城市铁路西直门车站钢弹簧浮置板道床的应用与设计
摘 要：从减振原理、应用场所、方案设计、各专业配合等方面，介绍了正在建设的城市铁路西直门车站减振型轨道结构的设计，为今后类似工程条件的设计提供借鉴。关键词：钢弹簧浮置板、隔振、设计
1 西直门车站的周边环境及减振要求
北京市西直门--东直门城市铁路工程（以下简称“城铁”）是北京申奥承诺的轨道交通线路之一，是全国第一条集地下线、高架线、地面线为一体的快速轨道交通项目，全长40.6km。西直门车站是“城铁”的起点站。 “城铁”西直门站位于繁华的西直门地区新建的西直门交通枢纽之中，与公交、国铁、环线地铁、水运等在交通枢纽中汇集。紧邻“城铁”西直门站西侧是华融公司已立项开发的三栋高层高档流线形的写字楼；东侧是新改建的国铁北京北站；周围是公交站点；地下是环线地铁站。“城铁”西直门站为高架三层框架钢筋混凝土结构，站台层在第三层。除两条正线外还有一条存车线。“城铁”车站结构与相邻的流线形写字楼的地下结构连通为一体，地下为超市及停车场。
在西直门交通枢纽环境评估报告中明确要求，轨道交通的西直门站应考虑采取更有效的减振、隔振措施。市政府有关领导也指示，因西直门交通枢纽的远期高峰小时将有约5.2万人次换乘，且周围为高档写字楼，设计应以人为本，保护环境最为重要。单一从“城铁”的减振要求而言，因西直门车站处在的交通枢纽之中，对减振并无特殊要求。但是就尽可能减小轨道交通的振动对周边写字楼的影响及考虑减小交通枢纽中的整体噪声水平、从而提高交通枢纽的综合环境水平而言，对轨道的减振水平要求又很高。因此，在西直门站轨道结构设计时，进行了以减振性能为主要因素的方案比选。
2 减振方案比选
在进行西直门车站初步设计时，根据西直门站的特殊地理位置及环境要求，对国内外的轨道减振措施进行了认真的理论分析及工程类比。综合其减振性能、工程可实施性、造价等因素，选择了四个方案进行比选。这四个方案分别是：轨道减振器扣件、弹性套靴式整体道床、美国Lord公司的胶结弹性扣件、德国隔而固（GERB）公司的钢弹簧浮置板道床。
前两个方案是国内已建和在建地铁项目中应用较多的轨道减振方案。如北京环线地铁的东四十条站采用了弹性套靴式减振型轨道，取得了预期的减振效果，其上方的保利剧院等建筑物，均未受到地铁列车运行的影响。轨道减振器扣件类似于德国的科隆蛋，已应用于上海地铁一、二号线的较高要求减振地段。这两种减振型轨道的振动加速度级减振效果一般为5~10dB。
后两个方案在国内还没有工程应用，国外则有很多的工程应用实例。胶结弹性扣件已应用于美国及其他国家和地区的地铁项目。一般减振效果可达10dB以上。钢弹簧浮置板道床应用于德国、英国、巴西和韩国等高铁和地铁项目。一般减振效果为25~40dB。深圳地铁一号线在地铁线路穿越市政府一段（双线255m），于2001年已决定采用该方案，并已经通过在铁道科学研究院的实尺模型试验。试验的减振效果为40dB，隔振器下的地面未受到激振力的影响。从国外已采用钢弹簧浮置板道床的地铁运营情况看，被保护建筑物内均未受地铁列车运营所产生振动的影响。
类似于西直门站这种高架车站与周边建筑紧邻的情况在国内还是首例。这种工程条件下的隔振措施，还没有技术成熟且国内有应用实例的方案。在方案比选的过程中，从西直门站的结构型式、周边开发项目的性质、所处的地理位置和周边环境等方面综合考虑，并参考国外同类工程的应用经验，经过国外专家的技术咨询，推荐钢弹簧浮置板道床为实施方案。由于华融写字楼和“城铁”西直门交通枢纽属于同期规划，首规设委在[2000]765号文件中就北京西直门交通枢纽初步设计减振降噪标准及特殊隔振追加投资分摊问题进行了批复。“城铁”公司和华融公司按照首规委文件精神进行了多次磋商，并组织设计院、有关专家和隔振厂家进行多次技术交流和专家论证，从设计院提出的多种备选方按中，确定采用钢弹簧浮置板隔振技术方案。此处采用钢弹簧浮置板道床方案，其技术可靠、经济合理、社会效益好。正是西直门车站隔振要求这一工程急需才带来了钢弹簧浮置板在中国轨道交通中的应用及配套工程应用技术的发展。
3 钢弹簧浮置板道床隔振原理及技术特点
⑴ 钢弹簧浮置板道床隔振原理
钢弹簧浮置板道床是将具有一定质量和刚度的混凝土道床板浮置在钢弹簧隔振器上，构成质量－弹簧－隔振系统。隔振器内放有螺旋钢弹簧和粘滞阻尼。
