趙 磊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

蘭新(蘭州—烏魯木齊)鐵路第二雙線正線路基上主要采用19.5 m大單元式雙塊式無(wú)砟軌道，橋上為6.5 m單元式雙塊式無(wú)砟軌道，底座板上設(shè)置凹槽進(jìn)行限位，道床板與底座板間設(shè)置隔離層[1-2]。運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，部分區(qū)段路基出現(xiàn)上拱病害問(wèn)題，如圖1所示。既有文獻(xiàn)分析結(jié)果表明[3-8]，蘭新二線部分路基基底泥巖具有膨脹性，遇水發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致路基上拱。隨著個(gè)別區(qū)段近年來(lái)年降雨量增加，路基上拱變形問(wèn)題日益嚴(yán)重。

圖1 蘭新二線路橋過(guò)渡段路基上拱實(shí)例

早期路橋過(guò)渡段的研究集中于過(guò)渡段剛度差異產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及路橋差異沉降[9]，隨著列車運(yùn)行速度的提升，研究重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向路基沉降發(fā)生后的行車動(dòng)力響應(yīng)，從保證行車安全角度研究過(guò)渡段差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[10-14]，以及基于行車動(dòng)力響應(yīng)的過(guò)渡段差異沉降識(shí)別[15]。由于過(guò)渡段路基上拱實(shí)例較少，對(duì)過(guò)渡段路基上拱造成靜動(dòng)態(tài)影響的研究也較少，缺乏相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)。隨著蘭新高速鐵路路橋過(guò)渡段路基上拱問(wèn)題的凸顯，上拱帶來(lái)的行車安全影響問(wèn)題以及相關(guān)養(yǎng)修技術(shù)難點(diǎn)等方面的研究日趨緊迫。

從對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)的影響上來(lái)說(shuō)，尤其是采用無(wú)砟軌道時(shí)，基礎(chǔ)上拱帶來(lái)的養(yǎng)護(hù)維修問(wèn)題一般比基礎(chǔ)沉降更嚴(yán)重，原因在于無(wú)砟軌道軌面平順性的調(diào)整主要依靠扣件，扣件向下的可調(diào)整量遠(yuǎn)小于向上的可調(diào)整量。路基上拱會(huì)引起無(wú)砟軌道軌面高低產(chǎn)生向上的變化。在路橋過(guò)渡段，由于路基上雙塊式無(wú)砟軌道各層在現(xiàn)場(chǎng)澆筑，存在一定的黏結(jié)強(qiáng)度，而橋上層間則設(shè)置了隔離層，因此，路基側(cè)沉降引起板下離縫可能性較小，而路基側(cè)上拱必然引起橋梁側(cè)道床板下離縫，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)不平順，影響高速列車運(yùn)營(yíng)安全。

本文以蘭新二線典型路橋過(guò)渡段路基上拱病害為研究對(duì)象，對(duì)路基上拱變形產(chǎn)生后軌面平順性變化、扣件與無(wú)砟軌道受力情況進(jìn)行研究，并建立車輛-無(wú)砟軌道-路橋過(guò)渡段空間耦合動(dòng)力分析模型，對(duì)過(guò)渡段路基上拱行車動(dòng)力影響進(jìn)行評(píng)估。

1 無(wú)砟軌道-過(guò)渡段上拱計(jì)算模型

大單元雙塊式無(wú)砟軌道在路基和橋上結(jié)構(gòu)布置存在較大的差異。路基上大單元雙塊式無(wú)砟軌道自上而下依次為鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板和支承層。扣件為福斯羅300型扣件，其拉壓剛度如圖2所示，F(xiàn)1、δ1分別為拉伸剛度縮減轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的力和位移。道床板為C40混凝土，縱向長(zhǎng)度19.47 m，板寬2.8 m，板厚0.26 m，板間設(shè)置寬度為40 mm的伸縮縫，板上每隔3.9 m設(shè)置一道橫向伸縮假縫。支承層縱向連續(xù)設(shè)置，采用C20混凝土澆筑，寬3.4 m，厚0.26 m，在道床板縫位置處設(shè)置假縫，且支承層內(nèi)每隔3.9 m設(shè)置一道橫向伸縮假縫。橋上單元雙塊式無(wú)砟軌道自上而下依次為鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板和底座板，道床板和底座板均為單元分段式結(jié)構(gòu)，單塊板長(zhǎng)6.4 m，板縫0.1 m，每塊道床板與底座間設(shè)置兩個(gè)0.7 m×1 m的限位凸臺(tái)，提供縱橫向穩(wěn)定性。

