。“城鐵”車站結構與相鄰的流線形寫字樓的地下結構連通為一體，地下為超市及停車場。
在西直門交通樞紐環(huán)境評估報告中明確要求，軌道交通的西直門站應考慮采取更有效的減振、隔振措施。市政府有關領導也指示，因西直門交通樞紐的遠期高峰小時將有約5.2萬人次換乘，且周圍為高檔寫字樓，設計應以人為本，保護環(huán)境最為重要。單一從“城鐵”的減振要求而言，因西直門車站處在的交通樞紐之中，對減振并無特殊要求。但是就盡可能減小軌道交通的振動對周邊寫字樓的影響及考慮減小交通樞紐中的整體噪聲水平、從而提高交通樞紐的綜合環(huán)境水平而言，對軌道的減振水平要求又很高。因此，在西直門站軌道結構設計時，進行了以減振性能為主要因素的方案比選。
2 減振方案比選
在進行西直門車站初步設計時，根據西直門站的特殊地理位置及環(huán)境要求，對國內外的軌道減振措施進行了認真的理論分析及工程類比。綜合其減振性能、工程可實施性、造價等因素，選擇了四個方案進行比選。這四個方案分別是：軌道減振器扣件、彈性套靴式整體道床、美國Lord公司的膠結彈性扣件、德國隔而固（GERB）公司的鋼彈簧浮置板道床。
前兩個方案是國內已建和在建地鐵項目中應用較多的軌道減振方案。如北京環(huán)線地鐵的東四十條站采用了彈性套靴式減振型軌道，取得了預期的減振效果，其上方的保利劇院等建筑物，均未受到地鐵列車運行的影響。軌道減振器扣件類似于德國的科隆蛋，已應用于上海地鐵一、二號線的較高要求減振地段。這兩種減振型軌道的振動加速度級減振效果一般為5~10dB。
后兩個方案在國內還沒有工程應用，國外則有很多的工程應用實例。膠結彈性扣件已應用于美國及其他國家和地區(qū)的地鐵項目。一般減振效果可達10dB以上。鋼彈簧浮置板道床應用于德國、英國、巴西和韓國等高鐵和地鐵項目。一般減振效果為25~40dB。深圳地鐵一號線在地鐵線路穿越市政府一段（雙線255m），于2001年已決定采用該方案，并已經通過在鐵道科學研究院的實尺模型試驗。試驗的減振效果為40dB，隔振器下的地面未受到激振力的影響。從國外已采用鋼彈簧浮置板道床的地鐵運營情況看，被保護建筑物內均未受地鐵列車運營所產生振動的影響。
類似于西直門站這種高架車站與周邊建筑緊鄰的情況在國內還是首例。這種工程條件下的隔振措施，還沒有技術成熟且國內有應用實例的方案。在方案比選的過程中，從西直門站的結構型式、周邊開發(fā)項目的性質、所處的地理位置和周邊環(huán)境等方面綜合考慮，并參考國外同類工程的應用經驗，經過國外專家的技術咨詢，推薦鋼彈簧浮置板道床為實施方案。由于華融寫字樓和“城鐵”西直門交通樞紐屬于同期規(guī)劃，首規(guī)設委在[2000]765號文件中就北京西直門交通樞紐初步設計減振降噪標準及特殊隔振追加投資分攤問題進行了批復。“城鐵”公司和華融公司按照首規(guī)委文件精神進行了多次磋商，并組織設計院、有關專家和隔振廠家進行多次技術交流和專家論證，從設計院提出的多種備選方按中，確定采用鋼彈簧浮置板隔振技術方案。此處采用鋼彈簧浮置板道床方案，其技術可靠、經濟合理、社會效益好。正是西直門車站隔振要求這一工程急需才帶來了鋼彈簧浮置板在中國軌道交通中的應用及配套工程應用技術的發(fā)展。
3 鋼彈簧浮置板道床隔振原理及技術特點
⑴ 鋼彈簧浮置板道床隔振原理
鋼彈簧浮置板道床是將具有一定質量和剛度的混凝土道床板浮置在鋼彈簧隔振器上，構成質量－彈簧－隔振系統。隔振器內放有螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼。
盡管浮置板具有很多高階振動模態(tài)，但對隔振效果起關鍵作用的是浮置板－彈簧系統的6個低階剛體固有振動模態(tài)，其隔振原理仍然可以用單質量－單自由度振動體系來分析。假設激振力是一正弦函數，如圖1。橫坐標軸是激振頻率與系統固有頻率之比h，簡稱調諧比；縱坐標軸為傳遞到基礎上的基礎力振幅與激振力振幅之比VF，簡稱傳遞比。當調諧比接近1時，即當激振頻率接近系統固有頻率時，傳遞比大于1，系統處于共振區(qū)；而當調諧比大于 以后，系統進入隔振區(qū)，傳遞比開始小于1，基礎力動載振幅小于激振力振幅，激振力被慣性質量的慣性力部分平衡掉。而當調諧比遠大于 以后，質量塊的慣性力與激振力相位相反，而數值接近，相互平衡掉，僅有靜荷載和小部分殘余動荷載通過彈簧阻尼元件傳到基礎上。
