高 亮，趙聞強(qiáng)，鐘陽龍，馬超智，殷 浩

(北京交通大學(xué) 軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

作為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分，軌道結(jié)構(gòu)性能與狀況[1]直接決定了列車是否能夠安全、平穩(wěn)運(yùn)行.自鐵路誕生兩百多年來，軌道工程一直朝著強(qiáng)化自身結(jié)構(gòu)、提供更平順及更穩(wěn)定承載能力的目標(biāo)發(fā)展，以適應(yīng)更高速度、更大軸重下線路安全運(yùn)營的要求[2].

軌道工程自身結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，并在服役過程中承受各類外部荷載，同時(shí)還存在和上部走行車輛、下部基礎(chǔ)間的相互作用.這些因素都使得軌道工程整體更具復(fù)雜性、系統(tǒng)性[3].在鐵路高安全、高平順的運(yùn)營要求下，軌道工程這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)已是當(dāng)前發(fā)展的必然趨勢[4-5].但目前軌道工程在設(shè)計(jì)方法上并未超脫由極限狀態(tài)法和容許應(yīng)力法構(gòu)成的強(qiáng)度設(shè)計(jì)范疇[6]，對結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)的系統(tǒng)性關(guān)注不夠，盡管能滿足基本的強(qiáng)度變形要求，但軌道結(jié)構(gòu)整體不均衡的應(yīng)力狀態(tài)、不協(xié)調(diào)的變形條件仍會給軌道工程長期服役性能造成影響[7]，大大降低其使用壽命，甚至影響列車運(yùn)行安全.在高速鐵路、城市軌道交通線路上出現(xiàn)的一些群發(fā)性病害，也說明了軌道結(jié)構(gòu)未能在長期狀態(tài)下保持與服役環(huán)境的和諧相處，需要尋求更系統(tǒng)、更合理的理論指導(dǎo)軌道全壽命周期下的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)維修.

保持軌道結(jié)構(gòu)部件及整體服役狀態(tài)，除了從細(xì)觀角度關(guān)注結(jié)構(gòu)部件的“精細(xì)化”設(shè)計(jì)，還需從宏觀角度關(guān)注整體結(jié)構(gòu)與服役環(huán)境的協(xié)調(diào)及平衡[8]，即追求軌道工程的整體“均衡”設(shè)計(jì).軌道工程的均衡，體現(xiàn)在全壽命周期內(nèi)自身結(jié)構(gòu)間的和諧匹配、“張弛有度”，以及與外部服役環(huán)境的協(xié)調(diào)適應(yīng)，這也與軌道工程的發(fā)展目標(biāo)相一致.

復(fù)雜的外部自然環(huán)境、特殊的自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)、與周邊結(jié)構(gòu)的相互作用等問題也為軌道工程長期安全可靠服役帶來了更大的挑戰(zhàn).基于此，本文作者提出了軌道工程精細(xì)-均衡分析理論，不僅在服役因素、理論模型等方面考慮得更為精細(xì)，同時(shí)也在原有力學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上提出了更高層次的均衡性要求，更有助于實(shí)現(xiàn)軌道工程的全壽命周期管理.

1 軌道工程面臨的共性問題

為建立軌道工程精細(xì)-均衡理論體系，首先需要明確軌道工程設(shè)計(jì)、建造及服役過程中所面臨的各類共性問題及關(guān)鍵影響因素.

1.1 外部自然環(huán)境問題

軌道工程暴露在自然環(huán)境中，直接受到水文地質(zhì)條件、氣候及極端自然災(zāi)害等條件影響.產(chǎn)生如濕陷性黃土[9-10]、季節(jié)性凍土區(qū)[11]等不良地質(zhì)條件為軌道工程帶來的基礎(chǔ)變形問題[12- 13]，富水地區(qū)引起軌道基礎(chǔ)承載削弱、基底翻漿冒泥[14]等病害(見圖1)；復(fù)雜溫度條件造成軌道結(jié)構(gòu)大溫度應(yīng)力[15]及溫度梯度問題[16-17](見圖2),雨水侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)部粉化沖蝕[14]、凍融[18]等引起結(jié)構(gòu)變形等問題；寒潮[19]、地震、泥石流等其他極端惡劣氣候及強(qiáng)烈地質(zhì)災(zāi)害對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞[20].這些外部環(huán)境的復(fù)雜性，給軌道工程的建造與安全運(yùn)營帶來了挑戰(zhàn).

