張紅平

(中國(guó)鐵建國(guó)際集團(tuán)有限公司,北京 100855)

國(guó)內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)中較多采用了減振墊整體道床，該類型軌道結(jié)構(gòu)具有基礎(chǔ)條件適應(yīng)性強(qiáng)、道床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性良好、減振性能較優(yōu)[1-2]等顯著特點(diǎn)。然而，國(guó)內(nèi)遂渝線、成灌線、哈大客專等項(xiàng)目鋪設(shè)的減振墊無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)線工程實(shí)測(cè)減振效果不良，高速鐵路道床減振型軌道結(jié)構(gòu)當(dāng)時(shí)尚無(wú)成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，需進(jìn)一步深化技術(shù)方案研究。

1 工程概況

蘭新高鐵設(shè)計(jì)速度200 km/h及以上，線路在嘉峪關(guān)與古長(zhǎng)城相交。線路為直線段，縱坡為+11.8‰和+1‰，豎曲線半徑R=25 000 m，埋深12 m，段落長(zhǎng)343 m，斜交角度約77°。該段線路以框架結(jié)構(gòu)下穿通過(guò)。見(jiàn)圖1。

嘉峪關(guān)古長(zhǎng)城為明代長(zhǎng)城，是國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)對(duì)象，長(zhǎng)城體為夯土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)城經(jīng)多年風(fēng)雨的洗禮，部分已經(jīng)風(fēng)化剝落，較為脆弱。蘭新高鐵穿越嘉峪關(guān)長(zhǎng)城段選用減振墊無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，以期實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)城體保護(hù)高減振性和高速列車運(yùn)營(yíng)高平順性的技術(shù)需求。軌道結(jié)構(gòu)減振墊剛度設(shè)計(jì)需在滿足高速列車安全運(yùn)營(yíng)條件下，主要滿足以下指標(biāo)限值[3-7]：

(1)長(zhǎng)城體頂部容許振動(dòng)最大速度≤0.25 mm/s；

(2)鋼軌垂向位移≤2 mm；

(3)鋼軌振動(dòng)加速度≤5 000 m/s2。

圖1 蘭新高鐵穿越長(zhǎng)城地段現(xiàn)狀及縱斷面

2 模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 基本假定[8]

嘉峪關(guān)明長(zhǎng)城垂直于隧道結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)城本體為無(wú)限長(zhǎng)均勻夯土。

隧道周邊土介質(zhì)為符合線彈性模型的半空間體，土質(zhì)均勻、各向同性，列車動(dòng)力荷載作用下，土體與結(jié)構(gòu)間不脫離、無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，即滿足位移協(xié)調(diào)條件。

2.2 計(jì)算模型[9-15]

基于雙塊式減振型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)建立車輛-減振型無(wú)砟軌道-土體耦合模型，分析力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算力學(xué)模型

土體為均質(zhì)、各向同性的線彈性體。

車體、構(gòu)架、輪對(duì)均考慮為剛性體，車體、構(gòu)架考慮沉浮、點(diǎn)頭、側(cè)滾等自由度，輪對(duì)考慮沉浮、側(cè)滾等自由度。

鋼軌采用Euler梁模型，單元節(jié)點(diǎn)具有x、y、z三向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；扣件簡(jiǎn)化為彈簧阻尼單元，且僅考慮垂向效應(yīng)；道床板、減振墊及支撐層采用實(shí)體單元，采用共用節(jié)點(diǎn)方式過(guò)渡[9]。

2.3 計(jì)算參數(shù)

ANSYS仿真模型[16]采用CRH2型車體參數(shù)；采用雙塊式減振型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中，減振墊主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 減振墊計(jì)算參數(shù)[17]

根據(jù)嘉峪關(guān)長(zhǎng)城處地質(zhì)資料和相關(guān)文獻(xiàn)，土層的動(dòng)力參數(shù)取值見(jiàn)表2。

輪軌垂向作用力由赫茲非線性彈性接觸理論所確定，模型中采用等效線性化Hertz接觸剛度Kh=1.3×109N/m[15]。

表2 土層動(dòng)力參數(shù)[8]