尽管浮置板具有很多高阶振动模态，但对隔振效果起关键作用的是浮置板－弹簧系统的6个低阶刚体固有振动模态，其隔振原理仍然可以用单质量－单自由度振动体系来分析。假设激振力是一正弦函数，如图1。横坐标轴是激振频率与系统固有频率之比h，简称调谐比；纵坐标轴为传递到基础上的基础力振幅与激振力振幅之比VF，简称传递比。当调谐比接近1时，即当激振频率接近系统固有频率时，传递比大于1，系统处于共振区；而当调谐比大于 以后，系统进入隔振区，传递比开始小于1，基础力动载振幅小于激振力振幅，激振力被惯性质量的惯性力部分平衡掉。而当调谐比远大于 以后，质量块的惯性力与激振力相位相反，而数值接近，相互平衡掉，仅有静荷载和小部分残余动荷载通过弹簧阻尼元件传到基础上。
钢弹簧隔振器内有粘滞阻尼，使钢弹簧具有三维弹性，且横向刚度可以独立设计,可以设计出很高的横向稳定性，而橡胶的横向刚度很小，需横向限位装置，限制了垂向刚度的设计空间。与钢弹簧相匹配的粘滞阻尼也恰好具有三维以上的阻尼，增加了系统的各向稳定性和安全性，且能抑制和吸收固体声。
⑵ 钢弹簧浮置板道床系统参数设计的一般准则
浮置板系统设计基于2个关键参数，即在浮置板自重作用下弹簧压缩量和列车动荷载引起的压缩量。这两个参数一旦确定，就基本确定了浮置板的主要尺寸和隔振效果。首先，要根据列车轴重确定浮置板的每延米重量。该重量一般取值为最大轴重的25－30％。然后确定浮置板的厚度和宽度。浮置板的长度不仅对其动力学特性而且对浮置板系统的总造价都有影响。浮置板越短，接点越多，造价越高。最后再根据每延米重量选取隔振器的型号和数量，并验算弹簧变形和动变形。
主要设计步骤如下。
1) 根据激振频率ω，确定隔振系统的固有频率 。
确定钢弹簧浮置板系统的自振频率是整个隔振设计的关键。而系统自振频率的取值与被保护对象（建筑）的种类，位置及环境条件有关。
2) 根据车辆轴重P确定隔振系统质量m：m=0.25~0.3P
一般情况下，要达到理想的隔振效果，作为参振质量的的浮置板较重，而隔振器的刚度较小。一般橡胶类减振器无法达到。
4) 进行隔振器的动静比γ设计，以期达到更长的结构疲劳寿命。
式中：Yd 、 Yj——由动荷载、自重分别引起的弹簧振幅；
5) 浮置板的外形及强度设计
根据钢弹簧浮置板地段的结构特性、浮置板的动力特性及混凝土的伸缩等条件确定浮置板的长度。
6) 进行钢筋混凝土浮置板结构设计。
浮置板的设计，必须进行静强度计算及动力学分析，以保证钢弹簧浮置板道床减振降噪效果。
⑶ 钢弹簧浮置板道床系统的技术特点：
1) 该隔振系统的固有频率低（4～7Hz），可有效的减振和消除固体声；其减振效果为振动加速度级传递损失（道床面到隧道壁）可达40～60dB，插入损失（道床到建筑物）最小可达25dB；
2) 该结构的减振元件具有三维弹性，结构简洁,具有很高的水平方向稳定性，无需横向限位装置；
3) 隔振器疲劳寿命长，易检查，不需特殊的维护和保养；
4) 施工简便，维修、更换无需中断行车；
5) 通过加设调平垫板可用于调整结构的偶然下沉。
6) 工程造价高，因为是特殊设计，需各相关专业密切配合。
4 西直门车站钢弹簧浮置板道床设计及分析
西直门车站站台形式为两岛一侧，车站的站台长为120m。西直门车站每线设计采用钢弹簧浮置板道床126.53m 。
三条线共设计5种规格、12块浮置板，如下图。
车站的行车道结构为8.4mX5的框架结构。为使隔振器作用在结构柱网的横梁上，隔振器按8.4m间距布置；为了保证浮置板的抗弯刚度和动力特性，浮置板的厚度确定为0.66米；为实现接触轨的固定，浮置板宽度确定为3.3m；通过动力计算，确定每段浮置板按跨越4跨行车道框架设计，其标准长度为33.6m。最后一段为三跨，长25.3m。本设计的浮置板质量为5.2t/m，在无载荷状态下，浮置板悬浮于行车道之上40mm。
2) 隔振器的种类比选
隔振器在浮置板道床中的布置方式，隔振器分为嵌入式和侧置式两种型式。后者的造价约是前者的2/3。因西直门车站为高架车站，经与车站结构、建筑专业配合，具有设置侧置式隔振器的条件，因此为降低造价，本工点采用侧置式隔振器。隔振器上下无螺栓连接，采用摩擦系数为2的专用防滑垫代替。
3) 隔振器弹簧刚度的设计
本工程的具体情况，隔振器的支撑刚度设计为6.9kN/mm，使在静荷载、动荷载情况下隔振器的压缩量分别为5mm、10mm。
