緒論

1.1 前言

鐵路軌道系統依道床結構型式可分為兩大類，即道碴軌道(Ballasted Track) 及無道碴軌道(Non-Ballasted Track)。國內鐵路除台鐵大部分路段仍為傳統道碴 軌道外，台北捷運、高雄捷運、高鐵及中正機場捷運等均已大量採用無道碴軌 道系統。由於無道碴軌道之吸音減振功能不如道碴道床，因此各國有關無道碴 軌道之研究主要著重在減振及噪音防制方面，以提高旅客乘坐之舒適性。「台 灣鐵路管理局」近年來亦逐步開始採用無道碴軌道系統，除了因應未來維修人 力不足的問題外，主要亦在降低軌道維護的成本。台鐵對於無道碴軌道系統之 應用尚處於起步階段，應儘速建立相關技術之理論架構，據以發展適合本土之 軌道工程技術。

1.2 研究動機及目的

目前台鐵使用之無道碴軌道系統可整理如表1.1 所示，其中「彈性軌枕直 結軌道」屬於「軌枕埋入式軌道系統」［11］。該型軌道係利用鋼軌下方之橡膠 墊片及預力混凝土軌枕下方之彈性材，再配合軌枕兩端之橡膠被覆套，藉以增 加其吸音減振之功能。「交通部鐵路改建工程局」於鐵路地下化工程南港專案 之軌道工程，考量鐵路沿線多經過屬振動及噪音敏感帶之市區，遂以北迴新線 新南澳隧道採用之「彈性軌枕直結軌道」為基礎，以日本常磐新線之「石碴散 佈型彈性軌枕直結軌道」型式為輔，經研究後決定於橋梁及隧道段之軌道型式 採用「彈性PC 軌枕防振直結軌道」［11-12］，以減少列車行駛時所引起之噪音 與振動。

「彈性 PC 軌枕防振直結軌道」之主要功能為「減振」，惟該型軌道系統

之設計與結構分析檢核仍在靜力分析之層次，僅於列車動態載重部份額外考慮 一衝擊係數［12］。實際之減振效果則有待後續之監測分析加以評估驗証。本 研究擬嘗試以動態模型進行分析，以瞭解列車於不同車速行駛時之軌道振動特 性，並進一步探討該型軌道系統之減振效益。

1.3 文獻回顧

就輪軌運行之鐵路而言，其軌道系統之主要功能在於引導列車行進，並將 車輪之列車載重(集中力)經鋼軌、扣件組、道床傳遞至路基上。早期有關軌道 力學之研究，主要假設鋼軌為一無限長梁、鋼軌支承系統為一彈性基礎及列車 載重為靜態集中力等條件下進行模擬。捷克學者Winkler 於 1867 年便提出一項 假設：「若將鋼軌置於無限長彈性基礎上，即梁可視為平置於彈性基礎上，則 梁上任一點所受之反力與該點之位移成正比」，此即著名的Winkler Foundation 理論。此後Hetenyi(1946)根據 Winkler 之假設於『Beams on Elastic foundation』

乙書中推導出各種靜態載重之下，彈性基礎之無限長及有限長梁的變位解析方 程式。Kenny(1954)［1］及 Duffy(1990)［3］則將列車模擬成移動載重，並分 析梁之動態反應，其結果顯示，當車速與彈性基礎梁之波傳速度相同時，梁會 發生不穩定的現象。

國內學者陳永祥等人，包括：Chen(1987)、Chen & Sheu(1995；1996)、Chen

& Huang(2000)，何善杰(1995)、洪英哲(1997)、何仲騏(1999)、徐子明(2000)、

許家郎(2000)、劉得立(2003)，亦曾針對軌道之動態行為進行分析與探討。對 於鐵路橋梁之衝擊效應研究，則有姚忠達(1996)、胡俊明(1998)、楊崇孚(2002) 等人之研究。

近年來因電腦計算能力之大幅提升，使得吾人得以利用數值方法建立複雜 之結構分析模型，以模擬列車軌道系統之動態行為。學者楊永斌、姚忠達(2000)

於『高速鐵路車-橋互制理論』乙書中，以移動懸吊質量模擬車體，利用 Newmark-β 差分法配合動態濃縮觀念，將車體自由度濃縮到對應梁元素自由度 中，推導出車橋互制元素(Vehicle-Bridge Interaction，VBI 元素)，以作為橋梁衝 擊係數評估或車橋互制現象的動力分析工具。學者郭振銘帶領學生對於不同型 式軌道數值分析模型之建立，亦有不少成果，包括：陳志偉(2002)、潘濬瑋 (2003)、陳苡亦(2004)、陳家輝(2004)等。此外，學者洪振發(2005)及施光夏(2004) 則利用有限元素分析軟體進行分析，以探討台鐵無道碴軌道系統之動態特性。

1.4 研究範圍及方法

本研究首先針對「軌枕埋入式軌道」系統(無道碴軌道型式)建立其動態解 析模型，依據拉格朗日方程式(Lagrange^，s equation)推導運動方程式，並以工程 實務上廣範運用之軟體 SAP2000 求解系統之動態歷時反應，以探討列車行進 時之軌道振動特性。

本研究有關軌枕質量、鋼軌墊片勁度、軌枕間距等參數，均採用工程實務 上常用之軌道系統參數，俾使動態反應影響評估具備工程應用價值。此外，本 文亦將探討列車於不同車速情況下對橋梁及隧道段軌道系統之動態衝擊，為使 分析結果較能符合實際情況，軌道系統衝擊效應分析之，係以序列性移動載重 模擬台鐵現行推拉式(Push-Pull)列車之軸重分佈，俾使分析結果更具實用價值。

本研究將無限長鋼軌簡化為有限長之Bernoulli-Euler 梁，主要探討軌枕埋 入式軌道系統之垂向振動反應，並嘗試以商用軟體 SAP2000 建立單一及序列 性移動荷重之軌道系統數值分析模型。該分析模型亦可適用於其他各型之「埋 入式軌道」，詳2.2 節。本文之研究流程整理如圖 1.1 所示。

表

1.1 台鐵現行無道碴軌道系統表

無道碴軌道型式 地點/台鐵俗稱 軌道系統結構配置

南港溪橋/版式軌道 平版式軌道

苗南隧道/彈性基鈑軌道

鋼軌

彈性扣件組 混凝土道床版 CA 砂漿 彰化-追分/彈性基鈑軌道

混凝土基座式軌道

曾文溪橋/彈性基鈑軌道

鋼軌

彈性扣件組

長條形混凝土基座

和平-崇德/彈性軌枕直結 軌道

軌枕埋入式軌道

汐止高架/彈性 PC 軌枕防 振直結軌道

鋼軌

彈性扣件組 混凝土軌枕 彈性材及防振箱 混凝土道床版

圖

z 無道碴軌道系統結構配置 z 軌道力學分析相關文獻 z 台鐵列車車輛參數

軌枕埋入式軌道系統 動態分析模型建立

運動方程式推導

橋樑段軌道

隧道段軌道

運用商用軟體求解動態反應

單一移動荷重

序列性移動荷重

軌道系統參數研究

單一移動荷重 序列性移動荷重

軌 枕 質 量 之 影 響

軌 枕 間 距 之 影 響 列車不同車速

之衝擊效應

實例分析(連續橋軌道動態模擬)

結論與建議

鋼軌墊片勁度之影響