徐 浩,蔡文鋒,林紅松,顏 華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

近年來，重載鐵路在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，重載鐵路的軌道結(jié)構(gòu)形式以有砟軌道為主，然而有砟軌道在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了道砟粉化嚴(yán)重、殘余變形量大等典型缺點(diǎn)[1-3]，與有砟軌道相比，無砟軌道具有高穩(wěn)定性、高可靠性、平順性和強(qiáng)耐久性[4-6]，因此發(fā)展無砟軌道是重載鐵路的重要趨勢(shì)。

目前，我國(guó)正承擔(dān)設(shè)計(jì)孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線，擬在孟加拉帕德瑪主橋及部分混凝土簡(jiǎn)支梁橋上采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，近期設(shè)計(jì)軸重25 t，遠(yuǎn)期考慮32.5 t，軌距為1 676 mm，貨車運(yùn)營(yíng)速度80 km/h。由于國(guó)內(nèi)重載鐵路無規(guī)模鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，且無砟軌道類型眾多并主要在隧道地段鋪設(shè)[7-11]，因此有必要研究重載鐵路橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)選型。

本文通過分別建立重載貨車與各種無砟軌道動(dòng)力相互作用模型，計(jì)算分析了25 t和32.5 t軸重重載貨車通過不同無砟軌道結(jié)構(gòu)時(shí)的輪軌動(dòng)力響應(yīng)，通過對(duì)比分析，從動(dòng)力學(xué)的角度提出了重載鐵路橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)的選型建議。

1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

1.1 重載貨車-無砟軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型

結(jié)合國(guó)內(nèi)外無砟軌道的應(yīng)用情況以及孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線無砟軌道的初設(shè)方案，本文選取現(xiàn)澆板式無砟軌道、單層長(zhǎng)枕埋入式無砟軌道、單元板式無砟軌道和長(zhǎng)枕埋入式無砟軌道4種方案。基于輪軌系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)理論[12-15]，分別建立1676 mm寬軌距25t和32.5t重載貨車-無砟軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示(以現(xiàn)澆板式無砟軌道為例)。

圖1 重載貨車-現(xiàn)澆板式軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型

模型中，重載貨車視為由車體、側(cè)架、搖枕及輪對(duì)組成的多剛體系統(tǒng)，為建模方便，模型中將側(cè)架與搖枕簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體考慮。側(cè)架與輪對(duì)由一系懸掛連接，車體與搖枕由二系懸掛連接，一系和二系懸掛采用彈簧-阻尼單元模擬，彈簧的剛度為線性，阻尼按黏性阻尼計(jì)算。鋼軌采用點(diǎn)支承梁模擬，扣件系統(tǒng)采用線性彈簧-阻尼單元模擬，支承間距為扣件間距。道床板/軌道板、底座板均采用板單元模擬。單元板式軌道的水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)層簡(jiǎn)化為均布的彈簧-阻尼單元，彈簧-阻尼單元的剛度根據(jù)CA砂漿層的彈性模量和厚度計(jì)算得到。底座板或道床板與橋梁之間的連接也采用均布的彈簧-阻尼單元模擬，剛度根據(jù)橋梁的面支承剛度計(jì)算得到。簡(jiǎn)支混凝土箱梁采用板單元模擬。運(yùn)用大型通用顯式動(dòng)力分析程序LS-DYNA建立模型，并利用內(nèi)置的求解器進(jìn)行求解。

重載鐵路橋上無砟軌道動(dòng)力性能采用車體垂向振動(dòng)加速度、輪軌垂向力、輪重減載率、鋼軌垂向位移、鋼軌振動(dòng)加速度、道床板/軌道板垂向位移、道床板/軌道板振動(dòng)加速度、扣件支點(diǎn)反力、軌道與橋梁的接觸應(yīng)力和橋梁振動(dòng)加速度等指標(biāo)評(píng)價(jià)。

1.2 計(jì)算參數(shù)

本文計(jì)算時(shí)只考慮1節(jié)車輛的作用，25 t軸重貨車和32.5 t軸重貨車均在我國(guó)C80貨車的基礎(chǔ)上通過修改參數(shù)得到，重載貨車的運(yùn)行速度為80 km/h。25 t軸重貨車的車體質(zhì)量為91 400 kg，側(cè)架質(zhì)量497 kg，搖枕質(zhì)量為745 kg，輪對(duì)質(zhì)量為1 257 kg，車體側(cè)滾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.92×105kg·m2，點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.96×106kg·m2，搖枕點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為138 kg·m2，搖頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為244 kg·m2，側(cè)架點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為190 kg·m2，搖頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為176 kg·m2，輪對(duì)點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為100 kg·m2，一系懸掛垂向剛度為160 MN/m，垂向阻尼為3.0 kN·s/m，二系懸掛垂向剛度為4.89 MN/m，垂向阻尼為40 kN·s/m，軸距1.83 m，車輪半徑0.42 m。32.5 t軸重貨車的車體質(zhì)量為12 000 kg，側(cè)架質(zhì)量497 kg，搖枕質(zhì)量為745 kg，輪對(duì)質(zhì)量為1 630 kg，車體側(cè)滾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.196×105kg·m2，點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.248×106kg·m2，搖枕點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為138 kg·m2，搖頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為244 kg·m2，側(cè)架點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為190 kg·m2，搖頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為176 kg·m2，輪對(duì)點(diǎn)頭慣量為100 kg·m2，一系懸掛垂向剛度為200 MN/m，垂向阻尼為4.0 kN·s/m，二系懸掛垂向剛度為6.36 MN/m，垂向阻尼為52 kN·s/m，軸距1.83 m，車輪半徑0.42 m。