4) 隔振器的寿命保证
隔振器的钢弹簧采用磷化处理，并涂镀环氧树脂以防腐。弹簧的工作应力远小于弹簧钢的疲劳应力极限。关键焊缝设计时安全系数较大，其余高应力钢件进行了时效处理，采用热镀锌保护。整个隔振器关键部件的设计寿命大于50年。
5) 过渡段设计
浮置板道床的南端接本工程区间高架线采用的刚性整体道床。为使两种道床相接处的钢轨变形连续及支撑刚度渐变，在浮置板道床的最南端，进行了加密隔振器等技术处理，以增大浮置板道床的支撑刚度。与浮置板道床的北端紧邻的，是高架桥穿越北京“城铁”的指挥中心办公楼地段。在该高架桥的支座处亦设置了隔振支座。在工程设计过程中将西直门车站的隔振器设计与指挥中心桥下的隔振支座设计一并考虑，增加了浮置板端部的隔振器数量，以减少刚度突变，使该处两端的钢轨动态位移量相当。
6) 剪力铰设计
为保护钢轨不受大的额外剪力，在浮置板之间的接头处设置了5根剪力铰，剪力铰和剪力筒分别埋设在两块相邻浮置板中间，纵向可以相对自由伸缩，径向刚度很大，可以传递垂向载荷，这样可以保证相邻浮置板之间协同受力，接头处变形基本一致，钢轨不额外受剪。
5 与相关专业的技术接口
因轨道采用了钢弹簧浮置板道床结构，使相关的结构、建筑、防迷流、给排水等专业的设计都应进行相应的调整。采用钢弹簧浮置板后，行车道结构的受力方式由承受面荷载变为承受点荷载，且荷载值加大，还产生施工期荷载较大等新问题。行车道结构的横梁宽度与隔振器支撑宽度也进行了设计调整。同时由于预留隔振器更换空间等原因，站台板悬臂宽度加大，站台板悬臂端根部亦进行了加强。防迷流专业根据浮置板的特点，要求在浮置板受力钢筋之表层另加一层排迷流钢筋网，以防止钢筋焊接对浮置板受力钢筋的强度影响，并加强对浮置板的电腐蚀防护。牵引供电、通信、信号等专业的横向过轨电缆，经设计协调，均避开此地段过轨。
6 施工方法
钢弹簧浮置板道床的施工采用与区间刚性整体道床相同的钢轨支撑架法施工，以确保浮置板道床施工后的轨面精度。施工层面自上而下，即先架轨至轨道高低、水平、轨距等达到验收标准，然后灌注整体道床。不同之处是，钢弹簧浮置板道床施工在架轨时应预留出处于悬浮状态时浮置板与行车道结构顶板间的缝隙40mm；在浇注道床混凝土前应敷设隔离薄膜，以隔离道床混凝土与结构混凝土；在预制隔振器箱中放置隔振器，经过对浮置板实施顶升后，释放顶升的千斤顶，使隔振器受力，轨面升至设计轨面标高。主要步骤如下：
1）在行车道结构顶面铺设隔离膜，以隔离浮置板混凝土与结构顶面混凝土；
2）架轨，并调整轨道高低、水平、轨距等达到验收标准；
3）放置已预制好的隔振器支承箱、立模板、绑钢筋，放置剪力杆，并调整好支承箱和剪力杆的位置；
4）浇注混凝土，养护混凝土达到28天强度后，方可开始顶升；
5）顶升前，先设置永久测量基准点，并测量记录；
7）利用专用液压顶升系统对浮置板从一端开始，进行多点（2x4点，3跨）多轮（5x10mm）顶升，每轮顶升后浮置板下面的间隙用垫块垫起；
6）浮置板顶升均达50mm以后，放置隔振器到位，放置调平钢板和防滑垫；
7）再从一端开始，先用千斤顶多点（2x4点）卸载垫块并抽出垫块，然后回落千斤顶，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，浮置板处于浮置状态；
9）测量并调整浮置板的局部高度至设计高度后，精调轨面。
经过浮置板道床地段施工前的精心准备，以及德国专家的现场指导，目前西直门车站的浮置板道床已经顺利施工完毕，浮置板处于悬浮状态。
7 小结
通过西直门车站的隔振轨道设计，将德国隔而固公司的钢弹簧隔振器技术与西直门车站这一具体工点的减振要求有机地相结合，以发挥钢弹簧浮置板道床的隔振技术优势，从而隔离轨道交通的振动，消除固体声，尽量减少轨道交通对周围建筑物的振动影响。这将对改善西直门交通枢纽的环境条件都将起到良好的作用。这是钢弹簧浮置板道床在我国的首次工程应用。
就隔振原理而言，钢弹簧浮置板道床是行之有效的隔振措施。但是由于其价格等原因，只有在轨道交通与振动敏感点的相对位置十分不利，即预测振动敏感点将超标25dB以上的情况下使用，采用此隔振方案的性价比是比较合理的。待“城铁”开通运营后，计划将对该系统的实际隔振效果进行量化的测试与评估。