圖2 福斯羅300型扣件的力-變形曲線

本文研究鋼軌、雙塊式軌枕、道床板、支承層/底座板、路基及橋梁時(shí)，采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元進(jìn)行模擬，材料屬性選為線彈性材料，軌枕塊與道床板接觸面上節(jié)點(diǎn)耦合，橋上道床板與底座板的接觸面設(shè)置為可分離的接觸，路基上道床板與支承層接觸面、橋上底座板與橋梁接觸面均為節(jié)點(diǎn)耦合。扣件采用彈簧單元模擬，力-位移關(guān)系參照?qǐng)D2設(shè)置。所建立的無(wú)砟軌道靜態(tài)分析模型如圖3所示。

圖3 路橋過(guò)渡段無(wú)砟軌道-下部基礎(chǔ)靜力分析模型

路基上拱采用半余弦曲線，上拱區(qū)范圍根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果取5 m，靜力分析中，路基上拱量δmax取0～20 mm，上拱曲線如圖4所示。

圖4 路基上拱曲線示意

車輛-無(wú)砟軌道-過(guò)渡段動(dòng)力學(xué)耦合分析模型中，無(wú)砟軌道與過(guò)渡段的模型及參數(shù)與靜力計(jì)算一致，車輛為CRH5型車，定距和軸距分別為19 m和2.7 m，軸重15.6 t。參照文獻(xiàn)[16]采用多剛體動(dòng)力學(xué)方法建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，車體和轉(zhuǎn)向架考慮浮沉、側(cè)滾、橫移、點(diǎn)頭及搖頭共5個(gè)自由度，輪對(duì)考慮浮沉、橫移、側(cè)滾及搖頭共4個(gè)自由度，不考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，整車共有31個(gè)自由度。輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架間一系彈簧、轉(zhuǎn)向架與車廂間二系彈簧均采用三向彈簧阻尼單元進(jìn)行模擬。車輛質(zhì)量及彈性參數(shù)參考文獻(xiàn)[17]。車輪-鋼軌間建立可分離的接觸，輪軌間切向摩擦效應(yīng)采用指數(shù)衰減模型來(lái)表征，摩擦系數(shù)取0.3。法向接觸效應(yīng)用赫茲非線性接觸模型表征。

(1)

所建立的車輛-無(wú)砟軌道-過(guò)渡段動(dòng)力學(xué)耦合分析模型如圖5所示。

圖5 車輛-無(wú)砟軌道-過(guò)渡段耦合動(dòng)力學(xué)模型

2 路基上拱下軌道靜態(tài)不平順?lè)治?/h2>

過(guò)渡段路基產(chǎn)生半余弦上拱時(shí)，鋼軌產(chǎn)生上拱不平順，橋上無(wú)砟軌道道床板與支承層間設(shè)置了隔離層，缺乏豎向約束，其與路基相鄰的過(guò)渡段處第一塊道床板在鋼軌及扣件變形作用下會(huì)產(chǎn)生層間脫空，如圖6所示。

圖6 路基上拱后過(guò)渡段軌道結(jié)構(gòu)變形示意

δmax越大，橋上扣件所受拉力越大，橋上道床板與底座板間的離縫也越明顯。通過(guò)模型分析得到不同δmax下橋上道床板下離縫量分布，如圖7所示。

(a)δmax=5 mm

(b)δmax=10 mm圖7 不同路基上拱量時(shí)橋上道床板下離縫量分布

橋上道床板下最大離縫量μmax與δmax的關(guān)系如圖8所示。

圖8 μmax與δmax關(guān)系擬合

δmax在2 mm以下時(shí)，μmax發(fā)展緩慢，基本為0，由此可以認(rèn)為2 mm以內(nèi)的路基上拱可由扣件變形來(lái)抵消，不會(huì)產(chǎn)生層間離縫；δmax大于2 mm時(shí)，過(guò)渡段區(qū)域扣件變形已不足以抵消變形差異，此時(shí)橋上道床板下離縫量開始迅速發(fā)展；當(dāng)δmax大于5 mm時(shí)，橋上道床板下離縫量μmax與路基上拱量δmax的關(guān)系可線性擬合為

