京滬高速鐵路黃河大橋有砟—無砟過渡段動力性能研究

趙 強，張 歡，涂英輝，許良善，劉海濤

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路對軌道的平順性要求十分嚴格，過渡段兩端剛度相差較大，會對軌道平順性的保持產(chǎn)生不利影響，在一定程度上限制高速列車的高平順性。因此，解決過渡段剛度不平順問題，對于我國高速鐵路的快速發(fā)展具有重要的意義。

京滬高速鐵路濟南黃河大橋設(shè)計速度為350 km/h，其中有砟段總長為2 010 m，分布里程為K397+400—K399+400，南北引橋范圍采用CRTSⅠ型板式無砟軌道，有砟—無砟軌道過渡段鋪設(shè)在32跨簡支梁上。橋址處于魯西平原南端濟南黃河北店子以下的窄河道上，大橋在兩岸臨黃大堤之間，為京滬高速鐵路和太原青島高速鐵路4線共建，橋梁概況見圖1。

圖1 濟南黃河特大橋(112+3×168+112)m剛性梁柔性拱橋(單位:m)

1 有砟—無砟軌道過渡段結(jié)構(gòu)特點

濟南黃河大橋過渡段基本軌內(nèi)側(cè)設(shè)置2根60 kg/m輔助軌，長度為25 m，其中有砟軌道內(nèi)20 m，無砟軌道內(nèi)5 m，基本軌與輔助軌中心距為500 mm。過渡段范圍的軌道剛度采用分級過渡的方式，其中有砟段扣件墊板剛度從35 kN/mm逐級過渡至60 kN/mm。有砟—無砟過渡段平面布置示意如圖2。

圖2 有砟—無砟過渡段平面布置示意

2 黃河橋有砟—無砟過渡段仿真分析

2.1 車輛—軌道動力分析模型

本文針對高速鐵路客車車輛—軌道建立動力分析模型，因此選取二系懸掛車輛模型，如圖3所示。在建立車輛運動方程時，作了如下假定:

1)不考慮車體、轉(zhuǎn)向架和輪對的彈性變形，即車體、轉(zhuǎn)向架和輪對均為剛體。

2)車輛沿直線線路作等速運動，不考慮縱向動力作用的影響。

圖3 高速鐵路客車車輛—軌道動力分析模型示意

3)車輪與鋼軌法向接觸力由赫茲非線性彈性接觸理論確定，并允許輪軌相互脫離。

4)一系與二系懸掛及輪對定位的彈簧特性為線性。

5)車輛所有懸掛系統(tǒng)之間的阻尼均按粘性阻尼計算。

6)車體關(guān)于質(zhì)心左右對稱和前后對稱。

7)車體、轉(zhuǎn)向架及輪對各剛體均在基本平衡位置附近作小位移振動。

根據(jù)上述假定，進行垂向動力仿真分析時，車體和轉(zhuǎn)向架各有2個自由度，分別是浮沉和點頭。每個輪對有1個沉浮自由度。對4軸車而言，每輛車應(yīng)有10個自由度;對6軸車而言，每輛車應(yīng)有12個自由度。本文著重建立4軸車的車輛運動方程，并可推廣至六軸車中。

軌道模型為模擬過渡段區(qū)域線路剛度的變化，各支承點的扣件間距、彈簧和阻尼參數(shù)均可變。

2.2 仿真分析工況

車型為CRH380AL，采用8輛編組，編組順序為拖+6×動 +拖，車速分別為 250，300，350 km/h。根據(jù)濟南黃河橋的實際試驗情況，計算時列車行進方向從無砟區(qū)段進入有砟區(qū)段。橋跨結(jié)構(gòu)為8跨32 m簡支梁橋，有砟—無砟分界線在第四跨與第五跨橋梁的梁縫中點，鋼軌節(jié)點按各扣件位置劃分。

1)線路結(jié)構(gòu)

考慮兩種情況:一是有砟區(qū)段道床剛度為實測的75 kN/mm，二是道床剛度為設(shè)計值120 kN/mm，其余參數(shù)均按設(shè)計圖輸入。

2)線路不平順

為模擬試驗期間及長期運營狀態(tài)下的線路平順狀態(tài)，選取兩種不平順樣本進行分析，一是路基直線段實測不平順，二是根據(jù)《客運專線300～350 km/h軌道不平順管理值審查意見》中軌道不平順動態(tài)管理值Ⅱ級標準(舒適度管理標準)的規(guī)定，將路基直線段實測不平順中高低不平順幅值等比擴大到幅值9 mm的不平順樣本。

