高志國(guó)

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142）

高速鐵路有砟與無(wú)砟軌道過(guò)渡段優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

高志國(guó)

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142）

以大（同）西（安）高鐵有砟軌道與CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道過(guò)渡段為研究對(duì)象，開展軌道過(guò)渡段動(dòng)力性能仿真計(jì)算，并以鋼軌撓度變化率為評(píng)價(jià)指標(biāo)分析過(guò)渡段有、無(wú)道砟粘結(jié)措施時(shí)的輪軌動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，從動(dòng)力學(xué)角度對(duì)過(guò)渡段是否可以取消道砟粘結(jié)措施提出建議。

高速鐵路；有砟無(wú)砟過(guò)渡段；道砟膠；鋼軌撓度變化率

1　工程概況

大西高鐵太原至運(yùn)城段行經(jīng)太原盆地、臨汾盆地和運(yùn)城盆地，盆地內(nèi)分布有地裂縫，地裂縫的活動(dòng)變形不是人力可以控制、阻止的，但是可以采取工程措施協(xié)調(diào)地裂縫的變形以滿足工程需要，最大限度地延長(zhǎng)工程的使用壽命和養(yǎng)護(hù)維修周期。因此對(duì)于地裂縫活動(dòng)較為強(qiáng)烈、影響區(qū)范圍較大，且與高速鐵路小角度斜交的地段采用有砟軌道。大西高鐵太原至運(yùn)城段有兩處地裂縫地段采用了有砟軌道結(jié)構(gòu)。

東觀地裂縫對(duì)應(yīng)線路里程為DK337+481.070—DK338+021.750，線路長(zhǎng)度540.7 m。

東六支地裂縫對(duì)應(yīng)線路里程為DK344+907.290—DK345+298.050，線路長(zhǎng)度390.8 m。

2　有砟與無(wú)砟軌道過(guò)渡段一般措施

我國(guó)高速鐵路對(duì)有砟與無(wú)砟過(guò)渡段一般采取如下措施：

1）過(guò)渡段在有砟軌道一定范圍內(nèi)設(shè)置道砟膠，道砟膠按分段粘結(jié)方式進(jìn)行過(guò)渡，即全部粘結(jié)區(qū)、枕下和砟肩粘結(jié)區(qū)、枕下粘結(jié)區(qū)；

2）過(guò)渡段設(shè)置輔助軌，輔助軌采用25 m定尺長(zhǎng)60 kg/m鋼軌，其中無(wú)砟軌道地段長(zhǎng)5 m，有砟軌道地段長(zhǎng)20 m；

3）無(wú)砟軌道支承層向有砟軌道延伸一定長(zhǎng)度，若在橋臺(tái)位置可設(shè)置鋼筋混凝土搭板；

4）過(guò)渡段有砟軌道的軌道剛度通過(guò)調(diào)整扣件彈性墊層分級(jí)過(guò)渡。

3　仿真分析模型

為對(duì)列車通過(guò)有砟軌道與CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道過(guò)渡段時(shí)的輪軌動(dòng)力性能進(jìn)行分析，建立如圖1所示的列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道過(guò)渡段動(dòng)力學(xué)模型。

圖1所示的列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道過(guò)渡段動(dòng)力學(xué)模型中，將車輛視為由車體、構(gòu)架及輪對(duì)組成的多剛體系統(tǒng)，考慮各部分的橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭等自由度。

圖1　列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道過(guò)渡段動(dòng)力學(xué)模型

有砟軌道為傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)形式，主要由鋼軌、扣件、鋼筋混凝土軌枕及碎石道床等部分組成。在有砟軌道結(jié)構(gòu)中，軌道部件都將參與振動(dòng)。其中，將鋼軌視為彈性點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的Bernoulli-Euler梁，并考慮左、右股鋼軌的垂向、橫向及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。軌枕考慮其垂向、橫向運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，鋼軌與軌枕以及軌枕與道床之間通過(guò)線性彈簧和黏性阻尼連接。道床考慮垂向振動(dòng)。

CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道主要由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕和混凝土道床板組成。鋼軌的模型與上述相同。由于雙塊式軌枕與混凝土道床板完全聯(lián)結(jié)在一起，為考慮其振動(dòng)，將道床板按扣件間距離散成質(zhì)量塊，塊與塊之間通過(guò)線性彈簧和黏性阻尼連接，基礎(chǔ)對(duì)其的支承彈性和阻尼通過(guò)道床板質(zhì)量塊下方的線性彈簧和黏性阻尼體現(xiàn)。

