韋強文,朱勝陽,羅 俊

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,成都 610031)

1 概述

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國自行研制，具有完全自主知識產權和領先技術水平的高速鐵路軌道技術。該軌道較好地兼顧了軌道彈性、結構耐久性及經濟合理性等要求，被廣泛應用于我國高標準高速鐵路線路中[1-3]。CRTSⅢ型板式無砟軌道包含了鋼軌、軌道板、自密實混凝土層和混凝土底座板等結構，其中軌道板和自密實混凝土層之間通過設置連接鋼筋和前后澆筑方法實現緊密連接。在服役過程中發(fā)現，由于兩者材料、結構特性的差異以及外部環(huán)境的侵蝕，在列車荷載和溫度荷載作用下，容易造成兩者連接分離，形成層間離縫。離縫是CRTS Ⅲ型板式無砟軌道一種常見病害，嚴重影響軌道結構的整體性和耐久性，在離縫劣化嚴重時，還將危及行車安全平穩(wěn)性[4]。

對于離縫劣化機理，應用內聚力理論模型建立的損傷本構關系較好地反映板間離縫的損傷力學行為[5]，因此，在這一模型的基礎上，板式軌道離縫原因、損傷發(fā)展規(guī)律及損傷導致結構上拱變形等問題得到了較為充分的研究[6-9]。對于離縫引發(fā)車輛-軌道系統(tǒng)振動特性的影響分析，楊政[10]基于有限元理論，考慮車輛荷載和溫度荷載影響，對位置和尺寸不同的離縫工況進行研究；曾志平[4]將未離縫工況與板邊離縫工況對比，揭示板邊離縫對軌道結構動力特性的影響規(guī)律；婁平等[11]考慮了車輛和溫度荷載組合差異以及離縫長度和寬度的影響，分析離縫對CRTSⅢ型軌道結構受力變形的影響；劉平等[12]則分析板端離縫長度對系統(tǒng)動力響應的影響，并關注于結構的耐久性，提出板端離縫長度的維修限值。對于CRTSⅢ型軌道層間離縫防治，文弋戈等[13]通過現場調查以及現場試驗分析了層間離縫的形成原因，并建立簡化力學模型研究離縫注漿修復材料的材料特性對軌道板結構受力的影響，結果表明，提高修復材料強度可有效提高結構抵抗變形能力；練興平等[14]通過現場測試數據，分析晃車與離縫的關聯性，并提出了離縫注漿修復的有效整治工藝方法。

在既有研究中，針對CRTSⅢ型板式無砟軌道的層間離縫問題，開展了劣化機理、損傷危害和防治等方面的深入研究，有力支撐了既有設計高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道的工程應用和科學管理。但目前研究大多針對時速350 km及以下的速度條件，對時速350 km以上速度條件下的離縫現象問題研究較少，而發(fā)展時速400 km及以上高速鐵路已成為高速鐵路發(fā)展的重要趨勢[15-17]。車輛-軌道系統(tǒng)動力學相互作用更為突出，軌道損傷對車輛-軌道系統(tǒng)動力學特性的影響規(guī)律發(fā)生改變[18-19]。因此，針對時速400 km高速鐵路亟待開展無砟軌道離縫的系統(tǒng)動力學研究，分析既有無砟軌道維修規(guī)范的適應性。對此，以自密實層與軌道板層間界面存在板邊離縫脫空的CRTSⅢ型板式無砟軌道為研究對象，如圖1所示。基于車輛-軌道耦合動力學理論，開展時速400 km條件下離縫擴張程度對車輛-軌道系統(tǒng)動力學特性的影響規(guī)律研究，為時速400 km高速鐵路無砟軌道養(yǎng)護維修工作提供重要理論支撐。

圖1 CRTSⅢ型軌道層間離縫

2 軌道層間離縫對系統(tǒng)動力學影響分析方法

2.1 車輛-軌道空間耦合動力學模型

為進行動力學分析，基于車輛-軌道耦合動力學理論，建立圖2所示的動力學計算模型。其中，車輛多剛體系統(tǒng)考慮車體、構架和輪對各自的沉浮、橫移、點頭、側滾和搖頭運動；軌道系統(tǒng)模擬為由鋼軌、軌道板和底座板組成的彈性阻尼振動模型，其中鋼軌、軌道板在垂向上分別以離散點支撐的簡支梁和自由薄板進行模擬；扣件和自密實混凝土層均模擬為彈性-阻尼單元。層間離縫脫空考慮具有較大離縫寬度而無接觸的離縫情況，因而，通過設置彈簧-阻尼單元失效進行模擬。輪軌法向力計算依據Hertz非線性接觸理論，輪軌力蠕滑力以Kalker線性理論計算，并按沈氏理論進行修正，參考已有輪軌關系計算方法和數值計算[20]。

