易強(qiáng) 尤瑞林 姜子清 劉浩

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，軌道結(jié)構(gòu)普遍采用的是高平順性、高穩(wěn)定性的無砟軌道結(jié)構(gòu)。雙塊式無砟軌道整體性好，成本相對(duì)較低，在我國(guó)高速鐵路無砟軌道線路中廣泛應(yīng)用，如武廣高鐵、貴廣高鐵、合福高鐵等［1］。雙塊式無砟軌道鋪設(shè)范圍廣，運(yùn)營(yíng)條件復(fù)雜，遇到極端天氣和突發(fā)災(zāi)害情況時(shí)，存在無砟道床被破壞甚至斷道的風(fēng)險(xiǎn)，影響高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無砟軌道病害產(chǎn)生原因、影響及整治技術(shù)研究較多，但對(duì)極端天氣和突發(fā)災(zāi)害引起的無砟道床傷損甚至斷道的突發(fā)情況鮮有研究，相關(guān)應(yīng)急搶修技術(shù)缺乏。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙塊式無砟軌道典型傷損的產(chǎn)生機(jī)制及其靜動(dòng)力影響進(jìn)行了廣泛研究，包括道床板裂紋［2-5］、道床板離縫［6］、軌枕與道床板黏結(jié)失效、軌枕開裂［7-8］等病害，并考慮了溫度［9］、基礎(chǔ)變形［10］、水壓力［11］等荷載條件。結(jié)果表明，道床板裂紋萌生后，混凝土應(yīng)力與縱向鋼筋應(yīng)力增大，但對(duì)行車性能影響較弱；軌枕與道床板間離縫以及軌枕傷損會(huì)導(dǎo)致鋼軌與道床板之間約束作用降低，列車荷載作用下局部支撐作用失效，軌道結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變，附加動(dòng)力作用增強(qiáng)。針對(duì)無砟軌道鋼軌局部約束系統(tǒng)失效問題，對(duì)彈條斷裂以及軌下墊層失效情況下高速列車的脫軌安全性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)小數(shù)量的軌下支撐連續(xù)失效即對(duì)高速列車運(yùn)行安全構(gòu)成極大威脅［12］。此外，扣件失效還會(huì)使相鄰位置扣件受力條件惡化［13］。道床板與軌枕塊層間傷損導(dǎo)致軌枕松動(dòng)后，無砟軌道整體性降低，軌枕與道床振動(dòng)位移與振動(dòng)加速度增大，同時(shí)可導(dǎo)致道床板損傷的發(fā)展［14］。雙塊式無砟軌道中軌枕對(duì)于扣件系統(tǒng)穩(wěn)定性保持具有重要作用，一旦軌枕傷損失效，必然影響無砟軌道服役性能。對(duì)于雙塊式無砟軌道軌枕傷損對(duì)結(jié)構(gòu)服役性能影響研究尚不足，缺乏突發(fā)災(zāi)害條件下軌枕傷損評(píng)價(jià)指標(biāo)。

為使雙塊式無砟軌道因水害、火災(zāi)、地震等突發(fā)災(zāi)害出現(xiàn)嚴(yán)重受損的情況下實(shí)現(xiàn)傷損程度快速評(píng)判、行車條件及時(shí)科學(xué)調(diào)整、傷損高效安全修復(fù)，本文開展軌枕傷損對(duì)雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)功能的影響研究，為傷損應(yīng)急處置提供技術(shù)支撐。

1 傷損形式

根據(jù)不同災(zāi)害類型對(duì)雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)功能的影響分析，提出雙塊式軌枕、道床板、支承層/底座板等不同部位的傷損形式，包括：①突發(fā)火災(zāi)造成混凝土開裂、爆裂、強(qiáng)度下降、變形、鋼筋裸露等；②突發(fā)水害傷損主要表現(xiàn)為道床板開裂、層間離縫、上拱、偏移等；③突發(fā)地震主要造成道床板和支承層開裂、斷裂、錯(cuò)位、層間離縫等；④突發(fā)高溫主要導(dǎo)致道床板上拱變形及支承層上拱斜裂；⑤撞擊傷損主要為軌枕擋肩缺損和道床板缺損。不同類型突發(fā)災(zāi)害引起的無砟道床主要傷損類型見表1。典型軌枕傷損見圖1。