1.2 自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜性問題

1.2.1 多種結(jié)構(gòu)、材料的復(fù)合協(xié)調(diào)問題

軌道工程自身是一個豎向多層、縱向異性的帶狀結(jié)構(gòu)體系，僅以我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)為例，其主體由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿充填層(CA砂漿)/自密實(shí)混凝土充填層、支承層等組成，還配有傳力桿、隔離層、凹槽等細(xì)部結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)多層、材料復(fù)雜的自身工程性質(zhì).各材料、結(jié)構(gòu)間的協(xié)調(diào)配合工作，是軌道工程提供承載能力的基礎(chǔ).

1.2.2 自身結(jié)構(gòu)、材料的經(jīng)時(shí)劣化問題

軌道工程作為典型的土工結(jié)構(gòu)，其材料、結(jié)構(gòu)的服役性能隨著時(shí)間的增長動態(tài)變化[21]，即軌道工程自身材料、結(jié)構(gòu)的性能隨時(shí)間劣化不可避免.這種劣化不僅是結(jié)構(gòu)性能的長期劣化，還包括在特殊情況下的局部瞬時(shí)突變.從影響機(jī)制上看，結(jié)構(gòu)材料及部件的細(xì)部狀態(tài)劣化必然導(dǎo)致整體系統(tǒng)性能的劣化，而整體系統(tǒng)性能劣化導(dǎo)致的動態(tài)沖擊增大等問題又可能進(jìn)一步加劇細(xì)部結(jié)構(gòu)材料的損傷[22]，從而減少了軌道結(jié)構(gòu)的工程壽命.

1.3 與周邊結(jié)構(gòu)的相互作用問題

軌道工程與周邊結(jié)構(gòu)存在多種相互作用問題，如軌道與上下結(jié)構(gòu)的連接問題：軌道工程主要是為上部車輛提供一個平穩(wěn)安全的運(yùn)營條件，須考慮軌道與上部車輛走行部的匹配性問題；軌道下部存在路基、橋梁、隧道等不同下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，與復(fù)雜下部基礎(chǔ)的適應(yīng)性問題不可忽略[23]；另外，軌道工程是典型的帶狀結(jié)構(gòu)，其縱向沿線路不斷延伸，其分布在空間上呈現(xiàn)出典型的各向異性，如在多條線路交匯處出現(xiàn)的道岔區(qū)、不同下部基礎(chǔ)過渡段以及曲線地段出現(xiàn)的線路平縱斷面差異[24]等，都對結(jié)構(gòu)性能提出了更多的要求；此外，軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮排水、信號等繁雜的接口設(shè)計(jì)[25-26].

由上述分析可知，自然環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)及與周邊結(jié)構(gòu)相互作用導(dǎo)致的問題極為復(fù)雜，多方面作用的結(jié)果最終在微觀及宏觀上表現(xiàn)為軌道工程與服役環(huán)境的矛盾激化.細(xì)微的變化、微小的設(shè)計(jì)偏差都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)服役性能劣化、惡化，產(chǎn)生均衡性問題，影響軌道工程的長期安全穩(wěn)定服役.在線路高安全、高平順運(yùn)營要求背景下，為保證軌道工程與復(fù)雜服役環(huán)境的適應(yīng)性，必須在精細(xì)化的基礎(chǔ)上追求結(jié)構(gòu)的細(xì)部及整體均衡設(shè)計(jì).精細(xì)化與均衡性二者缺一不可，采用精細(xì)-均衡的理念是必然的.

2 軌道工程現(xiàn)存的精細(xì)-均衡理念

對軌道工程，精細(xì)化已被研究人員認(rèn)可并在實(shí)際工程中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用；而在均衡性方面，實(shí)踐中已經(jīng)有部分案例不自覺地使用了該理念來應(yīng)對各類結(jié)構(gòu)或服役環(huán)境引發(fā)的問題.

2.1 無縫線路方面

為解決無縫線路與外部復(fù)雜氣候環(huán)境的適應(yīng)性問題及與下部復(fù)雜基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)性問題，現(xiàn)行的無縫線路設(shè)計(jì)方案已采用了類似精細(xì)-均衡的理念進(jìn)行設(shè)計(jì).以高速鐵路長大橋上無砟軌道鋪設(shè)無縫線路為例[27]，為克服溫度效應(yīng)引起的梁-軌相互作用復(fù)雜、橋梁伸縮撓曲變形大等問題，研究人員從改善軌道與長大橋梁的適應(yīng)性入手[28]，采用減小梁-軌間相互作用[29-31]的方式實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)均衡受力.通過對梁-軌相互作用的精細(xì)模擬與分析，采用小阻力扣件和“兩布一膜”滑動層等無縫線路設(shè)計(jì)方案，既能為無縫線路提供一定的約束力，又不致梁-軌相互作用過大，有效解決了長大橋梁無砟軌道無縫線路在復(fù)雜溫度環(huán)境下與下部基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)問題，也體現(xiàn)了精細(xì)-均衡理念中對“度”的把握.