μmax=0.722δmax-2.5

(2)

橋上道床板離縫主要由道床板上扣件受拉牽引所致，不同δmax情況下過(guò)渡段范圍內(nèi)扣件受力分布如圖9所示。

(a)δmax=5 mm

(b)δmax=10 mm圖9 不同路基上拱量時(shí)過(guò)渡段范圍內(nèi)扣件受力分布

路基上扣件壓力和橋上扣件拉力隨δmax的變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 路基上扣件最大壓力和橋上扣件最大拉力隨路基上拱量的變化規(guī)律

圖10表明，路基上扣件壓力隨δmax的增加呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，δmax=10 mm時(shí)路基側(cè)扣件壓力為44.5 kN，δmax=20 mm時(shí)達(dá)到67.8 kN；受扣件拉伸階段剛度非線性的影響，橋梁側(cè)扣件拉力在δmax>10 mm后增長(zhǎng)緩慢，δmax=10 mm時(shí)橋梁側(cè)扣件拉力為22.8 kN，δmax=20 mm時(shí)為25.9 kN。

綜合分析可知，路基上拱使過(guò)渡段鋼軌和扣件承受了較大的荷載及變形，同時(shí)會(huì)引起軌面靜態(tài)不平順，較大的路基上拱還會(huì)引起橋上道床板下離縫與脫空，在列車經(jīng)過(guò)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)不平順，影響高速行車的安全性和平穩(wěn)性。

3 路基上拱下輪軌動(dòng)力響應(yīng)分析

為研究過(guò)渡段路基上拱對(duì)輪軌的動(dòng)力影響，利用所建立的車輛-無(wú)砟軌道-過(guò)渡段耦合動(dòng)力學(xué)分析模型，以無(wú)路基上拱時(shí)的車輛和軌道動(dòng)力特性分析結(jié)果為基準(zhǔn)，對(duì)比分析δmax=5 mm和δmax=10 mm時(shí)車輛和軌道的動(dòng)力響應(yīng)。為研究路基上拱引起的影響，模型中未考慮鋼軌隨機(jī)不平順，僅在鋼軌疊加如圖7所示的鋼軌上拱不平順和道床板與底座間離縫，將離縫區(qū)域設(shè)置為可分離的動(dòng)態(tài)接觸。行車方向?yàn)橛陕坊翗蛄骸?/p>

3.1 路基上拱引起的附加動(dòng)力響應(yīng)分析

以δmax=5 mm為例，對(duì)行車速度v取150、200、250、300和350 km/h時(shí)車輛運(yùn)營(yíng)安全性和穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行分析，考慮到軌道上拱及層間離縫均為垂向激擾，重點(diǎn)分析各垂向控制指標(biāo)。不同行車速度下車體垂向加速度時(shí)程及峰值浮動(dòng)范圍如圖11所示。

(a)車體垂向加速度曲線

(b)車體垂向加速度范圍圖11 不同行車速度下車體垂向加速度分布

由圖11可以看出，δmax=5 mm時(shí)，車輛行經(jīng)軌道上拱區(qū)域時(shí)車體會(huì)產(chǎn)生明顯的加速度波動(dòng)，兩個(gè)轉(zhuǎn)向架經(jīng)過(guò)上拱區(qū)域時(shí)均會(huì)產(chǎn)生明顯的波峰波谷。隨著行車速度的增加，車體加速度波動(dòng)范圍明顯增大，速度在200 km/h以上時(shí)波動(dòng)范圍增大更明顯，當(dāng)車速達(dá)到350 km/h時(shí)，車體加速度增加至0.13g，達(dá)到限值要求。不同行車速度下輪軌垂向力時(shí)程及峰值浮動(dòng)范圍對(duì)比如圖12所示。

(a)輪軌垂向力曲線

(b)輪軌垂向力浮動(dòng)范圍圖12 不同行車速度下輪軌垂向力分布

由圖12可以看出，輪對(duì)經(jīng)過(guò)上拱位置時(shí)輪軌力會(huì)產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，速度越大，產(chǎn)生的輪軌垂向力波動(dòng)越大，影響范圍也越廣。當(dāng)速度達(dá)到350 km/h時(shí)，輪軌力浮動(dòng)范圍為37.9～113.5 kN，對(duì)應(yīng)的輪重減載率達(dá)到0.53。

