尤明熙,楊　飛,黎國清,陳東生,尹　峰

(中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所,北京　100081)

無砟軌道和有砟軌道結(jié)構(gòu)剛度差異較大，需要設(shè)置無砟-有砟軌道過渡段保證均勻過渡。設(shè)計(jì)時(shí)速300 km及以上的高速鐵路，其他鐵路超過1 km隧道和隧道群地段宜采用無砟軌道結(jié)構(gòu)[1]，設(shè)計(jì)時(shí)速200～250 km的高速鐵路和客貨混運(yùn)線路正線通常采用有砟軌道，隧道內(nèi)以無砟軌道為主，無砟軌道和有砟軌道過渡段通常設(shè)在隧道進(jìn)出口，無論軌道結(jié)構(gòu)還是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均存在差異，隨著運(yùn)量的增加，過渡段的軌道幾何狀態(tài)逐漸惡化。目前的研究方法通常以過渡段結(jié)構(gòu)差異引起的不平順為輪軌系統(tǒng)的激振源進(jìn)行動力學(xué)仿真計(jì)算[2-6]和現(xiàn)場的動力響應(yīng)測試[7]等，并且目前對路橋過渡段的研究較多，還有研究方法是基于過渡段不同結(jié)構(gòu)間剛度差異對系統(tǒng)動響應(yīng)產(chǎn)生的影響[8-11]從而對過渡段性能和結(jié)構(gòu)布設(shè)方式進(jìn)行研究，研究表明過渡段的剛度差異產(chǎn)生的不平順對輪軌作用影響較大，輔助軌可以增加軌排剛度，但對提高剛度作用有限等等。軌枕空吊或松動是線路常見病害之一，多發(fā)于有砟軌道，也是增大有砟-無砟過渡段剛度差異的原因之一，目前利用理論分析和仿真計(jì)算等手段針對軌枕松動引起的動響應(yīng)研究較多[12-14]。綜上可知，目前有多種方法可對過渡段進(jìn)行研究，但目前對隧道內(nèi)雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段的研究較少。

本文基于綜合檢測列車的軌道幾何檢測數(shù)據(jù)對雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段的軌道幾何演變規(guī)律進(jìn)行分析，并通過仿真計(jì)算的方法結(jié)合軌道幾何數(shù)據(jù)和調(diào)研情況對動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，并對雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段不平順狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，從而為養(yǎng)護(hù)維修提出建議。

1　調(diào)研分析

為解雙塊式無砟軌道-有砟軌道的現(xiàn)場情況，共調(diào)研4處雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段，均設(shè)在隧道進(jìn)出口，4處過渡段的概況見表1。

表1　調(diào)研的過渡段概況

經(jīng)調(diào)研，隧道內(nèi)雙塊式無砟-有砟軌道過渡段包括無砟軌道部分、過渡段部分和有砟軌道部分，過渡順序由雙塊式無砟軌道過渡到長枕埋入式無砟軌道，然后過渡到過渡段專用長枕有砟軌道(該處無砟軌道長枕較有砟軌道長枕長度短)，最后過渡到Ⅲ型混凝土枕的有砟軌道。過渡段與正線軌道差異為：(1)過渡區(qū)段內(nèi)無砟軌道和有砟軌道采用專用長枕進(jìn)行過渡；(2)有砟軌道與基礎(chǔ)之間設(shè)置混凝土基礎(chǔ)板；(3)無砟軌道過渡點(diǎn)到有砟軌道過渡點(diǎn)的線路中線對稱設(shè)置兩根25 m長的輔助軌，輔助軌與基本軌中線距離為0.5 m。輔助軌通常設(shè)在橋上有砟軌道、路橋過渡段和有砟-無砟軌道過渡段等，主要以兩根軌平行的形式安裝在軌枕中部，使過渡段前后的軌枕整體性加強(qiáng)，同時(shí)提高一定的局部剛度。