同樣，精細(xì)-均衡理念也體現(xiàn)在無縫道岔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中.無縫道岔是跨區(qū)間無縫線路的關(guān)鍵技術(shù)，由于道岔前端和后端的軌條數(shù)量不同，其溫度力的不平衡和位移的改變直接影響高速道岔的安全使用.為避免過大的溫度力及相對變形，避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、強(qiáng)度破壞、轉(zhuǎn)換卡阻等安全問題，大號碼無縫道岔采用了尖軌及其跟部基本軌處設(shè)置限位器的結(jié)構(gòu).限位器由子母塊結(jié)構(gòu)組成，子母塊間存在一定間隙，見圖3.當(dāng)溫度力較大時(shí)，既可以通過一定的伸縮降低溫度力來保持結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，又可以避免位移過大影響道岔結(jié)構(gòu)的平順性[32].這種更為均衡的設(shè)計(jì)，大大提高了道岔對復(fù)雜氣候的適應(yīng)性，徹底解決了道岔無縫化的技術(shù)瓶頸，保障了高速鐵路的高平順性.

2.2 無砟軌道方面

無砟軌道利用混凝土等水泥基材代替了碎石道砟，具備了更強(qiáng)的穩(wěn)定性，但在服役過程中與外部復(fù)雜氣候條件(尤其是溫度)的適應(yīng)性以及與復(fù)雜下部基礎(chǔ)(路、橋、隧)的協(xié)調(diào)性問題更為突出.

圍繞結(jié)構(gòu)與復(fù)雜溫度環(huán)境的適應(yīng)性問題，目前無砟軌道開展了許多針對性的設(shè)計(jì)，尤其在結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)方面做了大量工作，同時(shí)部分設(shè)計(jì)也與均衡的理念不謀而合.如在我國研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CRTSⅢ型板式無砟軌道，選擇在底座上方鋪設(shè)如圖4所示的土工隔離層，改變了上下結(jié)構(gòu)間的“硬性”黏結(jié)，既對結(jié)構(gòu)的溫度梯度效應(yīng)有一定的放散作用，又減少了因?qū)娱g結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大導(dǎo)致的損傷破壞，也易于維修，增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性[33-34]；同樣地，考慮到無砟軌道底座溫度效應(yīng)較軌道板低，CRTSⅢ型板式無砟軌道在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了軌道板單元，底座則按一定長度縱連的結(jié)構(gòu)形式，既保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又能夠適應(yīng)復(fù)雜溫度環(huán)境，體現(xiàn)了對“度”的把握，保證了無砟軌道整體在復(fù)雜溫度下的均衡穩(wěn)定[35].

在實(shí)際工程中也有未遵循精細(xì)-均衡分析理念的案例.如在無砟軌道應(yīng)用之初，CRTSⅡ型板式無砟軌道采用了板間相互縱連成整體的全縱連結(jié)構(gòu).在夏季持續(xù)高溫下，CRTSⅡ型板式無砟軌道內(nèi)部溫度力無法得到釋放，并集中在結(jié)構(gòu)薄弱或突變位置，破壞了結(jié)構(gòu)受力的均衡性，最終軌道整體出現(xiàn)受壓并隨之拱起，如圖5所示.軌道板上拱病害嚴(yán)重影響了高鐵線路的安全平穩(wěn)運(yùn)營，部分線路不得不進(jìn)行限速處理[36].

目前針對軌道板上拱問題，主要采用植筋[37]、注漿[38]等維護(hù)措施，旨在加強(qiáng)軌道板垂向上的約束，但這類“捆綁”式的維護(hù)方式，是以“堵”為主，而不是以“疏”和“堵”相結(jié)合的均衡處理，對整體結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的影響還有待商榷[39-40].

