多层有砟轨道结构弹性波波动行为及带隙特性

为更好探究弹性波在有砟轨道结构中的传播特性，建立基本元胞平面波倒格矢下的多层有砟轨道波动方程，得到无限周期结构模型的频散曲线及各阶带隙，分别为：0～57.4 Hz、72.14 Hz～122.2 Hz、141.9 Hz～243.5 Hz。通过参数分析，得出结构中的局域共振带隙主要受到扣件、轨枕、道床刚度等轨下支撑的影响；Bragg 带隙主要受到扣件刚度及元胞长度的影响。同时，建立有限周期数的多层有砟轨道模型求解结构的振动传递系数dB，得到在各阶带隙范围内dB值小于0，即弹性波明显衰减，验证了带隙的存在及计算的正确性。为探寻带隙机理，模拟多层有砟轨道的集中质量模型，推导出各阶带隙的边界频率计算公式及振动模式。最后，提取位于带隙范围内的60 Hz、90 Hz、200 Hz以及位于通带范围内的70 Hz、150 Hz、2 000 Hz下的钢轨及道床位移分布，对于带隙范围内的频率，钢轨及道床位移会沿着弹性波波动方向快速衰减，表现出带隙特性，且衰减速度与振动传递系数大小相符；而对于通带范围内的频率，钢轨及道床位移沿着弹性波的波动方向无明显变化或衰减，即表现出通带特性，这进一步阐释有砟轨道结构中弹性波的传播特性以及带隙对钢轨及环境振动的抑制作用。有关结论可为后续从波动角度研究轨道结构及环境振动提供新的思路及理论支撑。