部分雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段主要存在的一些現(xiàn)象如表2所示，現(xiàn)場調(diào)研情況如圖1所示?，F(xiàn)場無砟軌道和有砟軌道界面處是過渡段較為薄弱的位置，該處易產(chǎn)生如軌枕錯位、空吊等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會引起軌道動態(tài)不平順，在列車反復(fù)荷載的作用下不平順逐漸惡化，影響行車的平穩(wěn)性和舒適性。

表2　過渡段主要存在的現(xiàn)象

圖1　過渡段現(xiàn)場調(diào)研存在的現(xiàn)象

2　軌道幾何演變分析

綜合檢測列車檢測得到的軌道幾何數(shù)據(jù)主要包括左右高低、左右軌向、水平、三角坑、軌距等7項(xiàng)主要指標(biāo)，其中高低和軌向按波長分為1.5～42 m的中波不平順和42～120 m的長波不平順。雙塊式無砟-有砟軌道過渡段長度約為30 m，對應(yīng)的檢測波長為中波不平順。隧道4的線路類型為高速鐵路，每月由綜合檢測列車對軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行檢測。經(jīng)分析，過渡段左右高低不平順相對其他5項(xiàng)的幅值波動較大且變化特征明顯，相應(yīng)的列車通過過渡段時(shí)車體垂向加速度響應(yīng)也較大。結(jié)合綜合檢測列車軌道幾何檢測數(shù)據(jù)對過渡段軌道幾何演變規(guī)律進(jìn)行分析，分析時(shí)間范圍為2014年12月到2016年12月，時(shí)間間隔為半年。

左右高低變化趨勢如圖2所示，在過渡段區(qū)域左右高低的變化趨勢基本一致且幅值大小接近。過渡段從K370處有砟軌道開始高低不平順幅值產(chǎn)生較大的波動直到K410處無砟軌道，影響長度為35～40 m，其中有砟軌道影響長度20 m左右，無砟軌道15 m左右。過渡段無砟軌道高低不平順整體幅值比有砟軌道小，高低幅值極大值點(diǎn)的里程為K367+393，該處高低幅值的極值隨著時(shí)間的增加不斷變大。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研獲知該隧道過渡段無明顯問題，其有砟軌道和無砟軌道里程分界點(diǎn)為K367+394，說明過渡段有砟軌道和無砟軌道的分界點(diǎn)在結(jié)構(gòu)外觀良好的狀態(tài)下也會產(chǎn)生幅值較大的高低不平順，影響乘車的舒適度甚至威脅行車安全，應(yīng)成為養(yǎng)護(hù)維修關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域。

圖2　高低不平順變化趨勢

統(tǒng)計(jì)K367+393處左右高低幅值隨時(shí)間的變化趨勢如圖3所示。隨著時(shí)間的增加該處高低不平順幅值不斷變大，并且在每年的12月到第二年的6月變化速率較大，其中2014年12月到2015年6月的右高低惡化速率最大為-4.82 mm/年。由上可知，需對過渡段有砟軌道和無砟軌道的分界點(diǎn)處高低不平順進(jìn)行持續(xù)關(guān)注并做好預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修。

圖3　高低幅值變化趨勢(半峰值)

3　動響應(yīng)分析

受現(xiàn)場測試條件的制約，為進(jìn)一步研究列車通過隧道內(nèi)雙塊式無砟-有砟過渡段時(shí)的動響應(yīng)，采用有限元建模的方式進(jìn)行研究。

3.1　計(jì)算模型概況

綜合檢測列車在2016年12月檢測該線路的車輛原型為CRH2型，因此本文建立的車輛-軌道耦合動力學(xué)模型的車輛基于CRH2型車建模，車輛的動力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)[15]。車輛模型中車體、轉(zhuǎn)向架和輪對均采用剛體，其中車體和2個(gè)轉(zhuǎn)向架采用4個(gè)彈簧單元連接作為二系懸掛，2個(gè)轉(zhuǎn)向架和4個(gè)輪對采用8個(gè)彈簧單元連接作為一系懸掛，車輪和鋼軌切向摩擦系數(shù)取0.3。車輛模型示意見圖4。