2.3 有砟軌道方面

有砟軌道是由道砟組成的散體結(jié)構(gòu)，在服役過程中，有砟軌道主要應(yīng)關(guān)注結(jié)構(gòu)自身均衡性問題以及與周邊結(jié)構(gòu)(下部基礎(chǔ))的適應(yīng)性問題.如車輛等動載作用下，有砟道床的道砟顆粒間相互錯動擠壓，道砟破碎粉化現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[41].這種現(xiàn)象在橋上、隧道內(nèi)及過渡段更易出現(xiàn)，路橋、橋隧過渡段的剛度改變，橋梁本身基礎(chǔ)剛度的增大以及道砟顆粒與基礎(chǔ)的剛性接觸等都使得道砟破碎、粉化現(xiàn)象更為顯著，最終反映為道床的整體劣化和車輛運(yùn)行品質(zhì)下降，形成惡性循環(huán).為解決這一問題，研究人員在道床內(nèi)引入包括道砟墊、聚氨酯道床等結(jié)構(gòu)以提高彈性[42]，在有砟道床結(jié)構(gòu)內(nèi)部緩和了顆粒間的相互作用，外部減小了道床與下部基礎(chǔ)間的剛度差異及剛性接觸[43]，提高了道床與基礎(chǔ)間的協(xié)調(diào)性[44-45]，最終達(dá)到有砟軌道整體在復(fù)雜服役環(huán)境中的受力均衡.

2.4 輪軌關(guān)系方面

輪軌關(guān)系，又稱輪軌動態(tài)接觸關(guān)系.它反映了車輪與鋼軌之間的動力相互作用，是車輛-軌道耦合動力學(xué)研究的核心問題[46-47].若輪軌關(guān)系在實(shí)際中得不到一個較為合理的匹配，將導(dǎo)致車輪/鋼軌異常磨耗、使用壽命降低，嚴(yán)重時(shí)還易導(dǎo)致安全事故[48].

為解決軌道工程與上部車輛間的匹配問題，研究者在輪軌硬度、廓形等匹配問題[49-50]上進(jìn)行了大量的研究.如在我國重載鐵路運(yùn)營早期，為改善鋼軌磨耗問題，增強(qiáng)了軌頭硬度[51-52]，但過高鋼軌硬度又導(dǎo)致了嚴(yán)重的車輪凹磨[53].

研究表明，當(dāng)輪軌硬度比過小時(shí)，即車輪硬度較低、鋼軌硬度較高時(shí)，車輪易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的凹磨或多邊形病害，鋼軌更易傾向于接觸疲勞損傷，表現(xiàn)為魚鱗紋、擦傷等傷損形式，影響列車運(yùn)行安全[54].當(dāng)輪軌硬度比過高時(shí)，即車輪硬度較高、鋼軌硬度較低時(shí)，車輪會出現(xiàn)剝離等傷損形式[55]，而鋼軌傾向表現(xiàn)為側(cè)磨或波磨.良好的輪軌硬度匹配是在磨耗和接觸疲勞傷損之間找到一個均衡的“度”[56]，使其自身更好地適應(yīng)運(yùn)營環(huán)境，這也與均衡理念所提倡的做法相吻合.

同樣的問題也出現(xiàn)在輪軌的型面匹配中.如在實(shí)際工程中，通過等效錐度等指標(biāo)[57]調(diào)整廓形.但等效錐度調(diào)整得過大時(shí)，鋼軌光帶變寬，構(gòu)架橫向加速度報(bào)警[58-59]，而等效錐度調(diào)整得過小后又帶來車體橫向加速度報(bào)警、鋼軌光帶過小等問題，見圖6.因此，廓形匹配也同樣需遵循一個合適的“度”，保證輪與軌在接觸狀態(tài)上的平衡，過大或過小的調(diào)整都會造成不良的匹配關(guān)系[60].

2.5 軌道減振降噪方面

列車運(yùn)行時(shí)，輪軌間的剛性滾動接觸勢必將產(chǎn)生較大的振動與噪聲并通過軌道結(jié)構(gòu)傳遞至周圍環(huán)境中，為鐵路帶來減振降噪問題.

目前，從軌道結(jié)構(gòu)自身角度開展減振設(shè)計(jì)已成為主流減振手段之一.在實(shí)際工程中，逐漸發(fā)展出阻尼鋼軌、靜音鋼軌、減振扣件[61]、減振墊、鋼彈簧浮置板等多種類型的減振軌道.但部分工程對均衡思想下的減振設(shè)計(jì)考慮不周，反而給軌道工程帶來新的問題.如部分線路為了減振，過多采用降低扣件剛度的方式，導(dǎo)致整體系統(tǒng)剛度匹配不合理，且自身固有振動特性[62]也發(fā)生了改變，從而造成線路出現(xiàn)了不同程度的異常波磨[63]，車輛行經(jīng)波磨區(qū)段后出現(xiàn)異常振動、嘯叫，反而惡化了運(yùn)營環(huán)境.調(diào)和扣件減振性能和軌道整體服役性能之間的矛盾，把握兩者的平衡，是本文所提出的精細(xì)-均衡理念所重點(diǎn)關(guān)注的問題.

