曾向榮，高志升，徐飛虎，孫國(guó)杰

（安境邇（上海）科技有限公司，上海 200030）

1 技術(shù)背景

我國(guó)城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)及運(yùn)營(yíng)已有10多年，80～100 km/h速度級(jí)軌道減振技術(shù)的應(yīng)用已十分成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富。但近年來(lái)越來(lái)越多在建線及規(guī)劃線路開(kāi)始采用120～160 km/h速度級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這一速度等級(jí)的減振軌道技術(shù)應(yīng)用很少，缺乏足夠的研究及試驗(yàn)。

設(shè)計(jì)速度提高后，軌道減振技術(shù)面臨的主要問(wèn)題在于使矛盾如何達(dá)到最佳平衡狀態(tài)：一方面對(duì)軌道平順性及動(dòng)態(tài)變形的要求有所提高，另一方面軌道減振又不得不降低軌道支承剛度，相應(yīng)地削弱了軌道結(jié)構(gòu)的約束。

設(shè)計(jì)速度提高后，軌道減振的安全性、平穩(wěn)性及可靠性比對(duì)減振效果更受關(guān)注。

梯形軌枕作為一項(xiàng)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的高等減振軌道技術(shù)，早在10余年前就有高速線路適應(yīng)性相關(guān)理論研究，研究結(jié)果表明梯形軌枕可適應(yīng)最高360 km/h線路的應(yīng)用技術(shù)要求[1]，但缺乏在線實(shí)際鋪設(shè)及測(cè)試驗(yàn)證。

2 梯形軌枕及其應(yīng)用概述

梯形軌枕最早起源19世紀(jì)，在歐洲、蘇聯(lián)、美國(guó)等均有研究和應(yīng)用，20世紀(jì)中后期在日本經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，形成目前的梯形結(jié)構(gòu)型式（見(jiàn)圖1）。

圖1 梯形軌枕結(jié)構(gòu)型式的演變Fig. 1 The evolution of the ladder-sleeper structure

梯形軌枕是由左右兩塊預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁及其連接鋼管、減振墊及緩沖墊組成的一種框架式軌道結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），減振墊為梯形軌枕提供垂向彈性，緩沖墊為梯形軌枕提供側(cè)面限位及緩沖，縱梁兩側(cè)各設(shè)一個(gè)限位凸臺(tái)以防止梯形軌枕沿線路縱向爬行。梯形軌枕主要通過(guò)以下三個(gè)方面機(jī)理實(shí)現(xiàn)良好的減振效果（見(jiàn)圖3）。

1）預(yù)制框架結(jié)構(gòu)提供高精度軌道幾何狀態(tài)及高平順性，維持較低的輪軌振動(dòng)水平。

2）縱梁與減振墊組成質(zhì)量—彈簧隔振系統(tǒng)，有效消減振動(dòng)能量。

圖2 梯形軌枕結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of the ladder-sleeper

圖3 梯形軌枕減振特性曲線Fig. 3 Vibration damping characteristic curve of the ladder-sleeper

3）預(yù)應(yīng)力縱梁與鋼軌形成雙彈性疊合梁，可增大軌道抗彎剛度，擴(kuò)大輪軌力分布范圍，降低基底輪軌動(dòng)態(tài)力的峰值和變化幅度，進(jìn)一步降低振動(dòng)水平。

梯形軌枕在2005年引入國(guó)內(nèi)后，根據(jù)國(guó)內(nèi)城市軌道交通工程條件和技術(shù)要求進(jìn)行了全面優(yōu)化，在北京、上海、廣州等20多個(gè)城市地鐵工程中作為高等減振措施已鋪設(shè)300 km，應(yīng)用的最高設(shè)計(jì)速度為120 km/h，包括上海地鐵16號(hào)線、東莞城市快軌R2線、青島藍(lán)色硅谷線等（見(jiàn)圖4）。經(jīng)過(guò)各種工程條件下多年的應(yīng)用總結(jié)，建設(shè)部已頒布了相關(guān)的產(chǎn)品技術(shù)條件及施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[4-5]。

圖4 梯形軌枕在國(guó)內(nèi)的部分應(yīng)用案例Fig. 4 Domestic application cases of the ladder-sleeper

3 測(cè)試方案[6]

3.1 測(cè)試線路條件

測(cè)試場(chǎng)地選在鐵道科學(xué)研究院國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心國(guó)鐵大環(huán)線（見(jiàn)圖5），線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

