吳堯 馬戰(zhàn)國 潘振 徐進 沈俊 陳超逸

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵路武漢局集團有限公司工務部，武漢 430000；4.中國鐵路武漢局集團有限公司武漢橋工段，武漢 430000）

在站區(qū)鋪設(shè)無縫線路可有效降低線路維修工作量，節(jié)約維修成本，提高列車運行平穩(wěn)性。由于站區(qū)軌道結(jié)構(gòu)薄弱，在鋪設(shè)無縫線路時要考慮無縫線路的穩(wěn)定性。影響無縫線路穩(wěn)定性的主要因素是道床橫向阻力和軌道框架剛度，喪失穩(wěn)定性的主要因素是溫度壓力和初始不平順［1-2］。目前，武漢鐵路局針對到發(fā)線與站線開展了無縫線路改造工作。以武昌南站與紙坊站為例，到發(fā)線鋼軌為60 kg/m，Ⅱ型軌枕，Ⅰ型彈條扣件，每1 km鋪設(shè)1 667根，道床厚度僅200 mm，道床肩寬也嚴重不足，線路軌道結(jié)構(gòu)整體較弱。該線路條件下能否鋪設(shè)無縫線路有待分析論證。

根據(jù)在紙坊站和武昌南站進行道床橫向阻力現(xiàn)場測試結(jié)果，本文利用有限元軟件建立無縫線路穩(wěn)定性有限元模型，分析不同道床橫向阻力對無縫線路穩(wěn)定性的影響，并進行移動加載車定點靜態(tài)加載試驗與移動加載試驗，探究站區(qū)移動加載下軌枕橫向位移限值。同時，對武昌南站與紙坊站站區(qū)無縫線路穩(wěn)定性進行了評估并給出了相應養(yǎng)護維修建議。

1 道床橫向阻力測試

在紙坊站第6股道選取5根軌枕、武昌南站第6股道選取6根軌枕作為測點，利用GDY?3型道床剛度檢測儀開展單根軌枕道床橫向阻力的測試，測試現(xiàn)場見圖1。紙坊站第6股道在站場的中間部分，兩側(cè)都有軌道，道床與路面基本齊平；武昌南站第6股道部分軌枕端頭道砟缺失，道床肩寬不足。取軌枕橫向位移2 mm時的道床橫向阻力作為標準道床橫向阻力，測試結(jié)果見表1。

圖1 GDY?3儀器道床剛度檢測儀測試現(xiàn)場

表1 標準道床橫向阻力測試結(jié)果 kN/枕

從表1可知，紙坊站標準道床橫向阻力一致性較好；武昌南站由于部分軌枕端頭道砟缺失，個別測點的標準道床橫向阻力較小，僅有6.75，7.20 kN/枕。

2 穩(wěn)定性計算

2.1 建立有限元模型

為分析站區(qū)線路道床橫向阻力對無縫線路穩(wěn)定性的影響，根據(jù)非線性有限元理論，選取100 m長直線軌道，建立無縫線路有限元模型，見圖2。

圖2 無縫線路有限元模型

選用60 kg/m鋼軌，用三維有限變形梁單元beam189模擬；軌枕用beam4單元模擬；扣件選用I型彈條扣件，考慮扣件橫向、縱向和繞豎直軸扭轉(zhuǎn)3個方向的自由度，橫向、縱向彈簧剛度分別由扣件橫向、縱向阻力-位移曲線上對應點的斜率決定，考慮阻矩-轉(zhuǎn)角的非線性關(guān)系，采用非線性彈簧單元combin39模擬，單元參數(shù)根據(jù)扣件阻矩-轉(zhuǎn)角曲線確定［3-4］；軌下基礎(chǔ)由Ⅱ型軌枕和連接軌枕與路基的道床彈簧組成，忽略道床對軌枕的扭轉(zhuǎn)約束，只考慮道床對軌枕豎向、縱向及橫向約束，豎向采用線性彈簧單元combin14模擬，縱向及橫向考慮其非線性特性，采用非線性彈簧單元combin39模擬［5］。