綜上所述，在軌道工程的現(xiàn)場實(shí)踐中，精細(xì)化已為大家所接受并廣泛采用；在均衡分析方面，已有許多案例有意識或無意識地應(yīng)用了該理念去解決各類服役問題，并取得了良好的效果.現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)也表明，解決問題時(shí)忽視系統(tǒng)內(nèi)各因素的均衡性，僅采用“頭痛醫(yī)頭”策略或機(jī)理不清的條件下開展盲目設(shè)計(jì)與維修，反而會為整體系統(tǒng)引入新的問題.未來軌道工程的發(fā)展，必須在精細(xì)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上追求系統(tǒng)的均衡性.

3 精細(xì)-均衡分析理論的具體內(nèi)涵

對未來的軌道工程，要保證軌道工程全壽命周期下長期穩(wěn)定的服役性能，需要一個更為科學(xué)、系統(tǒng)的分析理論，加大軌道工程精細(xì)-均衡理論的研究具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義.

將精細(xì)均衡的理念轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的軌道工程精細(xì)-均衡分析理論，首先需要明確“精細(xì)化”與“均衡性”的涵義.

3.1 理論中的“精細(xì)化”內(nèi)涵

1)荷載、結(jié)構(gòu)參數(shù)更加精細(xì).

進(jìn)行荷載、結(jié)構(gòu)參數(shù)的精細(xì)化是軌道工程精細(xì)化分析的前提.軌道工程在服役過程中受到氣候、地質(zhì)等因素的影響，因此在分析時(shí)首先需要明確這些外部因素的影響，具體而言，就是明確軌道工程在全壽命周期內(nèi)承受的各類荷載.選取準(zhǔn)確及詳盡的荷載參數(shù)是明確軌道工程外因影響的基礎(chǔ).在確保荷載參數(shù)真實(shí)、可靠的同時(shí)，還應(yīng)區(qū)分荷載對軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的影響程度.此外，軌道工程是由多種材料結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合土工構(gòu)筑物，在分析時(shí)需要明確主體結(jié)構(gòu)、細(xì)部結(jié)構(gòu)及其他附屬結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)及部件參數(shù)的細(xì)節(jié)上更為精細(xì)化.

2)理論模型與分析方法更為精細(xì).

軌道工程更為細(xì)致的分析需要更精細(xì)的理論模型來進(jìn)行支撐.實(shí)際上，在軌道工程的發(fā)展過程中，軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論也向著精細(xì)化趨勢不斷發(fā)展.如無砟軌道設(shè)計(jì)理論模型經(jīng)歷了最初的彈性地基梁模型—梁-板-板分析模型—空間精細(xì)化分析模型[33]；設(shè)計(jì)模式由單一的靜力設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧瓤紤]靜力設(shè)計(jì)，又包含考慮運(yùn)營不平順的聯(lián)合動力設(shè)計(jì)模式；隨著軌道結(jié)構(gòu)中更多特殊部件的加入，設(shè)計(jì)內(nèi)容也越來越關(guān)注各類細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).

3)評估方法、指標(biāo)更加精細(xì).

在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造并轉(zhuǎn)入服役期的過程中，結(jié)構(gòu)性能評估是十分重要的.整體系統(tǒng)的服役狀態(tài)受到各方面的影響，這就需要研究人員考慮多方面因素，尋求綜合性的方法及指標(biāo)來評價(jià)軌道工程在全壽命周期下的真實(shí)服役狀態(tài)；而評估范圍也不僅僅局限于軌道結(jié)構(gòu)的受力變形等力學(xué)性能，經(jīng)濟(jì)性、可維修性等同樣值得人們關(guān)注.發(fā)展精細(xì)化的評估方法與指標(biāo)，可以保證研究人員實(shí)時(shí)掌握軌道工程的近遠(yuǎn)期服役狀態(tài)，還可反演優(yōu)化既有軌道工程結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全壽命周期下的軌道工程服役性能最優(yōu).評估方法、指標(biāo)的精細(xì)化是確保軌道工程精細(xì)化分析結(jié)果最優(yōu)化的有效手段.