圖4　車輛模型示意

隧道內(nèi)過渡段無砟軌道自上而下包括鋼軌、扣件、軌枕、道床板和基礎(chǔ)層，有砟軌道包括鋼軌、扣件、軌枕和有砟道床。本文建立的過渡段軌道結(jié)構(gòu)模型包含雙塊式無砟軌道、過渡長枕無砟軌道、過渡長枕有砟軌道和Ⅲ型枕有砟軌道，模型概況如圖5所示。軌道結(jié)構(gòu)和鋼軌均采用實(shí)體單元模擬，鋼軌為60 kg/m軌，其中輔助軌采用梁單元模擬?？奂到y(tǒng)采用彈簧單元模擬，其中無砟軌道扣件間距0.65 m，墊板剛度40 kN/mm，有砟軌道扣件間距0.6 m，墊板剛度60 kN/mm。

圖5　模型概況

軌道結(jié)構(gòu)各斷面尺寸及材料如表3所示，有砟軌道軌枕與道床采用接觸單元允許二者分離，摩擦系數(shù)取0.5；無砟軌道軌枕與道床板、道床板與混凝土層由于施工方式在計(jì)算過程中視為一體結(jié)構(gòu)，不允許分離。輪軌振動系統(tǒng)產(chǎn)生的影響隨著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)深度增加而較快衰減，模型中忽略隧道及其他基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

3.2　車體垂向振動分析及模型驗(yàn)證

綜合檢測列車檢測得到的2014年12月～2016年12月與左右高低對應(yīng)的車體垂向加速度如圖6所示，非過渡區(qū)段的無砟軌道和有砟軌道車體垂向加速度較小，在0.05g之內(nèi)，而過渡段處車體垂向加速度較大，且垂向加速度幅值隨高低不平順的惡化逐年遞增，到2016年12月達(dá)到最大值，接近0.1g，出現(xiàn)位置在有砟軌道和無砟軌道交界附近，與高低不平順的變化位置和變化趨勢一致。

表3　軌道結(jié)構(gòu)尺寸和材料

圖6　綜檢車車體垂向加速度

對車輛-軌道耦合動力學(xué)模型中的鋼軌加載同一時(shí)間實(shí)測的高低不平順和軌向不平順，計(jì)算得到車體垂向加速度與實(shí)測加速度對比如圖7所示，模型與實(shí)際的結(jié)構(gòu)和實(shí)際的環(huán)境存在一定差異，所以二者在計(jì)算結(jié)果上存在差異，但整體趨勢和幅值大小吻合度較好，說明本文計(jì)算模型具有一定的準(zhǔn)確性。

圖7　仿真與實(shí)測對比

3.3　輔助軌對動響應(yīng)的影響

軌枕空吊是線路中常見的病害且靜態(tài)測量時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，在列車動荷載的反復(fù)作用下容易使軌道幾何惡化并加劇輪軌作用，進(jìn)而影響行車的平穩(wěn)性和舒適性。

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研情況，就過渡段有砟軌道和無砟軌道界面處有砟軌道第一根軌枕脫空時(shí)的動響應(yīng)進(jìn)行研究，模擬軌枕下表面和道床之間產(chǎn)生的垂向空吊，共研究軌枕空吊值在0.1～10 mm范圍內(nèi)以及軌道結(jié)構(gòu)中有無輔助軌共計(jì)18種工況。經(jīng)計(jì)算，不同工況下輪軌垂向力見表4。當(dāng)過渡段存在輔助軌時(shí)，輪軌垂向力在軌枕空吊幅值0.7 mm之后不再增加，最大值71.69 kN，波動范圍最大12 kN左右；無輔助軌時(shí)，輪軌垂向力在軌枕空吊幅值3 mm時(shí)停止增加，輪軌垂向力最大值77.78 kN，波動范圍最大24 kN左右，是存在輔助軌時(shí)的2倍。從數(shù)值上看，輔助軌可有效減小輪軌垂向力作用的幅值和范圍，減弱軌枕空吊產(chǎn)生的不利影響。

