周勇政

(中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院,北京 100038)

目前，我國已初步建成世界范圍內路網(wǎng)覆蓋面積最大、科技攻關難題最多、地質條件最為復雜的高速鐵路路網(wǎng)，通車里程達到2.2萬km，建成了較為系統(tǒng)完善的高速鐵路技術標準體系。

高速列車運行時，當激振頻率與其作用的結構固有頻率接近或相同時，相互間產生的振動即為共振。在持續(xù)的共振頻率作用，而結構的阻力又不足以消耗相互激勵的能量時，結構的振動是不穩(wěn)定的，振動幅度將越來越大，直至損壞。

1 我國高速鐵路共振分類及研究現(xiàn)狀

高速鐵路共振按結構質量、作用位置等可分為車橋系統(tǒng)、輪軌系統(tǒng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)及其他部件等幾個相對獨立的系統(tǒng)，多年來原鐵道部及鐵路總公司立項開展了多項科研課題，較為全面地研究了高速鐵路系統(tǒng)共振相關問題。

1.1 車橋系統(tǒng)

列車移動荷載對橋梁的豎向激振頻率fl主要取決于車速v(m/s)和車長Lv(m)[1]。即：激振頻率=速度/車長。軸距、定距、兩車相鄰轉向架的中心距由于重復作用不連續(xù)，相對處于次要地位。列車以時速250～350 km運行時，其激振頻率的范圍為2.20～3.85 Hz。中國鐵道科學研究院依托相關科研，提出了梁體不需進行車橋耦合動力分析的基頻限值[2]。同時，為確保設計速度范圍內動車組的運行品質，高速鐵路常用跨度橋梁在動力性能仿真分析時均按照1.2倍設計速度進行，這與歐洲、國際鐵路聯(lián)盟做法也是一致的[3，4]。

1.2 弓網(wǎng)系統(tǒng)

影響弓網(wǎng)系統(tǒng)共振的因素主要包括接觸網(wǎng)固有頻率、列車運行速度、受電弓數(shù)量及間距、結構阻尼等。通過研究得出：線路最高行車速度應控制在接觸線波動傳播速度的70%以下，或接觸線的波動傳播速度不應小于線路最高行車速度的1.4倍[5]。上述結論通過了動態(tài)仿真評估和1.0～1.1倍線路最高行車速度的動態(tài)檢測驗證。

1.3 輪軌系統(tǒng)

高鐵共振在輪軌系統(tǒng)方面主要存在構架橫向異常振動、車體失穩(wěn)和車輪多邊形等問題。其中構架橫向報警的主要原因是車輪磨耗與鋼軌磨耗造成的輪軌匹配等效錐度過大，通過鋼軌打磨[6]、優(yōu)化踏面設計、提高車輪鏇修質量、優(yōu)化鋼軌廓形等措施解決；車體失穩(wěn)主要由于鏇修后車輪與鋼軌匹配等效錐度過低或輪軌異常激擾引起，通過輪軌廓形優(yōu)化、動車組懸掛參數(shù)優(yōu)化可以緩解；車輪多邊形會引起輪軌間的高頻振動，降低動車組部件和軌道構件的壽命，可通過優(yōu)化鏇床鏇修工藝、提高車輪硬度、調整車輛與線路頻率區(qū)間等措施解決。

1.4 其他部件

京滬高鐵、京津城際、武廣高鐵等陸續(xù)發(fā)現(xiàn)300-1型軌道扣件彈條斷裂現(xiàn)象[7]，通過現(xiàn)場動力學性能測試和分析得出，鋼軌波磨和車輪多邊形磨耗產生的高頻激振頻率與彈條的固有頻率(500～650 Hz)接近，產生共振，彈條出現(xiàn)疲勞傷損甚至斷裂。針對該問題，一方面通過采取適當措施控制鋼軌波磨和動車組車輪多邊形磨耗，另一方面調整扣件彈條固有頻率，使其遠離激振頻率，避免產生共振條件。

2 我國高速鐵路建設標準主要規(guī)定

我國在相關標準編制時，對高速鐵路系統(tǒng)耦合振動高度重視，提出了明確要求。

2.1 《高速鐵路設計規(guī)范》(TB10621—2014)[8]

第3章“總體設計”3.1.4條，高速鐵路車、線、橋(或路基、隧道)、弓網(wǎng)等基礎設計的動力性能，應滿足行車安全性和乘坐舒適度的要求。

第7章“橋涵”中，7.3節(jié)“結構變形、變位與自振頻率的限值”，明確了橋梁結構動力性能要求。

第11章“電力牽引供電”中，11.5節(jié)“接觸網(wǎng)”明確要求“高速接觸網(wǎng)的系統(tǒng)設計應進行接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)的高速運行動態(tài)性能的仿真評估”，并提出了具體評估標準。

2.2 《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術規(guī)范》(TB10761—2013)[9]

第3章“基本規(guī)定”中，規(guī)定了要對軌道幾何狀態(tài)、車輛動力學響應、路基、橋梁、隧道、牽引供電等進行綜合檢測，驗證工程的主要功能和性能是否滿足相關技術標準和實際運營列車的運行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性要求。