4　仿真計(jì)算條件

4.1列車計(jì)算條件

CRH3型車，行車速度300 km/h。

4.2軌道計(jì)算條件

圖2為有砟軌道與CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道過(guò)渡段示意圖。圖中有砟軌道和雙塊式無(wú)砟軌道的詳細(xì)計(jì)算參數(shù)見表1、表2。

圖2　有砟軌道與CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道過(guò)渡段示意（單位：m）

表1　有砟軌道計(jì)算參數(shù)

由于上述線路沿縱向由不同軌下基礎(chǔ)組成，主要體現(xiàn)為軌道剛度動(dòng)態(tài)變化（軌道剛度不平順），而軌道隨機(jī)不平順屬于幾何不平順。因此，分析中不考慮軌道隨機(jī)不平順的影響。

表2　雙塊式無(wú)砟軌道計(jì)算參數(shù)

5　軌道過(guò)渡段動(dòng)力性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

軌道過(guò)渡段區(qū)域軌下基礎(chǔ)剛度差屬于動(dòng)力不平順，應(yīng)該采用動(dòng)力學(xué)的方法進(jìn)行分析評(píng)估。當(dāng)車輛通過(guò)軌道過(guò)渡段時(shí)，應(yīng)滿足行車安全性和舒適性的要求，同時(shí)應(yīng)盡可能減輕軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用水平。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，鋼軌撓度變化率（車輪下方鋼軌動(dòng)撓度對(duì)運(yùn)行里程的一階導(dǎo)數(shù)）可作為有效評(píng)價(jià)由軌下基礎(chǔ)剛度動(dòng)態(tài)變化引起的輪軌動(dòng)力作用的綜合指標(biāo)，并且從減輕輪軌動(dòng)力作用和改善行車平穩(wěn)性的角度，鋼軌撓度變化率應(yīng)該控制在0.3 mm/m以下。

6　仿真計(jì)算結(jié)果及分析

利用列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道過(guò)渡段動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到行車速度為300 km/h，在有、無(wú)道砟粘結(jié)措施的情形下，列車通過(guò)軌道過(guò)渡段時(shí)的鋼軌撓度、鋼軌撓度變化率分別如圖3、圖4所示。

圖3　列車通過(guò)軌道過(guò)渡段時(shí)的鋼軌撓度

圖4　列車通過(guò)軌道過(guò)渡段時(shí)的鋼軌撓度變化率

有道砟粘結(jié)措施時(shí)，有砟軌道與無(wú)砟軌道過(guò)渡段處鋼軌撓度變化率最大值為0.07 mm/m，無(wú)道砟粘結(jié)措施時(shí)，鋼軌撓度變化率最大值為0.15 mm/m，兩者均滿足＜0.3 mm/m的限值要求。

7　結(jié)論

本文通過(guò)建立列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道過(guò)渡段動(dòng)力學(xué)模型，分析計(jì)算了行車速度為300 km/h，有、無(wú)道砟粘結(jié)措施的情形下，CRH3動(dòng)車通過(guò)軌道過(guò)渡段時(shí)的輪軌動(dòng)力響應(yīng)，得到結(jié)論如下：

1）列車通過(guò)軌道過(guò)渡段時(shí)，無(wú)道砟粘結(jié)措施時(shí)鋼軌撓度變化率明顯大于有道砟粘結(jié)措施時(shí)。

2）有道砟粘結(jié)措施時(shí)，鋼軌撓度變化率最大值為0.07 mm/m，無(wú)道砟粘結(jié)措施時(shí)，鋼軌撓度變化率最大值為0.15 mm/m，兩者均滿足＜0.3 mm/m的限值要求。

3）從動(dòng)力學(xué)角度考慮，有、無(wú)道砟粘結(jié)措施，均可保證CRH3動(dòng)車以300 km/h安全通過(guò)，因此大西高鐵有砟無(wú)砟過(guò)渡段不采用道砟粘結(jié)措施能夠滿足行車安全。

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Optimization Design Study on Transition Section Between Ballast Track and Ballastless Track of High Speed Railway

GAO Zhiguo
（The 3rd Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China）

T aking the transition section between the ballast track and CRT SⅠdouble-block ballastless track of Datong-Xi'an high speed railway as the research object，the dynamic performance simulate calculation of track transition section was carried out，the wheel/rail dynamic response results of transition section with ballast glue measures or not were analyzed by considering the rail deflection change rate as the evaluation index，and whether the ballast glue measures should be canceled or not was discussed from the perspective of dynamics.

High speed railway；T ransition section between the ballast track and ballastless track；Ballast glue；Rail deflection change rate

U213.2+41

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.29

1003-1995（2016）09-0118-03

（責(zé)任審編孟慶伶）

2016-02-26；

2016-06-15

高志國(guó)（1986—），男，工程師，碩士。