郭宇良 孫軍 劉曉光 趙欣欣，4 楊全亮

1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心，北京100015；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；4.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室北京100081；5.中國國家鐵路集團有限公司，北京100844

高速鐵路運營期間部分區(qū)段出現(xiàn)路基沉降、隧底上拱、軌道板開裂等病害，線路需要架空維護以保證列車正常運行。左照坤等［1］研究了適用于無砟軌道線路的臨時架空裝置，該裝置以鋼墊梁作為架空主體，使列車在無砟軌道線路架空維護期間滿足45 km/h的通行要求。姚宏安［2］提出了一種施工便梁結(jié)構(gòu)方案，列車通過施工便梁的設(shè)計速度為60 km/h。郭相武［3］通過試驗分析了軌道結(jié)構(gòu)、施工便梁以及施工便梁支墩的動力特性。宣言［4］分析了重載鐵路隧道內(nèi)整治基床病害時架空線路的方法，研制出一種可在隧道內(nèi)架空線路的專用便梁結(jié)構(gòu)。Heinsen［5］使用有限元方法對鐵路臨時橋梁進行分析，探討可能使用跨度的合理組合，分析了臨時橋梁在緊急情況下的安全性。

現(xiàn)有架空技術(shù)研究都嘗試采用更高的列車限速，但我國高速鐵路架空維護期間列車限速都是采用普速鐵路限速標(biāo)準(zhǔn)45 km/h。本文選取新型鋼墊梁進行靜載試驗，分析鋼墊梁結(jié)構(gòu)的受力和變形，采用多體動力學(xué)仿真軟件分析40～120 km/h運行速度下線路的安全性和舒適性。

1 新型鋼墊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

我國現(xiàn)在多采用D型施工便梁、軌束梁、工字鋼梁等架設(shè)臨時線路［6-7］。針對高速鐵路CRTSⅡ型無砟軌道線路維修，2018年開始采用2根縱梁和6根橫梁的鋼墊梁，但是安裝時間長。2019年研制的新型鋼墊梁主要由2根縱梁、4根橫梁組成，見圖1。

圖1 新型鋼墊梁布置（單位：mm）

新型鋼墊梁總長6.3 m，兩個支座中心線相距5.2 m，支座中心線到梁端0.55 m。縱梁采用Q345qC鋼材，縱梁截面為變截面設(shè)計，梁兩端972 mm段寬530 mm，梁中間4 240 mm段寬730 mm，寬度過渡區(qū)采用直線過渡。腹板尺寸190 mm×24 mm保持不變?？v梁按一定間隔設(shè)置加勁肋，以提高新型鋼墊梁的穩(wěn)定性和抗扭性能。橫梁同樣使用Q345qC鋼材，采用高強螺栓與縱梁相連，橫梁由2根端橫梁和2根中間橫梁組成。

2 新型鋼墊梁結(jié)構(gòu)靜力仿真及靜載試驗

2.1 靜力仿真

采用有限元軟件建立新型鋼墊梁仿真模型，對荷載作用下鋼墊梁結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo)（縱梁1/2處最大豎向位移、梁端轉(zhuǎn)角和最大橫向位移）進行分析。

新型鋼墊梁各部件均采用實體單元，主體結(jié)構(gòu)材料采用Q345qC鋼材的參數(shù)，橫梁與加勁板使用TIE命令連接，支座尺寸與實際尺寸保持一致，支座上方橡膠承壓板剛度取2.5 MN/mm。

仿真結(jié)果表明：①在CRH3列車靜活載作用下新型鋼墊梁的縱梁1/2處最大豎向位移3.59 mm，未超出L/900（L為跨度5.2 m）的限值5.78 mm；梁端轉(zhuǎn)角為1.75‰rad，未超出3‰rad的限值。②在橫向搖擺力作用下新型鋼墊梁的縱梁部位最大橫向位移0.2 mm，未超出L/4 000的限值1.3 mm。可見，橫梁數(shù)量由6根減少為4根，從剛度方面來看可行。

2.2 靜載試驗

2.2.1 試驗概況

為驗證新型鋼墊梁實際力學(xué)性能，對其進行加載試驗。在加載點上放置分載梁，荷載由液壓加載器施加在分載梁上（圖2）。依據(jù)TB 10082——2017《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》設(shè)置荷載，荷載采用CRH3列車靜活載，按TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》布置。分6次加載，每次加載60 kN；每加一次荷載穩(wěn)定10 min，最后加載至360 kN時穩(wěn)定30 min。然后再分6次卸載，每次卸載60 kN；同樣每卸載一次穩(wěn)定10 min，全部卸完后空載穩(wěn)定30 min。

圖2 新型鋼墊梁加載示意

2.2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》中要求確定豎向變形限值：列車靜活載作用下梁體的豎向撓度不應(yīng)大于L/900，即限值為5.78 mm。

按TB 10002—2017中要求確定橫向變形限值：在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度荷載作用下，梁體的水平撓度不應(yīng)大于梁體計算跨度的L/4 000，即限值為1.3 mm。

按TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中要求確定Q345qC鋼材的容許應(yīng)力限值：彎曲容許應(yīng)力為210 MPa。