基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)與列車運(yùn)營(yíng)性能研究分析，模型采用典型德國(guó)低干擾長(zhǎng)波不平順譜[18]，如圖3所示。

圖3 德國(guó)低干擾不平順譜

2.4 邊界條件

考慮到邊界對(duì)振動(dòng)波的影響，主體模型尺寸范圍為150 m×83 m[19]。為了使單元能模擬波動(dòng)效應(yīng)，單元網(wǎng)格尺寸0.1～0.5 m。在計(jì)算中，時(shí)間步長(zhǎng)取為0.005 s。單元類型選用四節(jié)點(diǎn)等參單元。由于模型的對(duì)稱性，模型左邊采用對(duì)稱約束，下邊界固定，右邊采用自由邊界。

3 減振型軌道結(jié)構(gòu)減振墊合理剛度分析

研究列車以速度200 km/h通過(guò)軌道結(jié)構(gòu)時(shí)，分析在不同減振墊剛度下長(zhǎng)城體、鋼軌的動(dòng)力特性。

3.1 減振墊剛度對(duì)長(zhǎng)城體振動(dòng)影響分析

國(guó)內(nèi)外軌道交通項(xiàng)目對(duì)夯土長(zhǎng)城體保護(hù)尚無(wú)成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，充分借鑒城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)敏感點(diǎn)保護(hù)經(jīng)驗(yàn)及減振墊剛度可選范圍，本文擬選用減振墊剛度指標(biāo)分別為1.67，3.33，16.67，33.33，166.67，333.33 MPa/m和1 666.67 MPa/m?；陂L(zhǎng)城體頂部容許振動(dòng)最大速度≤0.25 mm/s條件，分析滿足長(zhǎng)城體振動(dòng)保護(hù)需求的減振墊合理剛度。

不同剛度減振墊條件下，長(zhǎng)城頂部水平振動(dòng)速度傳遞規(guī)律及分布特性如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)城頂部水平振動(dòng)速度隨減振墊剛度及傳遞距離變化規(guī)律曲線

從圖4可知，在離隧道同一距離處，減振墊剛度越大，長(zhǎng)城最高點(diǎn)處的水平速度越大。對(duì)同一剛度減振墊層而言，離隧道中心距離越遠(yuǎn)，水平速度越??；但是在距離隧道中心線5 m左右，水平速度出現(xiàn)極大值。當(dāng)減振墊剛度達(dá)到166.67 MPa/m時(shí)，長(zhǎng)城最高點(diǎn)處的最大水平速度接近0.25 mm/s，為此，減振墊剛度不應(yīng)超過(guò)166.7 MPa/m。

3.2 減振墊剛度對(duì)鋼軌振動(dòng)特性影響分析

基于哈大客專、隧渝線減振軌道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段研究成果及高速鐵路項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，為保障列車運(yùn)行安全、旅客乘坐舒適性，從軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的角度出發(fā)，進(jìn)一步重點(diǎn)分析40～200 MPa/m[20]范圍減振墊剛度變化對(duì)鋼軌振動(dòng)加速度和垂向位置的影響。

當(dāng)列車以200 km/h的速度通過(guò)減振型無(wú)砟軌道時(shí)，不同剛度減振墊條件下鋼軌垂向加速度和垂向位移的變化情況如圖5所示。

圖5 鋼軌垂向加速度、位移隨減振墊剛度變化規(guī)律曲線

由圖5可知，當(dāng)減振墊剛度在40～200 MPa/m范圍變化時(shí)，鋼軌的加速度隨著減振墊剛度的增大而有所增大。當(dāng)減振墊剛度由40 MPa/m增大至200 MPa/m時(shí)，鋼軌垂向最大加速度由1 242 m/s2增加到1 260 m/s2，增幅僅為1.45%，說(shuō)明減振墊剛度在40～200 MPa/m范圍內(nèi)變化時(shí)，鋼軌加速度幅值差異不大。