綜上所述，軌道工程精細(xì)-均衡分析理論中的“精細(xì)化”，是指對軌道工程進(jìn)行全面而細(xì)致的分析，使得設(shè)計(jì)過程最大限度地還原現(xiàn)場真實(shí)情況，最優(yōu)地適應(yīng)運(yùn)營環(huán)境，具體應(yīng)用時(shí)也不致出現(xiàn)過大偏差.

3.2 理論中的“均衡性”內(nèi)涵

由軌道工程的現(xiàn)場應(yīng)用情況可看出，在解決問題時(shí)簡單的“頭痛醫(yī)頭”、“腳痛醫(yī)腳”并不能帶來良好的效果，需要從全局、協(xié)調(diào)的視角去看待軌道工程的服役性能.因此，僅依靠精細(xì)化分析還無法滿足軌道工程全壽命周期下長期服役需求，還需結(jié)合軌道工程所面臨的共性問題，從均衡的角度展開分析.

1)軌道工程與外部環(huán)境的均衡性.

軌道工程與外部自然環(huán)境的均衡性，是指軌道工程在全壽命周期需要具有適應(yīng)復(fù)雜外部自然條件的能力.如能夠適應(yīng)長期溫度循環(huán)變化，能夠抵抗較弱泥石流、地震等自然災(zāi)害不致出現(xiàn)重大破壞.促進(jìn)軌道工程與外部自然環(huán)境的均衡，也與3.3.1節(jié)所述的荷載參數(shù)精細(xì)化息息相關(guān).

2)自身結(jié)構(gòu)、材料間的均衡性.

軌道工程從自身性質(zhì)上來說是一個多種材料復(fù)合、多層結(jié)構(gòu)互相協(xié)調(diào)的工程構(gòu)筑物.軌道結(jié)構(gòu)多種結(jié)構(gòu)、材料間的均衡性，指的是內(nèi)部不同屬性的土工材料之間能夠協(xié)同工作，既有微觀的因素，也要考慮宏觀的角度，如鋼筋與混凝土間的緊密黏合，限位凸臺與樹脂墊層的緩沖配合等.通過自身結(jié)構(gòu)的均衡設(shè)計(jì).最終達(dá)到工程結(jié)構(gòu)自身在剛度、硬度、變形等服役屬性上的協(xié)調(diào)過渡，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定.

3)結(jié)構(gòu)在全壽命周期下的均衡性.

軌道工程自身結(jié)構(gòu)與材料隨著時(shí)間增長其劣化效應(yīng)不可避免.以無砟軌道為例，設(shè)計(jì)使用年限為60年，但在外部多荷載場作用下，組成其結(jié)構(gòu)的水泥基復(fù)合材料自身及界面區(qū)性能隨時(shí)間不斷演變，微裂紋、微缺陷等不斷發(fā)展，最終反映到結(jié)構(gòu)在宏觀層面的整體性能劣化，大大影響到結(jié)構(gòu)壽命.在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究多場耦合作用下軌道工程關(guān)鍵材料與結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間的演變規(guī)律，分析并建立材料、結(jié)構(gòu)在全壽命周期下的均衡保障方法，可以最大限度地提升軌道結(jié)構(gòu)的長期安全服役性能.

4)與周邊結(jié)構(gòu)相互作用的均衡性.

軌道工程與周邊結(jié)構(gòu)存在著一些界面，如支承層與基床層間、輪軌接觸界面等.軌道工程在服役過程中通過這些界面與周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行交互.軌道工程與周邊結(jié)構(gòu)相互作用的均衡要求有：與上部車輛間注重輪軌關(guān)系的匹配；與復(fù)雜下部基礎(chǔ)間協(xié)調(diào)適應(yīng)；曲線、道岔等縱向線形或特殊結(jié)構(gòu)能合理過渡等.

綜上，軌道工程精細(xì)-均衡分析理論中的“均衡性”，是指全壽命周期下軌道在復(fù)雜服役環(huán)境中自身結(jié)構(gòu)服役性能均衡穩(wěn)定、與周邊結(jié)構(gòu)能夠和諧相處.