表4　輪軌垂向力對比

注：M為軌枕空吊幅值；N為無輔助軌工況，Y為含輔助軌工況。

圖8給出了不同工況下過渡段處鋼軌垂向動位移，含輔助軌時(shí)鋼軌動位移最大0.96 mm左右，不含輔助軌時(shí)鋼軌動位移最大達(dá)1.14 mm。當(dāng)軌枕空吊值為0、0.5、1、5 mm和10 mm時(shí)，不含輔助軌時(shí)的鋼軌動位移較含輔助軌時(shí)分別大1.15%、6.09%、15.04%、19.01%和18.85%，隨著軌枕空吊幅值的增加，輔助軌對減小鋼軌垂向動位移的作用越明顯，可有效減小行車過程中產(chǎn)生的動態(tài)不平順。

圖8　仿真計(jì)算鋼軌垂向動位移

3.4　不同運(yùn)營速度的影響

線路開通前未產(chǎn)生運(yùn)量的情況下，高低和軌向不平順的幅值和變化趨勢非常小，將此時(shí)的不平順命名為I1工況；將綜合檢測列車2016年12月的左右高低和左右軌向不平順命名為I2工況，兩種工況下的不平順如圖9所示。從波形上看，兩種工況下的軌向不平順差異較小且幅值非常小，在1.5 mm以內(nèi)；而過渡段處的高低不平順差異非常大，非過渡段區(qū)域高低不平順差異非常小。對模型施加兩種工況下的不平順，分別計(jì)算運(yùn)營速度為200、250、300 km/h和350 km/h時(shí)的動響應(yīng)。

圖9　I1和I2工況不平順

由于兩種工況下的實(shí)測軌向不平順幅值非常小，因此計(jì)算的輪軌橫向力相對垂向力非常小，從而使脫軌系數(shù)非常小，因此本文主要從垂向動力學(xué)指標(biāo)對動響應(yīng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。施加I1不平順時(shí)，不同速度下輪軌垂向力差異不大僅在過渡段處有較小的波動，垂向力最大值為速度350 km/h時(shí)的109.54 kN。施加I2不平順時(shí)，速度為200 km/h和250 km/h時(shí)的輪軌力差異不大，變化趨勢和峰值個(gè)數(shù)基本相同，當(dāng)速度增加到300 km/h時(shí)，輪軌力出現(xiàn)超過170 kN限制的情況并且輪軌力峰值的個(gè)數(shù)減小，出現(xiàn)跳輪現(xiàn)象；當(dāng)速度增加到350 km/h時(shí)，輪軌力最值急劇增加同時(shí)峰值個(gè)數(shù)較速度300 km/h減少，垂向力最大值達(dá)380.56 kN。如圖10所示。

圖10　不同速度、不同不平順情況下輪軌垂向力

將不同運(yùn)營速度和不同工況下的計(jì)算結(jié)果匯總于表5，其中v表示速度；P表示輪軌垂向力，1表示左，2表示右；a表示車體垂向加速度；W表示輪重減載率。當(dāng)過渡段存在狀態(tài)良好的I1不平順時(shí)，不同運(yùn)營速度下輪軌垂向力、車體垂向加速度和輪重減載率等動響應(yīng)指標(biāo)差異較?。划?dāng)過渡段存在狀態(tài)較差的I2不平順時(shí)，隨著運(yùn)營速度的增加，幾項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)相對I1工況均呈倍數(shù)增長，表現(xiàn)出明顯的非線性增加，當(dāng)運(yùn)營速度超過250 km/h時(shí)，各項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)增長速率變大，數(shù)值不斷增加最后超限，當(dāng)速度為300 km/h時(shí)動力學(xué)指標(biāo)超限，當(dāng)速度為350 km/h時(shí)動力學(xué)指標(biāo)超限數(shù)值較大。