圖5 鐵科院環(huán)行試驗(yàn)線線路及既有有砟軌道Fig. 5 Loop test line of CARS and its existing ballast track

1）曲線半徑R=1 432 m；縱坡i=0‰；

2）超高h(yuǎn)=125 mm，對(duì)應(yīng)平衡速度123 km/h；

3）60 kg/m鋼軌；無(wú)縫線路；有砟軌道。

3.2 測(cè)試列車(chē)及速度等級(jí)

測(cè)試列車(chē)為8輛編組160 km/h動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組，其配置為：動(dòng)力車(chē)（軸重19.5 t/軸距2.8 m）+7輛非動(dòng)力車(chē)（軸重 14 t/軸距 2.6 m）+儀器車(chē)（軸重15.25 t/軸距 2.6 m）。

測(cè)試速度級(jí)包括 100、120、140、160 km/h，實(shí)際最高測(cè)試速度 165 km/h，相應(yīng)未平衡離心加速度0.66 m/s2。每一速度級(jí)采集5趟列車(chē)通過(guò)的數(shù)據(jù)并取平均，100 km/h及120 km/h主要考慮與該速度級(jí)已開(kāi)通線路運(yùn)行狀態(tài)對(duì)照，140 km/h及160 km/h則主要是對(duì)速度提高后的運(yùn)行狀態(tài)及變化趨勢(shì)進(jìn)行考察及分析。

3.3 梯形軌枕測(cè)試段及對(duì)比測(cè)試斷面軌道結(jié)構(gòu)

共設(shè)二段梯形軌枕測(cè)試段，長(zhǎng)度各180 m，二段主要區(qū)別是梯形軌枕厚度及扣件類型（見(jiàn)圖6）：

圖6 測(cè)試段梯形軌枕無(wú)砟軌道斷面Fig. 6 Cross section of the ladder-sleeper track in test section

1）梯形軌枕厚0.17 m，采用WJ-2A型小阻力扣件，這一配置通常用于高架線。

2）梯形軌枕厚0.22 m，采用ω彈條分開(kāi)式扣件，這一配置通常用于地下線。

對(duì)比測(cè)試斷面為既有有砟軌道結(jié)構(gòu)，采用國(guó)鐵定型的彈條Ⅱ型扣件及新Ⅱ型預(yù)應(yīng)力枕。

3.4 測(cè)試內(nèi)容及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)試內(nèi)容包括軌道安全性、軌道變形穩(wěn)定性、車(chē)體平穩(wěn)性、輪軌振動(dòng)特性及梯形軌枕強(qiáng)度等，梯形軌枕軌道測(cè)得的結(jié)果一是與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，二是與有砟軌道進(jìn)行對(duì)比，三是不同速度條件下對(duì)比，具體測(cè)試指標(biāo)及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）軌道安全性：測(cè)試指標(biāo)包括脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力等3項(xiàng)，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB 5599—85）及《鐵道機(jī)車(chē)動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（TB/T 2360—93）。

2）軌道變形穩(wěn)定性：測(cè)試指標(biāo)包括鋼軌及梯形軌枕的垂橫向動(dòng)態(tài)位移，目前并無(wú)針對(duì)160 km/h速度級(jí)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，故參考了適用于最高速度級(jí)350 km/h的《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》（TB 10716—2013）。

3）車(chē)體平穩(wěn)性：測(cè)試指標(biāo)為車(chē)體垂橫向加速度，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為《鐵路線路維修規(guī)則》（鐵運(yùn)[2006]146號(hào)）。

4）輪軌振動(dòng)特性：測(cè)試指標(biāo)包括鋼軌垂橫向振動(dòng)加速度，這一指標(biāo)尚無(wú)針對(duì)性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，主要通過(guò)梯形軌枕與有砟軌道以及梯形軌枕的枕中與枕端橫向?qū)Ρ炔町惣右耘袛唷?/p>

5）梯形軌枕強(qiáng)度：通過(guò)測(cè)試列車(chē)通過(guò)時(shí)梯形軌枕上下表面的最大應(yīng)變，得到混凝土應(yīng)力變化值，從而得知其疊加應(yīng)力水平（見(jiàn)圖7、圖8）。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010），如表1所示。

圖7 梯形軌枕軌道測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig. 7 Test site of the ladder-sleeper