第6章“橋梁”中，明確了橋梁動態(tài)驗收時的檢測參數(shù)、指標、數(shù)據(jù)處理等要求。

第8章“電力牽引供電”中，8.2節(jié)“接觸網(wǎng)”明確了接觸網(wǎng)動態(tài)驗收時的檢測項目、指標、方法以及數(shù)據(jù)處理等要求。

2.3 其他規(guī)范[10-11]

鐵路橋涵、電力牽引供電等專業(yè)設計規(guī)范均有類似要求。

2.4 標準設計(通用參考圖)

2.4.1 橋梁通用圖設計情況

時速350 km高速鐵路常用跨度簡支箱梁通用圖設計中，預制梁的梁體剛度(梁端轉角控制)、基頻和殘余徐變拱度的設計參數(shù)與規(guī)范參數(shù)比值分別為53%、101%～108%和59%～62%；現(xiàn)澆梁相應的三者比值分別為70%、106%～114%和71%～73%。即與梁體剛度、殘余徐變上拱限值相比，梁體基頻限值控制梁體的設計[12]，即：梁體基頻限值為控制指標。

目前實際設計中，一般按照最大二期恒載條件下梁體基頻與規(guī)范值基本相當原則進行考慮[13]，各梁型自振頻率均滿足規(guī)范要求，如32 m簡支箱梁理論計算自振頻率為4.78～5.32 Hz，大于規(guī)范中4.67 Hz的要求。而工程中由于實際彈性模量均高于理論值，實測梁體結構基頻均在6.0 Hz以上[14]，高于設計值。

同時，常用跨度簡支箱梁設計時，動力檢算速度分為250～350 km/h和375～420 km/h兩個速度段，計算用車型包括德國ICE、法國TGV、日本500系、國產高速車，簡支箱梁跨中豎、橫向振動加速度均滿足要求，跨中橫向振幅均滿足橋檢規(guī)安全限值；在250～350 km/h范圍乘坐舒適度均達到良好以上，在375～420 km/h范圍乘坐舒適度達到合格以上；所有工況的車體加速度均合格[15]。

2.4.2 接觸網(wǎng)通用圖設計情況

《時速350 km高速鐵路接觸懸掛安裝圖(隧道外)》(通化[2016]1302)通用參考圖采用全補償彈性鏈形懸掛，銅合金接觸線張力≥28.5 kN，線密度13.5N/m。張力30 kN的接觸線波動傳播速度為536.7 km/h，列車運行時速350 km約為接觸線波動傳播速度的65.2%<70%，滿足規(guī)范要求。

3 國外高速鐵路共振研究和標準相關情況

通過對國外高速鐵路共振研究和標準相關規(guī)定的初步調研，可得以下主要結論。

3.1 車橋方面

3.1.1歐盟規(guī)范(EN1991-2：2003)[16]

歐盟規(guī)范規(guī)定了動力分析可按實際運營荷載及相關參數(shù)進行，并明確了動力分析的流程、檢算內容以及不同跨度、不同橋梁恒載條件下不需要進行動力檢算橋梁的最小基頻限值。為設計方便，歐盟規(guī)范規(guī)定了跨度在40 m以下的簡支梁不需進行動力檢算的“激振波長v/no”(v為車速；no為簡支梁豎向自振頻率)最大限值。

3.1.2德國規(guī)范(DS804)[17]

德國新版規(guī)范DS804在大量車橋動力仿真的基礎上，制訂了設計查詢表格，根據(jù)橋梁質量、跨度、阻尼比、運行速度、抗彎剛度等選擇設計荷載及效應。

3.1.3日本規(guī)范[18]

日本在進行大量的“車-線-橋”動力計算分析和試驗的基礎上，根據(jù)不同車輛類型制定了動力系數(shù)查詢圖。

3.2 弓網(wǎng)方面

3.2.1 歐盟規(guī)范

歐盟及其各國要求按EN50119[19]，通過計算機仿真模擬，對高鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)特性進行評估。仿真方法按《受電弓與接觸網(wǎng)間動態(tài)交互作用的模擬》EN 50318：2002[20]，弓網(wǎng)動態(tài)驗證則按《弓網(wǎng)動態(tài)檢測的要求與評估》EN50317：2012[21]。

3.2.2 日本規(guī)范

日本《接觸網(wǎng)與受電弓特性》(鐵道綜合技術研究所)[22]與歐盟標準相近。

3.3 輪軌方面

構架橫向報警、車體失穩(wěn)的根本原因是輪軌接觸及輪軌匹配等效錐度的問題。輪軌匹配等效錐度作為評價指標可以提高動車組運行的穩(wěn)定性，國際鐵路聯(lián)盟和歐洲TSI已經(jīng)制定有等效錐度評判指標，確定了不同速度等級下的等效錐度設計值[23]。