鋼彈簧隔振器內有粘滯阻尼，使鋼彈簧具有三維彈性，且橫向剛度可以獨立設計,可以設計出很高的橫向穩(wěn)定性，而橡膠的橫向剛度很小，需橫向限位裝置，限制了垂向剛度的設計空間。與鋼彈簧相匹配的粘滯阻尼也恰好具有三維以上的阻尼，增加了系統的各向穩(wěn)定性和安全性，且能抑制和吸收固體聲。
⑵ 鋼彈簧浮置板道床系統參數設計的一般準則
浮置板系統設計基于2個關鍵參數，即在浮置板自重作用下彈簧壓縮量和列車動荷載引起的壓縮量。這兩個參數一旦確定，就基本確定了浮置板的主要尺寸和隔振效果。首先，要根據列車軸重確定浮置板的每延米重量。該重量一般取值為最大軸重的25－30％。然后確定浮置板的厚度和寬度。浮置板的長度不僅對其動力學特性而且對浮置板系統的總造價都有影響。浮置板越短，接點越多，造價越高。最后再根據每延米重量選取隔振器的型號和數量，并驗算彈簧變形和動變形。
主要設計步驟如下。
1) 根據激振頻率ω，確定隔振系統的固有頻率 。
確定鋼彈簧浮置板系統的自振頻率是整個隔振設計的關鍵。而系統自振頻率的取值與被保護對象（建筑）的種類，位置及環(huán)境條件有關。
2) 根據車輛軸重P確定隔振系統質量m：m=0.25~0.3P
一般情況下，要達到理想的隔振效果，作為參振質量的的浮置板較重，而隔振器的剛度較小。一般橡膠類減振器無法達到。
4) 進行隔振器的動靜比γ設計，以期達到更長的結構疲勞壽命。
式中：Yd 、 Yj——由動荷載、自重分別引起的彈簧振幅；
5) 浮置板的外形及強度設計
根據鋼彈簧浮置板地段的結構特性、浮置板的動力特性及混凝土的伸縮等條件確定浮置板的長度。
6) 進行鋼筋混凝土浮置板結構設計。
浮置板的設計，必須進行靜強度計算及動力學分析，以保證鋼彈簧浮置板道床減振降噪效果。
⑶ 鋼彈簧浮置板道床系統的技術特點：
1) 該隔振系統的固有頻率低（4～7Hz），可有效的減振和消除固體聲；其減振效果為振動加速度級傳遞損失（道床面到隧道壁）可達40～60dB，插入損失（道床到建筑物）最小可達25dB；
2) 該結構的減振元件具有三維彈性，結構簡潔,具有很高的水平方向穩(wěn)定性，無需橫向限位裝置；
3) 隔振器疲勞壽命長，易檢查，不需特殊的維護和保養(yǎng)；
4) 施工簡便，維修、更換無需中斷行車；
5) 通過加設調平墊板可用于調整結構的偶然下沉。
6) 工程造價高，因為是特殊設計，需各相關專業(yè)密切配合。
4 西直門車站鋼彈簧浮置板道床設計及分析
西直門車站站臺形式為兩島一側，車站的站臺長為120m。西直門車站每線設計采用鋼彈簧浮置板道床126.53m 。
三條線共設計5種規(guī)格、12塊浮置板，如下圖。
車站的行車道結構為8.4mX5的框架結構。為使隔振器作用在結構柱網的橫梁上，隔振器按8.4m間距布置；為了保證浮置板的抗彎剛度和動力特性，浮置板的厚度確定為0.66米；為實現接觸軌的固定，浮置板寬度確定為3.3m；通過動力計算，確定每段浮置板按跨越4跨行車道框架設計，其標準長度為33.6m。最后一段為三跨，長25.3m。本設計的浮置板質量為5.2t/m，在無載荷狀態(tài)下，浮置板懸浮于行車道之上40mm。
2) 隔振器的種類比選
隔振器在浮置板道床中的布置方式，隔振器分為嵌入式和側置式兩種型式。后者的造價約是前者的2/3。因西直門車站為高架車站，經與車站結構、建筑專業(yè)配合，具有設置側置式隔振器的條件，因此為降低造價，本工點采用側置式隔振器。隔振器上下無螺栓連接，采用摩擦系數為2的專用防滑墊代替。
3) 隔振器彈簧剛度的設計
本工程的具體情況，隔振器的支撐剛度設計為6.9kN/mm，使在靜荷載、動荷載情況下隔振器的壓縮量分別為5mm、10mm。
4) 隔振器的壽命保證
隔振器的鋼彈簧采用磷化處理，并涂鍍環(huán)氧樹脂以防腐。彈簧的工作應力遠小于彈簧鋼的疲勞應力極限。關鍵焊縫設計時安全系數較大，其余高應力鋼件進行了時效處理，采用熱鍍鋅保護。整個隔振器關鍵部件的設計壽命大于50年。
