曹禮聰,楊長(zhǎng)衛(wèi),張建經(jīng),童心豪,張志方,曾鵬毅
(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都 610031;2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 科技管理部, 北京 100084)
地震會(huì)對(duì)列車的行車安全造成巨大威脅,2004年的日本新瀉地震、2008年的汶川地震及2010年的臺(tái)灣地區(qū)高雄地震均造成列車脫軌[1-3]事故。隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加,地震作用下的列車行車安全性顯得十分重要,其中脫軌系數(shù)是評(píng)價(jià)列車行車安全的重要指標(biāo)[4]。目前,關(guān)于車輛與軌道動(dòng)力相互作用研究主要集中在數(shù)值模型上。翟婉明[5]建立了完善的車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型;凌亮等[6]基于仿真計(jì)算對(duì)地震作用下列車安全運(yùn)行邊界進(jìn)行了討論分析;肖新標(biāo)等[7]利用El-Centro地震波數(shù)據(jù)研究了地震作用下列車的脫軌機(jī)理;俞正寬等[8]研究了地震烈度對(duì)高速行車安全性的影響,Miyamoto等[9]建立58自由度的三維簡(jiǎn)化車輛-軌道模型并分析了地震對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響;Tanabe等[10]基于數(shù)值方法解決了新干線列車的輪對(duì)動(dòng)力接觸;楊永斌等[11]考慮軌道的振動(dòng)建立了地震作用下車輛-軌道-橋梁動(dòng)力作用模型,得到了響應(yīng)行車安全區(qū)域。此外也有學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)地震作用下橋梁上列車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及列車行車安全性進(jìn)行了研究[12-13]。但數(shù)值研究中,將車輛模型、軌道模型和輪軌關(guān)系做了大量的簡(jiǎn)化,同時(shí)針對(duì)于輪軌接觸也未取得有效突破,這就造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有差別。原型試驗(yàn)或適度縮尺的模型試驗(yàn)可克服上述問(wèn)題,但原型實(shí)地測(cè)試由于地震偶發(fā)等原因較難實(shí)現(xiàn),因此模型試驗(yàn)是另一較好選擇。Miyamoto等[14]基于全比尺試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性并觀察到了輪對(duì)的跳軌現(xiàn)象;Nishimura等[15]基于縮尺的車輛模型驗(yàn)證了列車脫軌機(jī)制;魏峰等[16]基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)的列車預(yù)警閾值進(jìn)行了探討,但上述研究中均未考慮路基及軌道板的影響。
據(jù)此,本文開(kāi)展了列車-CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),試驗(yàn)中根據(jù)現(xiàn)行測(cè)試手冊(cè)測(cè)試輪對(duì)接觸點(diǎn)處鋼軌的橫向力及豎向力,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),本文探究列車在不同幅值地震作用下的脫軌特性,為后續(xù)深入研究提供一定參考。
試驗(yàn)主要研究列車-CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)在地震作用下的脫軌特性,路基原型為為京滬高鐵京(北京)—徐(徐州)施工段CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)路基,原型列車軌道板采用標(biāo)準(zhǔn)工廠預(yù)制高速鐵路CRTSⅡ型軌道板,原型鋼軌為60鋼軌,列車原型采用標(biāo)準(zhǔn)CRH380BL型動(dòng)車組。