不同無砟軌道的軌距均為1 676 mm，鋼軌采用UIC60鋼軌，扣件擬采用WJ-12型扣件系統(tǒng)，扣件剛度取為80 kN/mm，扣件垂向阻尼取為7.5×104N·s/m，扣件間距取為0.6 m，混凝土采用孟加拉當(dāng)?shù)氐腗50混凝土，橋梁支承面剛度為1 000 MPa/m，橋梁的截面面積為4.958 8 m2，截面慣性矩為4.193 3 m4。軌道不平順采用美國(guó)五級(jí)譜。不同類型無砟軌道的主要參數(shù)如表1所示。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 不同軸重的影響

以現(xiàn)澆板式無砟軌道為例，當(dāng)不同軸重貨車通過橋上無砟軌道時(shí)，橋上無砟軌道動(dòng)力響應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)如圖2所示。

表1 不同類型無砟軌道主要參數(shù)

圖2 不同軸重下現(xiàn)澆板式無砟軌道的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)

從圖2可知，當(dāng)25 t和32.5 t軸重貨車通過橋上無砟軌道時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)的時(shí)程曲線類似，僅在數(shù)值上存在差異。車體的最大振動(dòng)加速度分別為1.296 m/s2和1.291 m/s2，輪軌垂向力最大值分別為160.30 kN和206.6 kN，輪重減載率分別為0.284和0.249，橋梁跨中鋼軌的垂向位移分別為2.46 mm和2.82 mm，鋼軌的垂向振動(dòng)加速度分別為147.69 m/s2和152.93 m/s2，橋梁跨中道床板的垂向位移分別為1.80 mm和1.96 mm，鋼軌的垂向振動(dòng)加速度分別為19.37 m/s2和21.33 m/s2，扣件支點(diǎn)反力分別為55.03 kN和71.89 kN，軌道與橋梁的接觸應(yīng)力分別為104.76 kPa和131.12 kPa，橋梁跨中的振動(dòng)加速度分別為2.29 m/s2和2.50 m/s2?？梢?，隨著重載貨車軸重的增大，輪軌垂向力、鋼軌垂向位移、鋼軌振動(dòng)加速度、扣件支點(diǎn)反力、軌道與橋梁的接觸應(yīng)力、橋梁跨中的振動(dòng)加速度均增大。文獻(xiàn)[16]規(guī)定貨車最大垂向振動(dòng)加速度限值為0.7g，輪重減載率限值為0.6；文獻(xiàn)[17]規(guī)定，對(duì)于無砟軌道，橋梁的最大垂向振動(dòng)加速度限值為0.5g；文獻(xiàn)[18]規(guī)定鋼軌垂向位移限值為3 mm，文獻(xiàn)[19-20]也提出重載鐵路無砟軌道可按該限值考慮。從上述計(jì)算結(jié)果可知，不同軸重重載貨車通過橋上現(xiàn)澆板式無砟軌道時(shí)安全性和平穩(wěn)性滿足要求，且鋼軌位移和橋梁振動(dòng)加速度均小于相關(guān)限值要求。

2.2 無砟軌道類型的影響

由于25 t軸重與32.5 t軸重貨車作用下，橋上不同無砟軌道類型的動(dòng)力響應(yīng)變化趨勢(shì)相同，本文僅列出32.5 t軸重重載貨車以80 km/h速度通過不同類型無砟軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)最大值，如圖3所示。

圖3 橋上不同類型無砟軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)

從上述計(jì)算結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

(1)不同類型軌道結(jié)構(gòu)的車體垂向振動(dòng)加速度、輪重減載率等行車安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)相差不大。

(2)現(xiàn)澆板式無砟軌道和單層長(zhǎng)枕埋入式無砟軌道的鋼軌垂向位移、鋼軌垂向振動(dòng)加速度、道床板垂向位移和道床板垂向振動(dòng)加速度基本相同，這是由于兩者道床板的厚度基本相同；由于水泥乳化瀝青砂漿層具有減振降噪的功能，且彈性模量較小，因此單元板式無砟軌道的鋼軌垂向振動(dòng)位移、鋼軌垂向振動(dòng)加速度、道床板垂向位移和道床板垂向振動(dòng)加速度最大。

(3)由于不同類型無砟軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌、扣件系統(tǒng)和扣件間距相同，導(dǎo)致通過鋼軌傳遞至扣件系統(tǒng)的荷載大小基本相同。

(4)單元板式無砟軌道與長(zhǎng)枕埋入式無砟軌道的軌道與橋梁的接觸應(yīng)力、橋梁振動(dòng)加速度均小于現(xiàn)澆板式無砟軌道和單層長(zhǎng)枕埋入式無砟軌道，說明采用單元板式無砟軌道和長(zhǎng)枕埋入式無砟軌道對(duì)橋梁受力有利。

3 結(jié)論

通過研究重載貨車通過不同類型橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，得到如下結(jié)論。

(1)隨著列車軸重的增大，橋上無砟軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)均增大。

(2)從降低軌道結(jié)構(gòu)變形的角度考慮，優(yōu)先選取現(xiàn)澆板式無砟軌道和單層長(zhǎng)枕埋入式無砟軌道等單層無砟軌道結(jié)構(gòu)；從降低軌道與橋梁的接觸應(yīng)力及橋梁振動(dòng)加速度的角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選取單元板式無砟軌道和長(zhǎng)枕埋入式無砟軌道等雙層無砟軌道結(jié)構(gòu)。

(3)由于不同類型無砟軌道均能滿足行車安全性及平穩(wěn)性的要求，重載鐵路橋上無砟軌道的結(jié)構(gòu)選型除了考慮系統(tǒng)的動(dòng)力特性外，還應(yīng)結(jié)合線路特點(diǎn)及無砟軌道與相關(guān)專業(yè)的接口關(guān)系，選擇合適的無砟軌道類型。