表5　不同運(yùn)營速度和工況計(jì)算結(jié)果

4　結(jié)論及建議

針對隧道內(nèi)雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段，得到的主要結(jié)論與建議如下。

(1)部分過渡段還存在如過渡枕錯位、輔助軌扣件缺失或缺少輔助軌等情況，在養(yǎng)護(hù)維修當(dāng)中應(yīng)及時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)或補(bǔ)充配件，以消除安全隱患，提高軌道壽命。

(2)無砟軌道和有砟軌道過渡位置易形成幅值相對較大的高低不平順，隨著時(shí)間的增加高低不平順逐漸惡化，會使行車過程中產(chǎn)生較大的動響應(yīng)影響舒適度和行車安全，應(yīng)成為養(yǎng)護(hù)維修重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

(3)過渡段中的輔助軌可提高一定的軌道剛度，并可抵抗一部分來自軌枕空吊對行車產(chǎn)生的不利影響，同時(shí)減弱行車過程中軌道動態(tài)不平順。

(4)過渡段對250 km/h以下的運(yùn)營速度具有一定的適應(yīng)性，當(dāng)速度超過250 km/h時(shí)，為保證行車的安全性和舒適性，線路的不平順尤其是高低不平順需要保持在良好的狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國鐵路總公司.鐵總建設(shè)[2013]103號 鐵路工程設(shè)計(jì)措施優(yōu)化指導(dǎo)意見[S].北京:中國鐵道出版社，2013.

[2]高芒芒，熊建珍，李偉.京滬高鐵濟(jì)南黃河橋有砟-無砟過渡段車-線-橋動力特性研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2015(6):5-9，34.

[3]高志國.高速鐵路有砟與無砟軌道過渡段優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑，2016(9):118-120.

[4]劉鈺，趙國堂，亓偉，等.高速鐵路橋上有砟-無砟軌道過渡段動力學(xué)研究[J].振動與沖擊，2015(9):76-81.

[5]羅強(qiáng)，蔡英.高速鐵路路橋過渡段變形限值與合理長度研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000(6/7):1-4.

[6]楊廣慶，賈志武.高速鐵路路基與橋梁過渡段施工技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000(2):21-23.

[7]朱玉明.客貨共線鐵路雙塊式無砟軌道動力響應(yīng)測試分析[J].鐵道建筑，2013(7):127-128.

[8]韋有信，錢小益，李成輝.高速鐵路過渡段剛度最佳過渡方式研究[J].鐵道建筑，2011(11):71-73.

[9]趙坪銳，郭利康，魏周春.無砟軌道路橋過渡段剛度及變形分析[J].路基工程，2009(4):18-20.

[10] 雷曉燕.軌道過渡段剛度突變對軌道振動的影響[J].中國鐵道科學(xué)，2006(5):42-45.

[11] 方宜.有砟-無砟軌道過渡段動剛度研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[12] 楊榮山，段玉振，劉學(xué)毅.雙塊式無砟軌道軌枕松動對輪軌系統(tǒng)動力性能影響研究[J].中國鐵道科學(xué)，2014(5):13-18.

[13] 朱劍月，張艷.軌枕吊空對軌道結(jié)構(gòu)動力性能的影響[J].中國鐵道科學(xué)，2011(3):8-15.

[14] 張健，吳昌華，肖新標(biāo)，等.軌枕空吊對軌枕動態(tài)性能的影響[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(2):203-208.

[15] 郝建芳.高速鐵路路橋過渡段軌道動力特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.