試驗(yàn)在重慶大學(xué)MTS多功能地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)大廳進(jìn)行,該振動(dòng)臺(tái)具有6個(gè)自由度,臺(tái)面尺寸為6 m×6 m,最大載重量600 kN,最大位移:X向?yàn)椤?.25 m,Y向?yàn)椤?.25 m,豎向?yàn)椤?.25 m;最大速度:X向±1.20 m/s,Y向±1.20 m/s,豎向±1.00 m/s;臺(tái)面最大加速度:X向±1.5g,Y向±1.2g,豎向±1.0g;工作頻段0.1~50 Hz,采用電液伺服和數(shù)值控制,數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)信號(hào)和在線分析同步進(jìn)行。
在此次大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中,根據(jù)原型及試驗(yàn)設(shè)施等條件,本次試驗(yàn)的尺寸相似比為10,密度相似比為1,重力加速度相似比為1。以尺寸、加速度和密度作為控制參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo),通過(guò)π定理求解14個(gè)導(dǎo)出量黏聚力c、動(dòng)彈模E、內(nèi)摩擦角φ、動(dòng)泊松比μ、剪切波速Vs、輸入加速度A、持續(xù)時(shí)間Td、頻率ω、角位移θ、線位移s(應(yīng)保證Cs=CL)、響應(yīng)速度V、響應(yīng)加速度a、應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)诺南嗨瞥A?,具體結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 場(chǎng)地試驗(yàn)?zāi)P拖嗨瞥?shù)
模型路基根據(jù)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中路基尺寸和相似比換算而成,分層壓實(shí),以K30作為壓實(shí)控制參數(shù),路基高度為1.0 m,基床邊坡坡度1∶1.5,長(zhǎng)5.5 m;底座板為混凝土預(yù)制,尺寸為5 500 mm×315 mm×30 mm(長(zhǎng)×寬×高),平鋪路基表面中間,底座板地面嵌入土體1.5 cm;軌道板原型為CRTSⅡ型軌道板,模型尺寸為645 mm×255 mm×20 mm(長(zhǎng)×寬×高),軌道板與底座板之間通過(guò)AB膠強(qiáng)力固結(jié);軌下墊板為硬聚氯乙烯工廠預(yù)制而成,預(yù)留螺栓孔,軌下墊板與軌道板通過(guò)AB膠強(qiáng)力固結(jié),鋼軌與鋼軌墊板通過(guò)螺栓扣件連接;鋼軌原型為60鋼軌,模型軌距為14.35 cm;軌道扣件縱向阻力最大值為2.13 N/mm/軌;列車原型CRH380BL,模型尺寸為2 500 mm×320 mm×390 mm(長(zhǎng)×寬×高),輪對(duì)軌距1.74 m,轉(zhuǎn)向架軸距0.25 m,車重47.5 kg。模型制作過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行水平校驗(yàn)以滿足試驗(yàn)要求。
為測(cè)試地震荷載作用下輪軌接觸的橫向力和垂向力,試驗(yàn)中在模型鋼軌上粘貼應(yīng)變片,貼片方法參照TB/T 2489—2016《輪軌橫向力和垂向力地面測(cè)試方法》[18]進(jìn)行,接觸點(diǎn)共8處,每處包含軌腰垂向力、軌底上表面、軌底下表面。輪軌垂向力示意見(jiàn)圖1,輪軌橫向力見(jiàn)圖2。應(yīng)變片粘貼前對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨、劃線定位,粘貼過(guò)程中隨時(shí)測(cè)試應(yīng)變片以保證可用性。
圖1 輪軌垂向力示意圖(單位:mm)
圖2 輪軌橫向力示意圖(單位:mm)