圖2 車輛-軌道空間耦合動力學模型

2.2 工況設置

以標準軌道板P5600為研究對象，其平面尺寸如圖3所示。為分析不同板邊離縫工況對車輛-軌道系統(tǒng)的動力學影響，對軌道板與自密實混凝土層間的粘接界面，劃分成(9×17)個小區(qū)域，如圖4所示。板邊離縫按周向擴張形式進行研究，即粘接界面間的離縫從板邊區(qū)域1位置開始，按區(qū)域1、2、3、…、118、119、120順時針順序，逐漸由外向里擴張。其中，在橫向上，區(qū)域3、區(qū)域5和區(qū)域7所在橫向位置分別對應右軌軌下、板中和左軌軌下。以離縫范圍每增加1個新區(qū)域為1個分析工況，共計120個工況。如第n個工況表示區(qū)域1～n發(fā)生離縫，其中工況0表示未出現離縫的正常工況。對每一個離縫工況進行動力學仿真，仿真中以波長范圍2～200 m的中國高速無砟譜樣本作為軌道不平順激勵。

圖3 CRTSⅢ板式無砟軌道平面(單位：m)

圖4 軌道層間離縫工況設置

3 離縫對車輛系統(tǒng)動力特性的影響

軌道結構傷損對行車系統(tǒng)輪軌關系以及車輛運行動力性能影響規(guī)律，是提供損傷防治建議的重要依據。針對離縫劣化對輪軌動態(tài)相互作用的影響，圖5給出車速400 km/h下離縫工況1～工況120的輪軌垂向力響應曲線。每幅圖包括輪軌垂向力全時程響應曲線及其局部放大曲線，各工況輪軌垂向力均在靜輪重(57.38 kN)附近動態(tài)波動。離縫以周向順時針發(fā)展，以每周為1層，可分為3層。如第1層發(fā)生離縫對應工況48；1～1.5層的劣化過程表示離縫從工況49發(fā)展至工況69的過程，其他劣化過程含義依次類推。計算結果表明，從離縫開始發(fā)展至第1層完全離縫的過程，輪軌垂向力變化可忽略不計。相比于正常工況0，從第1層劣化至1.5層，輪軌垂向力動態(tài)波動幅度增大，最小值逐漸減小，輪重減載量可達 20 kN。

圖5 不同離縫劣化程度的輪軌垂向力

隨著離縫區(qū)域的擴張，輪軌垂向力波動幅度變大，當離縫在2.5～3層劣化時，輪軌垂向力較正常工況的波動幅度明顯增大。離縫工況105對應波動幅度增大42 kN，最大輪軌垂向力為110 kN，最小輪軌垂向力為6 kN，輪重減載現象明顯，當離縫發(fā)展至工況111后發(fā)生了輪軌分離。

離縫擴張對車輛運行安全性的影響規(guī)律如圖6所示，圖中縱坐標表示安全性指標最大值。由圖6可知，在工況88前輪重減載率的變化不大，在工況88之后輪重減載率開始增大，在工況110之后輪重減載率已超過安全限值0.8。脫軌系數在工況114前變化不明顯，而在工況114后輪重完全減載，脫軌系數為無窮大。

圖6 離縫對車輛運行安全性的影響

對于車輛系統(tǒng)動態(tài)響應，板邊離縫對輪對振動加速度影響顯著，其規(guī)律如圖7所示，圖中縱坐標表示輪對軸箱連接位置處的振動加速度最大值。由圖7可知，當離縫發(fā)展至軌下后，離縫進一步擴張會導致輪對加速度明顯增大，對軸箱等車輛部件產生不利影響。

圖7 離縫對輪對加速度的影響

圖8為不同工況下的車體垂向加速度最大值和垂向平穩(wěn)性指標。由圖8可知，在板邊離縫分析工況范圍內，車輛動態(tài)響應值變化幅度較??；板邊離縫對車體振動加速度和車輛運行平穩(wěn)性影響不大。

圖8 離縫對車輛動態(tài)響應的影響

4 離縫對軌道結構振動的影響

板間離縫作為典型無砟軌道結構傷損之一，當傷損發(fā)生時，將影響結構的整體性和剛度，從而改變動載作用下結構振動特性，進一步影響車輛-軌道系統(tǒng)的動態(tài)相互作用。因此，為研究時速400 km條件下，離縫對系統(tǒng)動力學特性影響，考慮離縫發(fā)展至軌下時已是影響行車安全的嚴重傷損狀態(tài)，取離縫工況1～88下的軌道結構振動響應進行分析。