選取有代表性的1，5，10號3個測點的實測數(shù)據(jù)作為初始參數(shù)。其中，1，5號測點位于紙坊站，其標準道床橫向阻力分別為正常區(qū)段的較小值（8.64 kN/枕）和較大值（10.10 kN/枕）；10號測點位于武昌南站，其標準道床橫向阻力較?。?.75 kN/枕）。根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》［6］，單位長度道床縱向阻力取8.8 kN/枕。初始不平順波長取3 600 mm，初始不平順矢度取3 mm。

圖3 3個測點臨界溫升-鋼軌橫向位移曲線

2.2 穩(wěn)定性分析

利用有限元模型進行計算，對比分析標準道床橫向阻力不同的3個測點站區(qū)無縫線路的穩(wěn)定性。3個測點臨界溫升-鋼軌橫向位移曲線見圖3。可知，測點的標準道床橫向阻力越大，發(fā)生相等鋼軌橫向位移的臨界溫升越高。無縫線路在外界溫度作用下，鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生溫度壓力。當壓力達到一定時，軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向變形，直至發(fā)生破壞，喪失穩(wěn)定性。

考慮無縫線路縱向力分布不均勻及鎖定軌溫的變化，取安全系數(shù)k=1.5，則容許溫升計算式為

式中：［T］為容許溫升，℃；TW為臨界溫升，℃。

鋼軌橫向位移達到2 mm時，1，5，10號測點實測臨界溫升分別為60，81，52℃；由式（1）計算得容許溫升分別為40.0，54.0，34.6℃。

根據(jù)TB 10015—2012的軌溫記錄，武漢當?shù)刈罡?、最低軌溫分別為59.6，-18.1℃，武漢站區(qū)設(shè)計鎖定軌溫為（28±5）℃，最大溫升為36.6℃。因此，紙坊站1，5號測點滿足無縫線路穩(wěn)定性要求，但標準道床橫向阻力較小的1號測點安全儲備量很?。?］；武昌南站標準道床橫向阻力僅為6.75 kN/枕的10號測點不能滿足無縫線路穩(wěn)定性要求。

3 移動加載車定點靜態(tài)加載試驗

由中國鐵道科學研究院集團有限公司研制的移動加載車已投入使用，可模擬列車運行工況對各種軌道結(jié)構(gòu)及復雜地段進行加載試驗。移動加載車可在行進過程中對線路施加恒定荷載，連續(xù)測試線路力學特性和彈性性能，包括線路整體結(jié)構(gòu)彈性特性、軌道結(jié)構(gòu)剛度及其合理匹配等，獲得軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性和垂向整體剛度等數(shù)據(jù)，用以評估軌道性能劣化趨勢，進而采取相應維修措施［8-10］。

考慮移動加載時無法直接測量軌枕橫向位移，采用移動加載車進行定點靜態(tài)加載。同時在地面布置位移傳感器測試鋼軌與軌枕的橫向位移，測試現(xiàn)場見圖4。

圖4 位移傳感器測試現(xiàn)場

利用移動加載車定點對軌道施加橫向荷載，在靜態(tài)加載狀態(tài)下，地面上的位移傳感器測得地測鋼軌橫向位移Hd和地測軌枕橫向位移Y，移動加載車上測得車測鋼軌橫向位移Hc。通過Hd和Y、Hd和Hc的線性關(guān)系，推導出Y和Hc的線性關(guān)系，進而根據(jù)移動加載時的車測鋼軌橫向位移Hc′，計算得出移動加載時的軌枕橫向位移Y′，即可實現(xiàn)對無縫線路穩(wěn)定性的評估。

試驗步驟如下：

1）設(shè)置零點。移動時施加橫向荷載，并使加載輪緊貼一側(cè)鋼軌；到達測點位置，卸載橫向荷載至0，卸載垂向荷載至5 kN。此時位移傳感器清零，作為零點。