由于應(yīng)變片測(cè)試出的結(jié)果為應(yīng)變值,為得到對(duì)應(yīng)的輪軌接觸橫向力和垂向力,需對(duì)應(yīng)變輸出結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定,根據(jù)標(biāo)定結(jié)果及地震波加載時(shí)的應(yīng)變時(shí)程曲線能計(jì)算出輪軌接觸的橫向力和垂向力。試驗(yàn)前預(yù)制了標(biāo)定所需的鋼軌扣件、導(dǎo)力裝置、荷載籃,橫向力標(biāo)定時(shí),先將扣件固定在輪軌接觸點(diǎn)處,使用鋼絲繩穿過(guò)導(dǎo)力裝置并連接扣件與荷載籃,安裝時(shí)需用水平尺保證扣件與導(dǎo)力裝置連接的鋼絲繩水平;垂向力標(biāo)定時(shí)于輪對(duì)接觸點(diǎn)及另一支點(diǎn)固定橫桿,于中點(diǎn)處懸掛荷載籃,標(biāo)定中使用靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)試應(yīng)變數(shù)據(jù)。
3號(hào)輪對(duì)坐接觸點(diǎn)處的標(biāo)定曲線見(jiàn)圖3,由圖3可知,根據(jù)試驗(yàn)得到的應(yīng)變值在標(biāo)定曲線上描點(diǎn),通過(guò)前后兩點(diǎn)進(jìn)行差值可得瞬時(shí)的輪軌力。
為探究系統(tǒng)的脫軌特性,本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)試輪軌接觸處的橫向力和垂向力,因此試驗(yàn)中使用的傳感器為應(yīng)變片。水平力測(cè)試在鋼軌上下表面兩個(gè)回路,測(cè)試為上表面水平力和下表面水平力,最終結(jié)果為其平均值,垂直力測(cè)試一個(gè)回路,一個(gè)橋路輸出需應(yīng)變片8個(gè),總應(yīng)變片用量為192個(gè),應(yīng)變數(shù)值輸出24個(gè),測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。
圖4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖
為研究高速鐵路動(dòng)車模型在地震作用下的脫軌特性,試驗(yàn)選取兩條不同特征的地震波,分別為中國(guó)地震局提供的鄭州黃河大橋橋址區(qū)域地震波(ZHQ)和CHY004地震波,其中ZHQ地震波原波EW向峰值為0.042 3g,V向峰值為0.028 1g,持時(shí)49.28 s,按相似比進(jìn)行壓縮處理后地震波持時(shí)為15.58 s,ZHQ地震波歸一化的時(shí)程曲線及傅里葉譜如圖5所示。
圖5 歸一化鄭州黃河橋橋址區(qū)域地震波時(shí)程及傅里葉譜
CHY004地震波原波EW向峰值為0.099 1g,V向峰值為0.040 8g,持時(shí)150 s,按相似比進(jìn)行壓縮處理后地震波持時(shí)為47.47 s,CHY004地震波歸一化的時(shí)程曲線及傅里葉譜見(jiàn)圖6。輸入地震波卓越頻率及幅值見(jiàn)表2。每個(gè)地震波工況加載前均對(duì)模型加載時(shí)間長(zhǎng)度為50 s、幅值為0.03g的高斯白噪聲激勵(lì)。
圖6 歸一化CHY004地震波時(shí)程及傅里葉譜
表2 試驗(yàn)加載地震波
1896年,Nadal首先根據(jù)爬軌車輪出現(xiàn)爬軌趨勢(shì)的靜力平衡條件,提出臨界脫軌系數(shù)Q/P的計(jì)算公式,其中,Q為輪軌橫向力,P為輪軌垂向力,并以此作為車輪開(kāi)始脫軌的評(píng)判準(zhǔn)則。許多國(guó)家根據(jù)各自的情況制定了不同的脫軌系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值。德國(guó)ICE高速列車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為Q/P<0.8;日本新干線提速試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也為Q/P<0.8;北美鐵路則規(guī)定Q/P<1.0。TB/T 2360—1993《鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[19]中規(guī)定脫軌系數(shù)的第一限度Q/P=0.6時(shí)為優(yōu),第二限度Q/P=0.8時(shí)為良,第三限度Q/P=0.9時(shí)為合格。TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中規(guī)定脫軌系數(shù)Q/P不應(yīng)大于0.8。在本模型試驗(yàn)中認(rèn)定當(dāng)脫軌系數(shù)達(dá)到0.8時(shí)輪對(duì)脫軌。