圖9、圖10以增幅形式分別給出了不同車速條件下，離縫擴張時鋼軌垂向位移與垂向加速度最大值變化規(guī)律。圖中不等間距的豎向網格線分別對應9、25、33、48、55、69、75、88工況。其中，增幅是相對于無離縫正常工況而言，無離縫正常工況的軌道結構振動響應最大值如表1所示。

圖9 板邊離縫對鋼軌位移的影響

圖10 板邊離縫對鋼軌加速度的影響

表1 無離縫時軌道結構振動響應最大值

由圖9、圖10可見，隨著離縫區(qū)域擴張，鋼軌位移和加速度的整體變化趨勢類似，均呈逐漸增大趨勢，其中離縫對鋼軌加速度影響程度較鋼軌位移更為顯著。離縫沿板的橫向發(fā)展和縱向發(fā)展均會增大鋼軌的振動加速度和振動位移的幅值。離縫沿縱向發(fā)展時，主要影響與離縫位置同側的鋼軌振動響應，對另一側的鋼軌振動影響不大，如在車速400 km/h下，工況55～工況69的沿左側縱向劣化過程中，左軌位移的變化幅度增大約10%，而右軌位移的變化幅度基本不變。當離縫分布呈左右對稱(工況48和工況88)，左右鋼軌響應增幅相當。

對比不同車速的計算結果可知，在離縫僅發(fā)生于第1層時(工況1～工況48)，不同車速下鋼軌振動響應增幅基本相當；當離縫從外側擴張至第2層時(工況48～工況88)，車速400 km/h下鋼軌響應增幅明顯大于車速350 km/h對應響應增幅。

圖11為車速400 km/h時，離縫工況88對應的軌道板不同位置處垂向位移和垂向加速度的幅值。由圖11可知，軌道板板端振動響應最大，其余位置響應幅值普遍與正常無離縫工況的響應相當。可見對于軌道板，板邊離縫主要影響軌道板板端的振動響應。

圖11 軌道板不同位置的響應最大值

圖12根據軌道板板端響應結果，給出不同速度條件下，軌道板垂向位移和垂向加速度最大值隨離縫發(fā)展的變化規(guī)律。由圖12可知，隨著離縫的擴張，軌道板響應的增大發(fā)生于兩次離縫沿板端劣擴張過程，即工況1～工況10、工況49～工況55。由圖12可見，相比于沿縱向發(fā)展，離縫沿板橫向發(fā)展對軌道板振動響應影響更大。與鋼軌振動響應分析結果類似，當板邊離縫達到第2層時，在不同速度行車下離縫對軌道結構振動響應影響存在明顯差異，車速400 km/h下的影響較低速時更為顯著。相比車速350 km/h運行條件，車速400 km/h條件下軌道結構振動響應更大，更容易加速層間離縫發(fā)展。

圖12 板邊離縫對軌道板加速度的影響

綜上研究表明，在時速400 km條件下，離縫主要通過影響軌道結構振動特性進而影響輪軌相互作用關系，當離縫發(fā)展至軌下時，離縫劣化將影響車輛運行的安全性，此時應對損傷進行修補。由軌道板寬度尺寸2.5 m和軌距可知，離縫發(fā)展至軌下對應離縫深度約為500 mm。在既有高速鐵路維修規(guī)則[21]中，將砂漿層離縫傷損等級分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級，其中Ⅲ級傷損程度最嚴重，其對應離縫深度為“≥100 mm”。依據該維修辦法，深度大于500 mm的離縫可得到及時修補。關于無砟軌道離縫防治，既有線路維修標準適用于時速400 km高速鐵路。

5 結論

基于車輛-軌道耦合動力學，建立高速列車CRTSⅢ型板式無砟軌道動力學模型，分析時速400 km條件下，軌道板與自密實混凝土層間板邊離縫對系統(tǒng)動力特性的影響。主要結論如下。

(1)離縫對車體振動加速度及車輛運行平穩(wěn)性影響不大，但對輪軌動態(tài)作用力影響較大。當離縫發(fā)展至軌下時，輪重減載現象明顯，隨著離縫持續(xù)擴展，輪軌接觸狀態(tài)逐漸惡化，嚴重時可危及高速行車安全。

(2)軌道板存在離縫時會使得軌道板、鋼軌以及輪對振動響應幅值顯著提高，各響應增幅中，軌道板振動加速度的增幅最大。相比離縫沿縱向發(fā)展，離縫沿著橫向發(fā)展對軌道結構振動影響更大。

(3)在更高時速下，離縫會引起幅值更大的軌道結構振動響應，分析結果表明，既有高速鐵路維修標準對時速400 km高速鐵路仍具有較好的適應性。