圖1 極端條件下雙塊式無砟軌道典型傷損

表1 突發(fā)災(zāi)害引發(fā)的雙塊式無砟軌道主要傷損形式

2 考慮軌枕失效的車輛-軌道耦合模型

突發(fā)軌枕傷損產(chǎn)生后，雙塊式無砟軌道的結(jié)構(gòu)功能將產(chǎn)生改變。在雙塊式無砟軌道的主要傷損形式中，災(zāi)害導(dǎo)致的雙塊式無砟軌道扣件彈條斷裂、彈性墊板失效、螺栓錨固失效或擋肩失效，會(huì)直接影響軌道結(jié)構(gòu)安全服役性能。此類危害主要表現(xiàn)為鋼軌約束減弱，軌道結(jié)構(gòu)剛度不均勻性增大，引起局部位置輪軌相互作用增強(qiáng)，長(zhǎng)期作用將使得軌道局部范圍永久變形，從而對(duì)軌道結(jié)構(gòu)服役性能和列車行車安全造成影響。

如圖2所示，建立車輛-無砟軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)模型。模型中，車體考慮為多剛體，軌道結(jié)構(gòu)考慮為彈性軌道。鋼軌采用連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承上的有限長(zhǎng)Timoshenko 梁模型來模擬，扣件簡(jiǎn)化為離散的阻尼-彈簧體系，道床板和軌枕采用有限單元模型來模擬。輪軌接觸模型采用Kik-Piotrowski 接觸模型，假設(shè)輪軌法向接觸應(yīng)力通過接觸區(qū)域的幾何點(diǎn)滿足接觸條件求得，切向接觸問題通過改進(jìn)的FASTSIM 算法求解。

圖2 車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)：采用CHN60鋼軌；扣件縱向、橫向以及橫向剛度分別為kx= 10 kN/mm，ky= 100 kN/mm，kz= 25 kN/mm，扣件阻尼10 kN·s/m；模型長(zhǎng)120 m，傷損位置在60 m處。

模型中，軌道不平順采用德國(guó)高速鐵路低干擾譜，列車速度取250 km/h。仿真分析扣件錨固性能失效（套管損壞或螺旋道釘損壞）以及擋肩失效對(duì)行車動(dòng)力響應(yīng)的影響，其中錨固性能失效采用扣件垂向剛度失效模擬，擋肩失效采用扣件橫向剛度失效模擬。分析過程中，主要考慮四種工況，即無傷損、單個(gè)軌枕傷損、連續(xù)3 個(gè)軌枕傷損和連續(xù)4 個(gè)軌枕傷損。雙塊式無砟軌道局部失效模擬見圖3。

圖3 雙塊式無砟軌道局部失效模擬

3 仿真結(jié)果及分析

對(duì)比分析單側(cè)扣件失效與雙側(cè)扣件同時(shí)失效對(duì)輪軌力影響的差異。連續(xù)4個(gè)扣件完全失效時(shí)輪軌力計(jì)算結(jié)果見圖4。可知：在失效扣件個(gè)數(shù)相同的情況下，雙側(cè)同時(shí)失效導(dǎo)致的輪軌垂向力波動(dòng)幅值更大，容易導(dǎo)致輪軌減載率超限；單側(cè)和雙側(cè)扣件失效對(duì)輪軌力影響差異較小。因此，在直線地段分析中，按雙側(cè)扣件失效進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于曲線地段，由于橫向力增加，按單側(cè)與雙側(cè)失效分別考慮。

圖4 單側(cè)和雙側(cè)扣件失效對(duì)比

3.1 直線地段

3.1.1 扣件錨固性能失效

扣件錨固性能失效（垂向失效）情況下，輪軌力、安全性指標(biāo)及鋼軌振動(dòng)響應(yīng)變化曲線見圖5?？芍孩賳蝹€(gè)扣件錨固性能失效時(shí)，輪軌作用力和安全性指標(biāo)所受影響較小，鋼軌垂向位移和振動(dòng)加速度略有增大；連續(xù)3個(gè)扣件錨固性能失效時(shí)，輪軌垂向力明顯增大；連續(xù)4個(gè)扣件失效時(shí)，輪軌垂向分離，減載率超限。②從鋼軌振動(dòng)響應(yīng)來看，單個(gè)扣件錨固失效時(shí)，鋼軌垂向最大位移由1.1 mm 增至1.8 mm；連續(xù)3 個(gè)扣件失效時(shí)，鋼軌垂向位移達(dá)到4.9 mm，超過TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》中2.0 mm 的限值要求；連續(xù)3個(gè)扣件失效時(shí)，鋼軌垂向振動(dòng)加速度顯著增大，相對(duì)無傷損情況下增加約3倍。