在Q/CR 633—2018《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件》[20]中規(guī)定地震后停車閾值為0.12g,試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)1號(hào)輪對(duì)和4號(hào)輪對(duì)脫軌系數(shù)最大,以加載地震波峰值為0.12g時(shí)1號(hào)、4號(hào)輪對(duì)為研究對(duì)象,分析此工況下輪對(duì)的脫軌特性。加載ZHQ-0.12g時(shí),1號(hào)輪對(duì)及4號(hào)輪對(duì)的脫軌系數(shù)時(shí)程曲線見(jiàn)圖7,由圖7可知,0.12g時(shí)輪對(duì)的最大脫軌系數(shù)出現(xiàn)在1號(hào)輪對(duì)右側(cè),脫軌系數(shù)為0.291,4號(hào)輪對(duì)左側(cè)脫軌系數(shù)也較大,為0.266,但脫軌系數(shù)都明顯小于0.8,不存在脫軌風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)各輪對(duì)出現(xiàn)最大脫軌系數(shù)時(shí)地震波強(qiáng)度較高,但各輪對(duì)的峰值脫軌系數(shù)所在時(shí)間并不一致,這也許與列車的振型相關(guān)。加載CHY004-0.12g時(shí),1號(hào)輪對(duì)及4號(hào)輪對(duì)的脫軌系數(shù)時(shí)程曲線見(jiàn)圖8,4號(hào)輪對(duì)左側(cè)脫軌系數(shù)(0.284)最大,1號(hào)輪對(duì)右側(cè)次之,脫軌系數(shù)峰值為0.224,各輪對(duì)脫軌系數(shù)峰值均明顯小于0.8,不存在脫軌風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)比圖7、圖8可知,當(dāng)加載同一幅值(0.12g)但特征周期不同的地震波時(shí),輪對(duì)最大脫軌系數(shù)峰值差別不大,所在輪對(duì)位置有差異,但均不存在脫軌風(fēng)險(xiǎn),可見(jiàn)對(duì)于列車-CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng),現(xiàn)行的列車停車閾值偏保守。
圖7 ZHQ-0.12g時(shí)1號(hào)輪對(duì)及4號(hào)輪對(duì)脫軌系數(shù)
圖8 CHY004-0.12g時(shí)1號(hào)輪對(duì)及4號(hào)輪對(duì)脫軌系數(shù)
為進(jìn)一步研究列車-CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)的臨界脫軌工況,在加載不同幅值ZHQ地震波時(shí)1號(hào)、4號(hào)輪對(duì)的脫軌系數(shù)峰值的變化規(guī)律見(jiàn)圖9,由圖9可知,隨著ZHQ地震波加載幅值增加,各輪對(duì)的脫軌系數(shù)峰值逐漸增大;在同一加載地震波幅值時(shí),不同輪對(duì)的脫軌特性差別明顯;加載同一類型地震波但幅值變化時(shí),輪對(duì)不同位置的脫軌特性會(huì)發(fā)生變化,如加載幅值在0.12g前后,4號(hào)輪對(duì)左側(cè)與1號(hào)輪對(duì)右側(cè)的脫軌系數(shù)峰值大小規(guī)律發(fā)生變化;同時(shí)當(dāng)加載地震波幅值為0.25g時(shí),1號(hào)輪對(duì)右側(cè)脫軌系數(shù)達(dá)到臨界脫軌系數(shù),可見(jiàn)加載ZHQ地震波時(shí)列車的臨界脫軌工況為0.25g。
圖9 1號(hào)輪對(duì)和4號(hào)輪對(duì)脫軌系數(shù)隨加載ZHQ地震波幅值變化曲線