路基上拱導(dǎo)致橋梁側(cè)道床板下脫空，在行車過(guò)程中，脫空區(qū)域會(huì)產(chǎn)生明顯的動(dòng)態(tài)拍擊力，脫空處道床板會(huì)有較大的振幅。不同行車速度下，脫空區(qū)域道床板和底座板間拍擊力時(shí)程曲線如圖13所示。

圖13 道床板和底座板間拍擊力時(shí)程曲線

由圖13可得，行車過(guò)程中層間動(dòng)態(tài)拍擊力峰值基本穩(wěn)定在270～300 kN，略小于一個(gè)轉(zhuǎn)向架上兩個(gè)輪對(duì)(質(zhì)量為32 t)的自重，行車速度增加時(shí)，動(dòng)態(tài)拍擊力量值增大。

道床板垂向位移時(shí)程曲線如圖14所示，因彎曲變形而產(chǎn)生的道床板縱向彎拉應(yīng)力時(shí)程如圖15所示。

圖14 道床板垂向位移時(shí)程曲線

圖15 道床板縱向彎拉應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖14和圖15可以看出，δmax=5 mm，轉(zhuǎn)向架經(jīng)過(guò)離縫區(qū)域時(shí)，道床板產(chǎn)生較大的振動(dòng)位移，與道床板和底座間的離縫量值(1.33 mm)相當(dāng)，表明層間離縫在行車過(guò)程中能夠完全愈合，此時(shí)道床板產(chǎn)生的最大動(dòng)彎拉應(yīng)力達(dá)到約0.44 MPa。

3.2 不同路基上拱量下附加動(dòng)力響應(yīng)對(duì)比

對(duì)δmax=5 mm和δmax=10 mm工況下，行車速度v分別取150、200、250、300和350 km/h時(shí)車輛運(yùn)營(yíng)安全性和穩(wěn)定性指標(biāo)以及軌道動(dòng)力性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。分析表1可知，路基上拱量增加時(shí)，列車與軌道的動(dòng)力響應(yīng)明顯增大。表1中不同路基上拱量下層間動(dòng)態(tài)拍擊力對(duì)比結(jié)果表明，δmax=5 mm時(shí)動(dòng)態(tài)拍擊力較δmax=10 mm時(shí)更加明顯。

圖16、圖17分別為不同路基上拱量情況下車體垂向加速度波動(dòng)范圍和輪重減載率對(duì)比。從圖16、圖17可以看出，相同的行車速度下，δmax由5 mm增加至10 mm時(shí)，車體垂向加速度波動(dòng)范圍及輪重減載率增加將近一倍。δmax=5 mm時(shí)v=350 km/h情況下車體垂向加速度達(dá)到規(guī)范限值0.13g，最大輪重減載率0.53，小于規(guī)范限值0.65，而δmax=10 mm時(shí)速度大于150 km/h以后車體垂向加速度超出0.13g，速度大于250 km/h以后輪重減載率超出規(guī)范限值。因此，為保證高速鐵路行車安全性及平穩(wěn)性，有必要在路基上拱變形量較大區(qū)段限制行車速度。

表1 不同路基上拱量下列車與軌道動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

圖16 不同路基上拱量時(shí)車體垂向加速度浮動(dòng)范圍對(duì)比

圖17 不同路基上拱量下輪重減載率峰值對(duì)比

對(duì)不同路基上拱量時(shí)離縫區(qū)域由道床板動(dòng)態(tài)位移時(shí)程進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖18所示。由圖18可知，δmax=5 mm時(shí)，車輛每個(gè)轉(zhuǎn)向架在經(jīng)過(guò)離縫區(qū)域時(shí)，道床板垂向位移量保持在約1.33 mm，說(shuō)明輪載作用下離縫一直處于閉合狀態(tài)；當(dāng)δmax=10 mm時(shí)，道床板垂向位移在轉(zhuǎn)向架的第一個(gè)輪對(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)達(dá)到4.5 mm，第二個(gè)輪對(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)降低至3.7 mm，考慮層間初始離縫量為4.5 mm，推斷出第二個(gè)輪對(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)離縫區(qū)域不是完全閉合的，仍存在0.8 mm左右的離縫，此時(shí)兩個(gè)車軸荷載未能完全傳遞至離縫區(qū)域，部分垂向荷載經(jīng)由鋼軌傳遞至相鄰的路基和道床板上。