調研發(fā)現(xiàn)，德國ICE系列的車輪鏇修周期為30～40萬km，日本各系列的車輪鏇修周期為20～30萬km，法國TGV系列的車輪鏇修周期為25～35萬km，略高于我國15～30萬km的車輪鏇修周期。

4 國內外相關標準規(guī)定對比

4.1 車橋系統(tǒng)方面

我國《高速鐵路設計規(guī)范》(TB10621—2014)提出了不需進行動力分析的簡支梁自振頻率限值。對于時速350 km的32 m簡支箱梁，自振頻率限值為4.67 Hz，而歐盟限值為5.07 Hz，日本限值為4.60 Hz[2]。

4.2 弓網(wǎng)系統(tǒng)方面

歐盟及其各國、日本等接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)波動傳播理論、規(guī)范與我國類似。

4.3 輪軌系統(tǒng)方面

我國暫無輪軌匹配等效錐度的管理規(guī)范。

5 試驗驗證

在高速鐵路開通前的綜合試驗以及運營過程中，對車和基礎設施動力性能進行了驗證。

5.1 車橋系統(tǒng)

京滬高速鐵路綜合試驗中，選取成區(qū)段等跨布置的簡支梁橋，對動力性能控制效果進行了試驗驗證：(1)高速動車組行車在90孔等跨布置簡支梁橋上脫軌系數(shù)和輪重減載率無明顯變化，平穩(wěn)性指標為優(yōu)，如圖1、圖2所示；(2)高速動車組通過第1、2、3、21、22、23孔32 m簡支梁橋時的梁體豎向振動響應基本一致。試驗表明梁體未發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖1 脫軌系數(shù)測試結果

圖2 輪重減載率測試結果

5.2 弓網(wǎng)系統(tǒng)

武廣等高速鐵路綜合試驗中，對全部正線弓網(wǎng)動態(tài)性能均進行了試驗驗證。試驗表明性能良好，弓網(wǎng)未發(fā)生共振現(xiàn)象。

5.3 輪軌系統(tǒng)

針對部分高鐵運營中出現(xiàn)的構架橫向變形和車體失穩(wěn)等情況，研究采取了一系列措施。通過武廣、京津、京滬、哈大、蘭新等高速鐵路實測，采取措施以后相關問題得到了較好的控制[24]。

5.4 其他部件

2015年8月，貴廣高鐵鋼軌出現(xiàn)波磨現(xiàn)象，部分扣件彈條斷裂，測試表明激振頻率為488 Hz和566 Hz。同期動車組車輪存在24邊形磨耗，時速245 km，產生高頻激振頻率612 Hz。同區(qū)段鋪設的WJ-8型扣件，彈條固有頻率為700～850 Hz，高頻激振頻率未接近WJ-8型扣件彈條的固有頻率，彈條未發(fā)生斷裂傷損。

6 結論

(1)目前我國高速鐵路主要標準對共振相關問題進行了較為詳細的規(guī)定，試驗證明，依照這些規(guī)定，我國高速鐵路共振系統(tǒng)中，車橋系統(tǒng)和弓網(wǎng)系統(tǒng)均不會產生共振現(xiàn)象，輪軌系統(tǒng)和其他部件在采取相關措施以后，也不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

(2)結合國內外高速鐵路主要標準中對共振相關問題規(guī)定的梳理，對比了各共振系統(tǒng)的主要指標。通過對比發(fā)現(xiàn)，我國與國外主要共振標準中，車橋系統(tǒng)和弓網(wǎng)系統(tǒng)的有關規(guī)定大體相當，在輪軌系統(tǒng)方面我國缺少相關管理標準。

7 建議

通過對我國高速鐵路共振問題相關標準的研究，建議如下。

7.1 標準仍需完善

我國已建立基本完善的高速鐵路規(guī)范標準體系，為高速鐵路建設和運營提供了強有力的技術支撐。但隨著高速鐵路的快速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)仍缺少部分標準，如缺少等效錐度的管理規(guī)范等。

7.2 基礎理論研究尚需深化

高速鐵路建設初期，我們就研究了高速鐵路系統(tǒng)共振相關問題，但多是在德國、日本等國研究成果基礎上開展的，基礎理論研究仍不足。如橋梁設計標準中采用包絡的動力系統(tǒng)，而日本采用近似運營列車的N、P、H活載圖式和運營動力系數(shù)進行結構的設計，經(jīng)濟性更優(yōu)。國內外高鐵接觸網(wǎng)共振理論“列車運行速度應控制在接觸線波動傳播速度的70%以下”是基于非主動控制受電弓，采用電腦控制的主動控制受電弓后，對接觸線的激振源發(fā)生較大變化，需進一步研究。

7.3 系統(tǒng)配套研究需進一步加強

高速鐵路建設與運營中，很多研究是針對遇到的問題開展的，系統(tǒng)性的、綜合性的研究不足。如軌道結構及部件預防產生共振的技術措施，包括不同軌道結構、動車組的固有振動特性以及輪軌間的固有耦合振動特性，鋼軌波磨和動車組車輪多邊形磨耗產生的機理等，需系統(tǒng)總結梳理。