2）施加垂向荷載。施加垂向荷載至15 kN，以15 kN的增幅施加垂向荷載，直到左右側(cè)均達到75 kN，保持不變。

3）施加橫向荷載。以10 kN的增幅施加橫向荷載，每級保持30 s，地測鋼軌橫向位移Hd達2 mm時停止加載。

4）卸載。卸載橫向荷載至0，卸載垂向荷載至5 kN。

上述加載-卸載過程重復3次。

綜合考慮安全性和測試效果，選取垂向荷載75 kN、橫向荷載80 kN的測試結(jié)果進行分析。以紙坊站1號測點為例，其移動加載車3次定點靜態(tài)加載試驗結(jié)果見圖5。

圖5 1號測點移動加載車3次定點靜態(tài)加載試驗結(jié)果

根據(jù)圖5擬合出 Y?Hd和Hd?Hc的線性關(guān)系

由式（2）、式（3）推導出Y?Hc的線性關(guān)系

進而可以推出移動加載時軌枕橫向位移計算公式

4 移動加載試驗

4.1 移動加載下的軌枕橫向位移限值

用移動加載車對軌道進行移動加載，根據(jù)移動加載時的車測鋼軌橫向位移Hc′，由公式（5）計算得出移動加載時的軌枕橫向位移Y′。

以紙坊站1號測點為例，共測試7次，計算得移動加載時的軌枕橫向位移分別為0.51，0.68，0.61，0.69，0.63，0.71，0.72 mm，平均值為0.65 mm。結(jié)合有限元計算得出的1號測點安全儲備量很小的結(jié)論，從安全角度考慮，建議武漢局管內(nèi)站線移動加載時的軌枕橫向位移限值選用0.60 mm。

4.2 移動加載試驗結(jié)果分析

為測試站線范圍內(nèi)的軌道穩(wěn)定性，在紙坊站第6股道、武昌南站第6股道分別選取50，65 m軌道作為試驗段，利用移動加載車進行移動加載試驗，得出移動加載時的車測鋼軌橫向位移曲線，并由公式（5）換算出軌枕橫向位移曲線。移動加載試驗結(jié)果見圖6。

圖6 移動加載試驗結(jié)果

從圖6（b）得出移動加載下紙坊站試驗段軌枕橫向位移平均值0.53 mm，滿足0.60 mm的限值；在17～27 m區(qū)段軌枕橫向位移較大，最大值為0.99 mm，超出0.60 mm的限值，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該區(qū)段道砟缺失嚴重，應及時補充。

從圖6（d）得出移動加載下武昌南站試驗段軌枕橫向位移平均值0.28 mm，滿足0.60 mm的限值；在10 m附近區(qū)段部分軌枕橫向位移大于0.60 mm，最大值為0.82 mm，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該區(qū)段軌枕端頭裸露嚴重，應補充道砟搗固。

5 結(jié)論

本文在紙坊站和武昌南站進行了道床橫向阻力現(xiàn)場測試、移動加載車定點靜態(tài)加載試驗和移動加載試驗，對站區(qū)無縫線路的穩(wěn)定性進行了分析，并給出了相應的養(yǎng)護維修建議。

1）利用有限元軟件建立了無縫線路穩(wěn)定性有限元模型，通過計算對比分析了標準道床橫向阻力不同的3個測點的站區(qū)無縫線路穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)武昌南站局部標準道床橫向阻力偏小，且容許溫升小于規(guī)范要求。結(jié)合現(xiàn)場情況，該區(qū)段部分軌枕端頭道砟缺失，應及時進行維修，注意不要將軌枕頭裸露在外。

2）利用移動加載車進行定點靜態(tài)加載試驗，測得靜態(tài)加載狀態(tài)下地測鋼軌橫向位移、地測軌枕橫向位移及車測鋼軌橫向位移，推導出軌枕橫向位移和車測鋼軌橫向位移的線性關(guān)系。根據(jù)安全儲備值較小的1號測點的試驗數(shù)據(jù)，建議武漢局管內(nèi)站線移動加載時軌枕橫向位移限值取0.60 mm。

3）通過移動加載試驗，測得移動加載狀態(tài)下的車測鋼軌橫向位移曲線，計算得出移動加載時的軌枕橫向位移曲線。對于超過0.60 mm限值的區(qū)段，應及時補充道砟并進行搗固，提高道床橫向阻力，確保無縫線路的穩(wěn)定性。