圖18 不同路基上拱量下離縫區(qū)域道床板垂向位移

圖19為不同路基上拱量下過(guò)渡段橋梁側(cè)和路基側(cè)相鄰兩個(gè)扣件的支反力時(shí)程曲線。從圖19可以看出，當(dāng)δmax=5 mm時(shí)，橋梁側(cè)和路基側(cè)扣件均為動(dòng)態(tài)受壓，橋梁側(cè)扣件動(dòng)態(tài)壓力最大約為12.0 kN，路基側(cè)扣件動(dòng)態(tài)壓力最大約為24.5 kN；當(dāng)δmax=10 mm時(shí)，路基側(cè)扣件承擔(dān)了更多的垂向壓力，動(dòng)態(tài)壓力最大值達(dá)到約33.8 kN，橋梁側(cè)扣件表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)受拉，動(dòng)態(tài)拉力最大值達(dá)到約42.2 kN。結(jié)合靜態(tài)受力分析可知，橋梁側(cè)扣件在無(wú)行車時(shí)已經(jīng)存在22.8 kN的拉力，靜動(dòng)態(tài)效應(yīng)疊加導(dǎo)致過(guò)渡段橋上扣件承受更大的拉力。因此，在路基過(guò)渡段路基上拱量較大區(qū)段，除關(guān)注行車安全外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)過(guò)渡段區(qū)域扣件的檢查，避免因動(dòng)態(tài)受拉而產(chǎn)生彈條折斷病害。

(a)δmax=5 mm，v=350 km/h

(b)δmax=10 mm，v=350 km/h圖19 不同路基上拱量下扣件反力時(shí)程曲線

4 結(jié)論

本文針對(duì)路橋過(guò)渡段路基上拱問(wèn)題，建立靜態(tài)仿真分析模型，對(duì)路基上拱后軌道變形和層間離縫發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析，同時(shí)建立考慮路基上拱后軌道變形及層間離縫特征的車輛-無(wú)砟軌道-過(guò)渡段空間耦合動(dòng)力學(xué)分析模型，對(duì)過(guò)渡段路基上拱動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，主要結(jié)論有：

(1)2 mm以內(nèi)的路基上拱可由扣件變形來(lái)抵消，不會(huì)產(chǎn)生層間離縫；路基上拱量超過(guò)2 mm時(shí)，橋上道床板下離縫量開始迅速發(fā)展；離縫量大于5 mm時(shí)橋上道床板下離縫量與路基上拱量可進(jìn)行線性擬合。

(2)在5 mm路基上拱變形作用下，車輛行經(jīng)上拱區(qū)域時(shí)車體垂向加速度和輪軌力產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，車速在200 km/h以上時(shí)車體垂向加速度增加明顯加快，車速達(dá)到350 km/h時(shí)，車體加速度增加至0.13g，達(dá)到規(guī)范限值，此時(shí)輪軌力浮動(dòng)范圍為37.9～113.5 kN，對(duì)應(yīng)輪重減載率達(dá)到0.53。

(3)路基上拱量增加時(shí)，行車動(dòng)力響應(yīng)明顯增大。上拱量為5 mm時(shí)v=350 km/h情況下車體垂向加速度達(dá)到規(guī)范限值0.13g，最大輪重減載率為0.53，上拱量為10 mmv=200 km/h時(shí)車體垂向加速度超過(guò)0.13g，車速300 km/h時(shí)輪重減載率超過(guò)規(guī)范限值0.65。

(4)在行車過(guò)程中離縫區(qū)域道床板會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)位移，并拍擊下部底座板。路基上拱量為5 mm時(shí)，行車過(guò)程中離縫區(qū)域基本處于完全閉合狀態(tài)，上拱量達(dá)到10 mm時(shí)離縫區(qū)域在行車過(guò)程中無(wú)法完全閉合，仍有1.2 mm左右離縫，此時(shí)車輛垂向荷載經(jīng)鋼軌和扣件傳遞至路基上的道床板，過(guò)渡段區(qū)域扣件承受較大的上拔力，工務(wù)部門應(yīng)防范路基上拱后過(guò)渡段橋梁側(cè)扣件彈條斷裂或螺栓失效病害。