總之，軌道工程精細(xì)-均衡分析理論，是在精細(xì)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，克服內(nèi)外共性問題對軌道服役狀態(tài)的不利影響，保障全壽命周期下軌道工程協(xié)調(diào)、穩(wěn)定服役，達(dá)到軌道工程與整體服役環(huán)境的和諧相處.精細(xì)化是該理論的必要手段及實(shí)施基礎(chǔ)，均衡則是軌道工程最優(yōu)狀態(tài)的保障及發(fā)展最終目的，是更高需求下的新設(shè)計(jì)理念.

4 精細(xì)-均衡分析理論應(yīng)用初探

在具體實(shí)施軌道工程精細(xì)-均衡分析理論時(shí)，需根據(jù)軌道工程全壽命周期下的設(shè)計(jì)服役過程，系統(tǒng)考慮參數(shù)研究、建模分析、結(jié)構(gòu)評估等環(huán)節(jié)，建立起一個統(tǒng)一的分析、檢算理論分析體系，發(fā)展合理科學(xué)的評估方法及設(shè)計(jì)、檢算指標(biāo)，使得理論具有良好的可操作性.

結(jié)合精細(xì)化與均衡性的內(nèi)涵，提出了精細(xì)-均衡分析理論.首先詳盡分析軌道工程全壽命周期內(nèi)所涉及的服役因素；在此基礎(chǔ)上建立精細(xì)化的分析模型，通過模型對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形進(jìn)行檢算；檢算合格后，獲取結(jié)構(gòu)廣義系統(tǒng)能量特征，結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法提出合理的評估指標(biāo)；最后通過各種因素的影響規(guī)律分析，對方案均衡性進(jìn)行評估，輸出最優(yōu)的軌道結(jié)構(gòu)方案.

根據(jù)圖7流程，可將理論的建立分為以下階段.

4.1 結(jié)構(gòu)服役因素分析

首先明確全壽命周期下軌道結(jié)構(gòu)與服役環(huán)境的影響因素，包括：軌道工程全壽命周期的外部自然環(huán)境因素；軌道工程自身材料、尺寸、層間復(fù)合關(guān)系等結(jié)構(gòu)因素；軌道工程與周圍結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系.外部自然環(huán)境因素具體體現(xiàn)為溫度、基礎(chǔ)變形等外界荷載；后兩者則具體表現(xiàn)為建模時(shí)對結(jié)構(gòu)方案的精細(xì)化還原.通過對各類因素的相關(guān)性分析，確定各因素對軌道工程整體服役性能的影響程度，劃分相應(yīng)的層次及權(quán)重.如當(dāng)自身某一結(jié)構(gòu)部位的精細(xì)化程度在力學(xué)分析過程中對主要研究對象的影響很小時(shí)(不超過5%)，可有選擇地降低其在模型中的精細(xì)化權(quán)重，采用相對簡潔的建模方式提高計(jì)算效率.

4.2 研究對象的建模及邊界的確定

在明確軌道結(jié)構(gòu)與服役環(huán)境的影響因素后，需要對軌道工程進(jìn)行精細(xì)化建模.但建模的精細(xì)化并不意味著建立一個龐大而繁瑣的模型，而是根據(jù)研究對象以及荷載效應(yīng)影響范圍，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適度地精細(xì)化，即對研究對象主體精細(xì)化建模，對耦合關(guān)系較弱的因素進(jìn)行簡化.而這種適度的精細(xì)化會帶來各研究對象與整體模型間的連接問題，因此需要尋找合適的邊界界面和連接條件，為整體系統(tǒng)建模的進(jìn)一步融合奠定基礎(chǔ).在確定建模范圍及界面條件后，需要對整體及部件系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化建模，建模既包含靜、動態(tài)模型，也包含瞬時(shí)與長期演變過程，以滿足全壽命周期的分析要求.

4.3 基于系統(tǒng)能量的結(jié)構(gòu)均衡性分析

為滿足軌道工程服役性能在全壽命周期內(nèi)的整體均衡這一更高目標(biāo)、更高層次的要求，還需對結(jié)構(gòu)方案的均衡性進(jìn)行分析.建模完成及參數(shù)分析后，在滿足強(qiáng)度及變形要求的前提下，引入廣義系統(tǒng)能的概念，綜合考慮應(yīng)力-應(yīng)變、力-位移、內(nèi)部-外部、靜力-動力等能量的組成關(guān)系，利用系統(tǒng)總能、能密度等構(gòu)造相應(yīng)的能量表征；之后分別從軌道主體部件自身(包括材料、結(jié)構(gòu)屬性等)和特殊位置(結(jié)構(gòu)的尺寸過渡區(qū)、不同結(jié)構(gòu)層連接區(qū)、復(fù)雜荷載作用敏感區(qū)等)兩個方面分析結(jié)構(gòu)廣義系統(tǒng)能的空間分布特征，并結(jié)合一定的統(tǒng)計(jì)分析方法，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能進(jìn)行空間分布差異程度及趨勢分析，研究能量分布的均衡性.在此基礎(chǔ)上，基于一定原則(如全壽命周期下的整體系統(tǒng)能量最小)對軌道工程開展最優(yōu)化設(shè)計(jì).