3.1.2 扣件擋肩失效

扣件擋肩失效（橫向失效）情況下，輪軌力及鋼軌振動(dòng)響應(yīng)變化曲線見圖6?？芍嚎奂跫缡?duì)輪軌作用力的影響并不顯著，對(duì)安全性指標(biāo)也不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響；扣件擋肩失效主要導(dǎo)致鋼軌橫向變形及橫向振動(dòng)加速度增大，連續(xù)3 個(gè)扣件擋肩失效時(shí)鋼軌橫向位移由0.2 mm 增至0.6 mm，橫向振動(dòng)加速度增大約1倍。

圖6 直線地段扣件擋肩失效時(shí)輪軌力及鋼軌振動(dòng)響應(yīng)變化曲線

3.2 曲線地段

由于曲線地段存在超高，高速列車通過時(shí)輪軌橫向力較直線地段有所增加，扣件所受橫向作用力明顯，因此，有必要分析曲線地段雙塊式軌枕傷損對(duì)無砟軌道動(dòng)態(tài)服役性能的影響。設(shè)置緩和曲線長(zhǎng)度為690 m，圓曲線半徑7 km，超高150 mm，列車速度為250 km/h。由于軌枕擋肩失效對(duì)無砟軌道影響較小，因此曲線地段考慮局部軌枕作用完全失效，設(shè)置扣件失效個(gè)數(shù)為4個(gè)，分別考慮曲線內(nèi)側(cè)失效、曲線外側(cè)失效以及雙側(cè)失效三個(gè)工況。計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 曲線地段扣件失效時(shí)輪軌力及安全性指標(biāo)變化曲線

由圖7 可知：與直線地段相似，連續(xù)4 個(gè)扣件失效時(shí)，輪軌垂向發(fā)生分離，輪軌垂向力減至0，輪重減載率超過0.8 的限值；曲線內(nèi)軌（外軌）扣件失效主要對(duì)內(nèi)軌（外軌）的輪軌垂向力產(chǎn)生影響，導(dǎo)致失效一側(cè)輪軌力波動(dòng)明顯增強(qiáng)；曲線地段輪軌橫向力較大，扣件失效使得內(nèi)外軌橫向力波動(dòng)均有所增加，但增幅不顯著；當(dāng)雙側(cè)扣件失效時(shí)，脫軌系數(shù)增至0.3。

綜上，突發(fā)災(zāi)害導(dǎo)致的軌枕錨固性能及擋肩失效對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)功能及行車安全性的影響明顯。雙塊式無砟軌道扣件的錨固性能連續(xù)失效個(gè)數(shù)不宜超過3 個(gè)。當(dāng)連續(xù)3 個(gè)扣件錨固性能失效時(shí)，高速列車行車安全指標(biāo)增大明顯，輪重減載率容易超限。軌枕擋肩失效對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)影響較弱，但軌枕擋肩對(duì)于扣件系統(tǒng)穩(wěn)定性保持具有重要作用。雙塊式軌枕擋肩失效時(shí)，長(zhǎng)期輪軌荷載作用下，可導(dǎo)致扣件系統(tǒng)螺栓松動(dòng)甚至退出，影響整個(gè)扣件系統(tǒng)的使用效果。因此，與扣件系統(tǒng)螺栓失效相同，扣件擋肩連續(xù)失效個(gè)數(shù)不宜超過3個(gè)。

4 結(jié)論

1）雙塊式無砟軌道軌枕錨固性能失效對(duì)列車行車性能影響較為明顯。連續(xù)3 個(gè)錨固螺栓失效后，輪軌相互作用以及軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)顯著增大。

2）軌枕擋肩失效對(duì)列車行車性能和軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響不明顯。

3）曲線地段軌枕失效對(duì)輪軌垂向力、輪重減載率的影響與直線地段類似；曲線地段輪軌橫向力較大，扣件失效使橫向力增幅明顯，因而對(duì)脫軌系數(shù)影響較為顯著。

4）為保證雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)功能性及行車安全，突發(fā)災(zāi)害導(dǎo)致的軌枕錨固性能連續(xù)失效個(gè)數(shù)不宜超過3個(gè)；為保障扣件系統(tǒng)穩(wěn)定性，軌枕擋肩連續(xù)失效個(gè)數(shù)也不宜超過3個(gè)。