圖8 梯形軌枕軌道測(cè)點(diǎn)設(shè)置位置Fig. 8 Test position of the ladder-sleeper

表1 梯形軌枕測(cè)試項(xiàng)目及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)與限值[7-11]Tab. 1 Test list, evaluation standards and limit values

4 測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 軌道安全性

由表2測(cè)試結(jié)果可知，梯形軌枕軌道的安全性良好。梯形軌枕軌道的脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力最大值均遠(yuǎn)小于限值，與既有有砟軌道比較接近，對(duì)速度的變化不敏感。

表2 各測(cè)試斷面安全性指標(biāo)測(cè)試最大值Tab. 2 Maximum test value of the safety index in each test section

4.2 軌道變形穩(wěn)定性

由表3測(cè)試結(jié)果可知，梯形軌枕軌道變形穩(wěn)定性良好。兩種梯形軌枕軌道的鋼軌垂向動(dòng)位移隨著速度的提高呈增大的趨勢(shì)，最大值分別小于無(wú)砟軌道限值、介于高速鐵路無(wú)砟軌道限值2.0 mm與有砟軌道限值2.5 mm之間，這對(duì)于160 km/h速度級(jí)來(lái)說(shuō)達(dá)到要求。另外，通過(guò)垂向位移的量級(jí)亦可大致估判其良好的減振效果。

表3 各測(cè)試斷面軌道變形穩(wěn)定性指標(biāo)測(cè)試最大值Tab. 3 Maximum test value of the deformation stability index in each test section mm

兩種梯形軌枕軌道的鋼軌橫向動(dòng)位移最大值均低于高速鐵路無(wú)砟軌道及有砟軌道的限值2.0 mm，但略大于既有有砟軌道，這主要是因?yàn)樘菪诬壵聿捎玫氖欠珠_(kāi)式扣件，其鋼軌橫向偏轉(zhuǎn)通常大于既有有砟軌道的不分開(kāi)式扣件，鋼軌橫向動(dòng)位移對(duì)速度變化不敏感。

梯形軌枕橫向動(dòng)位移最大值低于高速鐵路無(wú)砟軌道板限值1.0 mm及有砟軌枕限值2.0 mm。

4.3 車(chē)體平穩(wěn)性

車(chē)體加速度是通過(guò)設(shè)在動(dòng)車(chē)組司機(jī)室地板上的專用檢查儀測(cè)試。由表4可知，動(dòng)車(chē)組通過(guò)整個(gè)環(huán)行道的車(chē)體垂向加速度最大值0.11 g有2處，分別位于既有有砟軌道范圍及170 mm梯形軌枕距過(guò)渡段5 m處，車(chē)體橫向加速度最大值0.07 g有3處，均位于既有有砟軌道范圍，上述車(chē)體垂橫向加速度最大值均略超1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，狀態(tài)良好；梯形軌枕軌道優(yōu)于既有有砟軌道。

表4 整個(gè)環(huán)行道測(cè)得的車(chē)體垂橫向加速度最大值Tab. 4 Maximum test value of the vertical and lateral acceleration of the vehicle around the whole loop test line

4.4 輪軌振動(dòng)特性

從圖9、圖10測(cè)試結(jié)果看，梯形軌枕軌道的鋼軌垂向振動(dòng)加速度在25～1 250 Hz頻段略大于普通有砟軌道，其余頻段二者接近；梯形軌枕軌道的鋼軌橫向振動(dòng)加速度與普通有砟軌道基本相當(dāng)。梯形軌枕軌道的鋼軌垂橫向振動(dòng)加速度未出現(xiàn)異常峰值，表明不會(huì)引起輪軌共振。

圖9 160 km/h時(shí)各測(cè)試斷面的外軌垂向加速度頻譜Fig. 9 Vertical acceleration spectra of the outer rail of each test section at the speed of 160 km/h

圖10 160 km/h時(shí)各測(cè)試斷面的外軌橫向加速度頻譜Fig. 10 Transverse acceleration spectra of the outer rail of each test section at the speed of 160 km/h

從圖11、圖12看，梯形軌枕軌道的鋼軌垂橫向振動(dòng)加速度隨速度增加而略增，但增幅較小，表明梯形軌枕的速度穩(wěn)定性良好。

圖11 梯形軌枕軌道不同速度下外軌垂向加速度頻譜Fig. 11 Vertical acceleration spectra of the ladder-sleeper at different speeds