4.4 結(jié)構(gòu)綜合檢算、評估方法研究

對于軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或維修方案，首先利用上述建立的精細(xì)化分析模型與均衡性分析方法，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)-均衡分析，并研究各種影響因素改變后的均衡性變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的能量檢算指標(biāo)及評估閾值，從而檢算、評估并優(yōu)化方案.如為保障無砟軌道結(jié)構(gòu)配筋更好地適應(yīng)車輛、溫度等復(fù)雜服役環(huán)境，筆者在滿足配筋率等基本設(shè)計(jì)要求下，對配筋方案精細(xì)建模，通過對鋼筋直徑、間距等細(xì)部參數(shù)的調(diào)整，提出了多種軌道板配筋方案；在此基礎(chǔ)上基于應(yīng)變能密度變化特征，構(gòu)造了綜合指數(shù)作為配筋方案評價(jià)指標(biāo)，通過對綜合指數(shù)峰值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等量化指標(biāo)的計(jì)算對無砟軌道縱橫垂空間受力變形的均衡性、傳遞性、動態(tài)演變規(guī)律等進(jìn)行校核，得到了更優(yōu)的配筋布設(shè)方案.

綜合來看，相對容許應(yīng)力法等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論、方法，精細(xì)-均衡分析理論在服役因素的考量上更為系統(tǒng)全面；對模型的系統(tǒng)程度和精細(xì)化水平也提出了更高的要求；評估手段也不局限于原有的變形強(qiáng)度指標(biāo)，而是追求更高層次的均衡性目標(biāo).相信在軌道工程的全壽命周期管理中，本文提出的精細(xì)-均衡分析理論將會具備更大的優(yōu)勢.

5 結(jié)論

基于軌道工程的發(fā)展趨勢及所面臨的共性問題，結(jié)合工程實(shí)際需求提出了面向軌道工程的精細(xì)-均衡理念，并初步探索了精細(xì)-均衡分析理論及其應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

1)軌道工程在精細(xì)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，更應(yīng)注重均衡的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)自身與服役環(huán)境結(jié)構(gòu)間的和諧匹配、協(xié)調(diào)適應(yīng)等目標(biāo).

2)軌道工程已在部分案例中不自覺地應(yīng)用了精細(xì)-均衡的理念，均取得了良好的效果.在實(shí)際工程中也存在未注重均衡性而導(dǎo)致的教訓(xùn).

3)軌道工程精細(xì)-均衡分析理論中，精細(xì)化是理論的必要手段及實(shí)施基礎(chǔ)，均衡則是軌道工程發(fā)展最終目的.

4)在軌道工程服役因素全面分析和結(jié)構(gòu)精細(xì)建模的基礎(chǔ)上，可引入廣義系統(tǒng)能的概念對結(jié)構(gòu)進(jìn)行均衡性分析及性能評估，從而優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu).

綜上所述，本文提出的軌道工程精細(xì)-均衡分析理論，旨在促進(jìn)軌道工程整體與細(xì)部、上部車輛與下部基礎(chǔ)、周邊服役環(huán)境的和諧統(tǒng)一，為軌道工程長期安全服役性能提供重要保障.但目前軌道工程精細(xì)-均衡分析理論體系的相關(guān)研究還屬于起步階段，在具體的分析指標(biāo)參數(shù)、分析方法等方面，都值得進(jìn)一步地研究.隨著理論的深入開展，勢必會促進(jìn)軌道工程由單一強(qiáng)度、變形控制向精細(xì)-均衡分析模式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，推動軌道工程分析理論體系向更高層次發(fā)展，為我國高鐵、城軌及重載領(lǐng)域的發(fā)展提供保障，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)的設(shè)計(jì)及維護(hù)，避免過度設(shè)計(jì)、過度維修和盲目維修.同時(shí)，筆者也希冀未來這種“精細(xì)-均衡”的理念能在更多領(lǐng)域、更多結(jié)構(gòu)中有所發(fā)展，發(fā)揮其應(yīng)有的積極作用.