在加載不同幅值CHY004地震波時(shí)1號(hào)、4號(hào)輪對(duì)的脫軌系數(shù)峰值的變化規(guī)律見(jiàn)圖10,由圖10可知,隨著CHY004地震波加載幅值增加,各輪對(duì)的脫軌系數(shù)總體上逐漸增大,但存在波動(dòng);同一加載地震波幅值時(shí),不同輪對(duì)的脫軌特性差別明顯;加載同一類型地震波但幅值變化時(shí),輪對(duì)不同位置的脫軌特性會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)當(dāng)加載地震波幅值為0.18g時(shí),4號(hào)輪對(duì)左側(cè)脫軌系數(shù)最大,且達(dá)到臨界脫軌系數(shù),可見(jiàn)加載CHY004地震波時(shí)列車的臨界脫軌工況為0.18g。
圖10 1號(hào)輪對(duì)和4號(hào)輪對(duì)脫軌系數(shù)隨加載CHY004地震波幅值變化曲線
試驗(yàn)中加載地震波的特性不一,ZHQ地震波Y向卓越頻率、Z向卓越頻率均大于CHY004的頻率,對(duì)比圖9、圖10可知,同一模型在加載不同特性地震波時(shí),脫軌特性差別較大,加載ZHQ地震波時(shí)臨界脫軌所在位置為1號(hào)輪對(duì)右側(cè),而加載CHY004地震波時(shí)臨界脫軌所在位置為4號(hào)輪對(duì)左側(cè),位置并不固定。同時(shí)加載CHY004地震波時(shí)列車的脫軌工況(0.18g)小于加載ZHQ地震波時(shí)臨界脫軌工況(0.25g),加載地震波卓越頻率越小,脫軌系數(shù)越大,這一現(xiàn)象也與Ju等[21]通過(guò)FEM建模的數(shù)值分析結(jié)果一致,造成上述現(xiàn)象的可能原因是CHY004地震波的主頻成分低于1 Hz,同時(shí)列車的第一固有頻率通常小于1 Hz,地震發(fā)生時(shí)列車可能的共振現(xiàn)象導(dǎo)致了更大的脫軌系數(shù)。
此外,在本試驗(yàn)中同時(shí)考慮了垂向地震波的加載,相較于只考慮橫向地震波的作用,這將導(dǎo)致輪對(duì)垂向力更大幅度的波動(dòng),從而導(dǎo)致更大脫軌風(fēng)險(xiǎn)。晉智斌等[22]通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了垂向地震波對(duì)脫軌安全性的影響,認(rèn)為垂向地震波對(duì)列車行車安全有負(fù)面效應(yīng),但影響較小。因此,列車脫軌同時(shí)受到橫向地震波和垂向地震波的雙重影響,橫向地震占主導(dǎo)地位。
由以上分析可以看出,列車的脫軌特性復(fù)雜,列車在加載上述不同地震波時(shí)臨界脫軌工況不同,但臨界值均大于Q/CR 633—2018《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件》[20]中的0.12g,可見(jiàn)現(xiàn)行規(guī)范偏保守,但考慮試驗(yàn)中加載地震波類型及數(shù)量有限,不能完全考慮其他未加載地震波特性時(shí)脫軌工況的差異,為保證列車行車安全,現(xiàn)行規(guī)范的保守具有其合理性。
本文基于加載ZHQ及CHY004兩種特性不同地震波的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究了列車-CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)在地震波作用下的脫軌特性,試驗(yàn)結(jié)果表明:
(1)現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定地震停車閾值為0.12g,模型在加載峰值為0.12g但特性不一的地震波時(shí),不同輪對(duì)脫軌系數(shù)峰值均小于0.8,列車最大脫軌系數(shù)所在輪對(duì)位置不一致,現(xiàn)行停車閾值偏保守。
(2)隨著加載地震波幅值增加,各輪對(duì)的脫軌系數(shù)峰值總體逐漸增大;在同一加載地震波幅值時(shí),列車不同輪對(duì)的脫軌特性差別明顯;加載同一類型地震波但幅值變化時(shí),輪對(duì)不同位置的脫軌特性會(huì)發(fā)生變化。
(3)同一模型在加載不同特性地震波時(shí),脫軌特性差別較大。試驗(yàn)中ZHQ地震波特征周期大于CHY004地震波特征周期,模型加載ZHQ地震波時(shí)臨界脫軌工況(0.25g)大于加載CHY004地震波時(shí)列車的脫軌工況(0.18g)。
(4)列車的脫軌特性復(fù)雜,試驗(yàn)中列車臨界脫軌工況均大于現(xiàn)行規(guī)范要求,考慮到試驗(yàn)中加載地震波類型及數(shù)量有限,現(xiàn)行停車閾值0.12g偏保守但具有合理性。