2.2.3 結(jié)果分析

新型鋼墊梁位移和應(yīng)力見圖3?？梢姡孩僭?～360 kN加載過程中，新型鋼墊梁的縱梁以及中間橫梁豎向位移和應(yīng)力整體上均呈線性變化；②靜活載作用下新型鋼墊梁的縱梁跨中、梁端最大豎向位移分別為3.51、0.77 mm，小于限值5.78 mm，最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分別為25.34、21.21 MPa，小于限值210 MPa；新型鋼墊梁的中間橫梁下翼緣最大拉應(yīng)力為3.22 MPa，小于限值210 MPa。

圖3 新型鋼墊梁豎向位移和應(yīng)力

CRH3列車靜活載作用下梁體豎向撓度試驗值與仿真值對比見圖4?？梢姡孩傩滦弯搲|梁縱梁1/2處的豎向撓度均小于限值5.78 mm；②試驗值略大于仿真值。這是由于試驗時新型鋼墊梁支撐條件與仿真時略有差異，而且仿真時列車靜活載以集中力施加，存在一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 梁體豎向撓度試驗值與仿真值對比

3 新型鋼墊梁動力仿真分析

架空維護期間列車限速提高后，列車通過時梁體所受到的沖擊力將會加大，其橫向、豎向剛度可能會不足。因此，使用多體動力學(xué)仿真軟件，分析40～120 km/h運行速度下線路的安全性和舒適性，從而驗證高速鐵路臨時架空維護期間列車限速提高的可行性。

3.1 車輛模型

建立整車模型，見圖5。車輛的輪對、轉(zhuǎn)向架以及車體均設(shè)置為剛性體，不同部件之間均采用彈簧和阻尼器連接。假定車輛勻速運行，車輪與軌道始終接觸，輪對、轉(zhuǎn)向架以及車體的振動均為小位移振動。車輛關(guān)鍵參數(shù)見表1。

圖5 車輛模型

表1 車輛關(guān)鍵參數(shù)

3.2 輪軌接觸

采用等效彈性法計算輪軌接觸幾何參數(shù)；采用Hertzian法計算輪軌接觸的法向力；采用Fastsim法計算輪軌接觸的切向力，假設(shè)接觸斑呈橢圓形，設(shè)置初始接觸斑的離散度為11。

3.3 新型鋼墊梁模型和軌道不平順激勵

新型鋼墊梁采用實體單元模擬，其模型見圖6。采用軌道不平順激勵，計算時不平順樣本序列全長100 m。軌向、高低不平順樣本見圖7。

圖6 新型鋼墊梁模型

圖7 軌向、高低不平順樣本

3.4 結(jié)果分析

列車以120 km/h通過時新型鋼墊梁縱梁1/2處豎向位移時程曲線見圖8。不同車速下新型鋼墊梁位移見表2。

圖8 列車以120 km/h通過時新型鋼墊梁縱梁1/2處豎向位移時程曲線

表2 不同車速下新型鋼墊梁位移

由圖8、表2可知：①列車以120 km/h通過時縱梁1/2處、梁端垂向位移最大，其值分別為2.619、0.644 mm，未超出限值5.78 mm；縱梁1/2處的橫向位移也最大，其值為0.023 mm，未超出限值1.3 mm。②車橋之間未產(chǎn)生明顯共振現(xiàn)象，但新型鋼墊梁在列車通行過程中出現(xiàn)上跳現(xiàn)象。說明隨著速度的提升，車輪的反復(fù)沖擊以及鋼軌的作用，可能引起了新型鋼墊梁的梁端位置偏移。建議架空維護期間利用天窗對新型鋼墊梁的梁端位置進行恢復(fù)，保證限速提升后的安全。

車輛動力學(xué)性能指標(biāo)和平穩(wěn)性指標(biāo)見表3?？芍孩俨煌囁傧旅撥壪禂?shù)均未超出限值0.80。列車的輪重減載率隨著車速增大而增大，車速80 km/h時輪重減載率小于限值0.65，車速120 km/h時輪重減載率超出限值。車體最大垂向、橫向加速度分別為0.610、0.386 m/s2，小于TB 10002—2017中1.3、1.0 m/s2的限值。②根據(jù)GB/T 5599—2019《機車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》中平穩(wěn)性指標(biāo)W的判定方法，五個車速下豎向平穩(wěn)性指標(biāo)最大為2.761，屬于3級（2.75＜W＜3.00），判定為合格；橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大為2.609，屬于2級（2.50＜W＜2.75），判定為良好。

表3 車輛動力學(xué)性能指標(biāo)和平穩(wěn)性指標(biāo)分析結(jié)果

4 結(jié)論

針對我國鐵路鋼墊梁架空維護期間列車限速低（45 km/h）的問題，研究采用新型架空技術(shù)將限速提高。

通過靜力仿真和靜載試驗，新型鋼墊梁的位移和應(yīng)力均滿足相關(guān)規(guī)范要求。從剛度方面來看，橫梁減少2根可行。通過多體動力學(xué)仿真分析，列車以80 km/h的速度通過時，新型鋼墊梁的位移以及列車的動力學(xué)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；列車以120 km/h的速度通過時，新型鋼墊梁位移和列車的脫軌系數(shù)、車體加速度、平穩(wěn)性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但輪重減載率超出限值?？梢?，新型鋼墊梁滿足80 km/h列車通行條件，因此建議高速鐵路鋼墊梁架空維護期間列車限速由45 km/h提高到80 km/h。