圖12 梯形軌枕軌道不同速度下外軌橫向加速度頻譜Fig. 12 Transverse acceleration spectra of the ladder-sleeper at different speeds

從圖13看，梯形軌枕的枕中部與枕端部鋼軌垂向振動(dòng)及速度在各頻段均十分接近，表明梯形軌枕的分塊式布置對(duì)輪軌關(guān)系無(wú)不良影響。

圖13 梯形軌枕的枕中與枕端外軌垂向加速度頻譜Fig. 13 Vertical acceleration spectra of the outer rail at the middle and end of the ladder-sleeper

4.5 梯形軌枕強(qiáng)度

從表5測(cè)試結(jié)果看，兩種梯形軌枕在軸重19.5 t動(dòng)力車(chē)通過(guò)時(shí)，220 mm梯形軌枕的應(yīng)力變化值小于170 mm梯形軌枕，應(yīng)力最大變化值均不超過(guò)2 MPa，考慮到梯形軌枕截面由預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力約為–7 MPa，與列車(chē)通過(guò)時(shí)的應(yīng)力變化值疊加后的組合應(yīng)力約[–5，–9]MPa，表明梯形軌枕強(qiáng)度具有很大的富余量，可完全滿足160 km/h速度級(jí)的強(qiáng)度要求。

表5 測(cè)試車(chē)通過(guò)時(shí)兩種梯形軌枕的應(yīng)力最大變化值Tab. 5 Maximum stress changes in the two types of ladder-sleepers when the test train is passing MPa

5 結(jié)論

梯形軌枕軌道在鐵道科學(xué)研究院國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心R1432m曲線環(huán)行道上100～160（165）km/h速度條件下的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，軌道安全性、軌道變形穩(wěn)定性、車(chē)體平穩(wěn)性及輪軌振動(dòng)特性等各項(xiàng)指標(biāo)良好，滿足160 km/h速度級(jí)線路相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，可為該速度級(jí)的軌道減振技術(shù)提供借鑒與參考，具體結(jié)論如下：

1）軌道安全性方面，梯形軌枕軌道的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力低于規(guī)范限值較多，與既有有砟軌道一致，對(duì)速度變化不敏感，僅輪重減載率隨未平衡超高增加而略有增加。

2）軌道變形穩(wěn)定性方面，梯形軌枕軌道的鋼軌橫向動(dòng)位移低于規(guī)范限值，略大于既有有砟軌道，主要是梯形軌枕采用了分開(kāi)式扣件所致，鋼軌橫向動(dòng)位移對(duì)速度變化不敏感；梯形軌枕軌道的鋼軌垂向動(dòng)位移介于高速鐵路無(wú)砟軌道與有砟軌道限值之間，鋼軌垂向動(dòng)位移的量級(jí)表明梯形軌枕的減振效果良好；梯形軌枕垂橫向動(dòng)位移介于高速鐵路無(wú)砟軌道板與有砟軌枕的限值之間，對(duì)160 km/h速度級(jí)而言，完全可接受。

3）車(chē)體平穩(wěn)性方面，梯形軌枕軌道僅鄰近過(guò)渡段的個(gè)別點(diǎn)，160 km/h時(shí)的車(chē)體垂橫向加速度略超規(guī)范中的Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，梯形軌枕軌道優(yōu)于既有有砟軌道。

4）輪軌振動(dòng)特性方面，梯形軌枕軌道的鋼軌垂向振動(dòng)加速度部分頻段略大于既有有砟軌道，基本屬于離散分布范圍，鋼軌橫向振動(dòng)加速度與既有有砟軌道一致；梯形軌枕軌道的鋼軌垂橫向振動(dòng)加速度在整個(gè)頻段未出現(xiàn)異常峰值，表明不會(huì)引起輪軌異常共振；梯形軌枕的枕中與枕端鋼軌垂橫向振動(dòng)加速度基本一致，表明梯形軌枕的分塊式布置對(duì)輪軌關(guān)系無(wú)不良影響。

5）梯形軌枕強(qiáng)度方面，列車(chē)通過(guò)時(shí)的應(yīng)力變化值與預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加的混凝土法向應(yīng)力疊加后的組合應(yīng)力遠(yuǎn)低于規(guī)范限值要求，表明梯形軌枕強(qiáng)度具有很大富余量。