鋼軌的最大垂向位移隨著減振墊剛度的增加而顯著減小，當(dāng)減振墊剛度由40 MPa/m增加到200 MPa/m時(shí)，鋼軌最大垂向位移由1.55 mm減小到1.01 mm，減小幅度為34.8%，說(shuō)明減振墊剛度的變化對(duì)鋼軌垂向位移的影響明顯大于對(duì)鋼軌垂向加速度的影響。當(dāng)減振墊剛度為40 MPa/m時(shí)，鋼軌的最大下沉量為1.55 mm，未超過(guò)2 mm的限值，但是從控制鋼軌最大下沉量的角度出發(fā)，建議減振墊剛度不宜小于40 MPa/m。

3.3 減振墊合理剛度的范圍分析

從減振墊剛度對(duì)古長(zhǎng)城的振動(dòng)影響分析結(jié)果中可知，減振墊剛度低于166.7 MPa/m即可有效控制長(zhǎng)城體振動(dòng)速度。從控制鋼軌垂向位移的角度出發(fā)，建議減振墊剛度不宜小于40 MPa/m。

綜合考慮文物的減振要求、鋼軌振動(dòng)特性，建議減振墊設(shè)計(jì)剛度取值范圍為40～160 MPa/m。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)上述無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)合理剛度研究成果，工程實(shí)施采用了46 MPa/m剛度的減振墊。為進(jìn)一步驗(yàn)證研究成果工程使用性能，由中國(guó)鐵道科學(xué)研究院牽頭開(kāi)展了實(shí)施工點(diǎn)測(cè)點(diǎn)布置、實(shí)車測(cè)試等工作[21-22]，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 軌道結(jié)構(gòu)及古長(zhǎng)城頂部傳感器布置

采用CRH2-061C及CRH2-068C型綜合檢測(cè)車開(kāi)展了嘉峪關(guān)南至石板墩南上、下行正線試驗(yàn)工點(diǎn)5 km/h準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定及動(dòng)車組的逐級(jí)提速試驗(yàn)，通過(guò)各測(cè)點(diǎn)的最高速度為224.2 km/h。

動(dòng)車組以不同速度通過(guò)目標(biāo)工點(diǎn)時(shí)，長(zhǎng)城頂部振動(dòng)速度、鋼軌垂向位移、鋼軌振動(dòng)加速度等幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 實(shí)測(cè)長(zhǎng)城頂部振動(dòng)速度、鋼軌垂向位移及鋼軌振動(dòng)加速度幅值

由表3可知：當(dāng)動(dòng)車組以設(shè)計(jì)速度通過(guò)減振型無(wú)砟軌道地段時(shí)，長(zhǎng)城頂端水平振動(dòng)速度幅值為0.19 mm/s、鋼軌垂向位移幅值為0.87 mm、鋼軌振動(dòng)加速度均值為1 141.8 m/s2，與仿真研究成果匹配一致。

同時(shí)，實(shí)車測(cè)試還驗(yàn)證了動(dòng)車組通過(guò)安全性、穩(wěn)定性和軌道結(jié)構(gòu)變形、受力特性。

5 結(jié)論

針對(duì)蘭新高鐵穿越長(zhǎng)城段減振型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)需求，從建立計(jì)算模型、長(zhǎng)城體振動(dòng)水平仿真分析、軌道結(jié)構(gòu)服役功能仿真分析、實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證等方面開(kāi)展深入分析，主要研究結(jié)論如下。

(1)長(zhǎng)城體水平振動(dòng)速度隨著減振墊剛度增加而增大；鋼軌加速度隨著減振墊剛度增加而變化不大；鋼軌位移隨著減振墊剛度增加而減小。

(2)列車運(yùn)營(yíng)、軌道結(jié)構(gòu)服役性能需求的減振墊剛度不宜小于40 MPa/m；長(zhǎng)城體保護(hù)需求的減振墊剛度不應(yīng)大于166.7 MPa/m。

(3)設(shè)計(jì)成果工程應(yīng)用同時(shí)滿足了高鐵安全、平順、舒適性和長(zhǎng)城體高減振性能需求。