5) 過渡段設計
浮置板道床的南端接本工程區(qū)間高架線采用的剛性整體道床。為使兩種道床相接處的鋼軌變形連續(xù)及支撐剛度漸變，在浮置板道床的最南端，進行了加密隔振器等技術處理，以增大浮置板道床的支撐剛度。與浮置板道床的北端緊鄰的，是高架橋穿越北京“城鐵”的指揮中心辦公樓地段。在該高架橋的支座處亦設置了隔振支座。在工程設計過程中將西直門車站的隔振器設計與指揮中心橋下的隔振支座設計一并考慮，增加了浮置板端部的隔振器數量，以減少剛度突變，使該處兩端的鋼軌動態(tài)位移量相當。
6) 剪力鉸設計
為保護鋼軌不受大的額外剪力，在浮置板之間的接頭處設置了5根剪力鉸，剪力鉸和剪力筒分別埋設在兩塊相鄰浮置板中間，縱向可以相對自由伸縮，徑向剛度很大，可以傳遞垂向載荷，這樣可以保證相鄰浮置板之間協同受力，接頭處變形基本一致，鋼軌不額外受剪。
5 與相關專業(yè)的技術接口
因軌道采用了鋼彈簧浮置板道床結構，使相關的結構、建筑、防迷流、給排水等專業(yè)的設計都應進行相應的調整。采用鋼彈簧浮置板后，行車道結構的受力方式由承受面荷載變?yōu)槌惺茳c荷載，且荷載值加大，還產生施工期荷載較大等新問題。行車道結構的橫梁寬度與隔振器支撐寬度也進行了設計調整。同時由于預留隔振器更換空間等原因，站臺板懸臂寬度加大，站臺板懸臂端根部亦進行了加強。防迷流專業(yè)根據浮置板的特點，要求在浮置板受力鋼筋之表層另加一層排迷流鋼筋網，以防止鋼筋焊接對浮置板受力鋼筋的強度影響，并加強對浮置板的電腐蝕防護。牽引供電、通信、信號等專業(yè)的橫向過軌電纜，經設計協調，均避開此地段過軌。
6 施工方法
鋼彈簧浮置板道床的施工采用與區(qū)間剛性整體道床相同的鋼軌支撐架法施工，以確保浮置板道床施工后的軌面精度。施工層面自上而下，即先架軌至軌道高低、水平、軌距等達到驗收標準，然后灌注整體道床。不同之處是，鋼彈簧浮置板道床施工在架軌時應預留出處于懸浮狀態(tài)時浮置板與行車道結構頂板間的縫隙40mm；在澆注道床混凝土前應敷設隔離薄膜，以隔離道床混凝土與結構混凝土；在預制隔振器箱中放置隔振器，經過對浮置板實施頂升后，釋放頂升的千斤頂，使隔振器受力，軌面升至設計軌面標高。主要步驟如下：
1）在行車道結構頂面鋪設隔離膜，以隔離浮置板混凝土與結構頂面混凝土；
2）架軌，并調整軌道高低、水平、軌距等達到驗收標準；
3）放置已預制好的隔振器支承箱、立模板、綁鋼筋，放置剪力桿，并調整好支承箱和剪力桿的位置；
4）澆注混凝土，養(yǎng)護混凝土達到28天強度后，方可開始頂升；
5）頂升前，先設置永久測量基準點，并測量記錄；
7）利用專用液壓頂升系統對浮置板從一端開始，進行多點（2x4點，3跨）多輪（5x10mm）頂升，每輪頂升后浮置板下面的間隙用墊塊墊起；
6）浮置板頂升均達50mm以后，放置隔振器到位，放置調平鋼板和防滑墊；
7）再從一端開始，先用千斤頂多點（2x4點）卸載墊塊并抽出墊塊，然后回落千斤頂，使浮置板的重量落到隔振器上；
8）待所有的浮置板重量落到隔振器上后，浮置板處于浮置狀態(tài)；
9）測量并調整浮置板的局部高度至設計高度后，精調軌面。
經過浮置板道床地段施工前的精心準備，以及德國專家的現場指導，目前西直門車站的浮置板道床已經順利施工完畢，浮置板處于懸浮狀態(tài)。
7 小結
通過西直門車站的隔振軌道設計，將德國隔而固公司的鋼彈簧隔振器技術與西直門車站這一具體工點的減振要求有機地相結合，以發(fā)揮鋼彈簧浮置板道床的隔振技術優(yōu)勢，從而隔離軌道交通的振動，消除固體聲，盡量減少軌道交通對周圍建筑物的振動影響。這將對改善西直門交通樞紐的環(huán)境條件都將起到良好的作用。這是鋼彈簧浮置板道床在我國的首次工程應用。
就隔振原理而言，鋼彈簧浮置板道床是行之有效的隔振措施。但是由于其價格等原因，只有在軌道交通與振動敏感點的相對位置十分不利，即預測振動敏感點將超標25dB以上的情況下使用，采用此隔振方案的性價比是比較合理的。待“城鐵”開通運營后，計劃將對該系統的實際隔振效果進行量化的測試與評估。