2.3 仿真分析結(jié)果

分別考慮道床剛度75 kN/mm和120 kN/mm、實測路基不平順和幅值9 mm不平順樣本下的鋼軌垂向位移最大值見表1。其中無砟和有砟區(qū)段的鋼軌支點均以無砟—有砟分界線為基準向兩側(cè)編號，計算了分界線無砟軌道區(qū)段1#～10#，有砟軌道區(qū)段1#～40#扣件位置對應(yīng)的鋼軌垂移。軌枕編號參見圖2。

表1 不同工況動力作用下鋼軌垂移

由表1可知:①軌枕支承剛度75 kN/mm、路基地段實測不平順工況下，鋼軌垂移為無砟區(qū)段1.01～1.18 mm，有砟區(qū)段0.84～1.05 mm。②軌枕支承剛度75 kN/mm，幅值9 mm不平順工況下，鋼軌垂移為無砟區(qū)段0.98～1.35 mm，有砟區(qū)段0.81～1.28 mm。③軌枕支承剛度120 kN/mm，路基地段實測不平順工況下，鋼軌垂移為無砟區(qū)段0.92～1.18 mm，有砟區(qū)段0.74～1.00 mm。④軌枕支承剛度120 kN/mm，幅值9 mm不平順工況下，鋼軌垂移為無砟區(qū)段0.98～1.35 mm，有砟區(qū)段0.71～1.26 mm。

濟南黃河大橋有砟—無砟過渡段仿真分析表明:軌枕支承剛度和軌道不平順的變化均會對過渡段軌道的鋼軌垂向位移產(chǎn)生影響。同種工況下，有砟軌道區(qū)段鋼軌垂向位移比無砟軌道略小，幅值相差不大，在有砟—無砟分界點附近兩者鋼軌相對橋面最大位移較接近，實現(xiàn)了過渡段軌道剛度的平順過渡。

3 黃河橋有砟—無砟過渡段現(xiàn)場動態(tài)測試

3.1 試驗內(nèi)容

有砟—無砟軌道過渡段位于濟南黃河橋北引橋圓曲線上，半徑8 000 m，超高150 mm，試驗區(qū)段中心里程為K397+450，主要測試內(nèi)容為軌道靜剛度、軌道動剛度、車體和軸向振動加速度等。

3.2 軌道靜剛度

綜合試驗前對過渡段不同位置道床靜剛度進行了測試，計算結(jié)果見表2、圖4。

表2 過渡段軌道靜剛度

由表2和圖4可以看出，京滬高鐵鐵路濟南黃河大橋有砟—無砟過渡段不同位置的道床靜剛度相差不大，為軌道結(jié)構(gòu)剛度的平順過渡提供了前提條件。

圖4 有砟—無砟過渡段鋼軌靜態(tài)剛度

3.3 軌道動剛度

各型綜合試驗列車通過橋上京滬高速鐵路橋上有砟軌道、過渡段、CRTSⅠ型板式無砟軌道，實測鋼軌垂向位移見表3。

表3 過渡段軌道動剛度mm

由表3可以看出，CRH2-068C和CRH380BL通過京滬高鐵鐵路濟南黃河大橋有砟—無砟過渡段試驗段時，軌道結(jié)構(gòu)動剛度相差不大，無砟軌道最大，過渡段其次，有砟軌道最小，實現(xiàn)了過渡段剛度的均勻過渡。

3.4 車體振動加速度

綜合檢測列車通過橋上有砟軌道及有砟—無砟過渡段、CRTSⅠ型板地段時，車體振動加速度及動力響應(yīng)見圖5和圖6。在里程坐標下，標出了線路的基本特征。

圖5 以328 km/h速度通過過渡段時車體振動加速度

圖6 不同速度通過過渡段時車體動力響應(yīng)

由圖5和圖6可見:綜合檢測列車的車體加速度均很小，未超過規(guī)定限值，濟南黃河大橋有砟地段車體加速度略大于CRTSⅠ型板地段。

4 結(jié)語

通過京滬高速鐵路濟南黃河大橋有砟軌道、有砟—無砟過渡段及CRTSⅠ型板式無砟軌道仿真分析及動態(tài)測試，得出如下結(jié)論和建議:

1)軌枕支承剛度和軌道不平順的變化均會對過渡段軌道的鋼軌垂向位移產(chǎn)生影響。同種工況下，有砟軌道地段鋼軌垂向位移比無砟軌道略小，幅值相差不大，在有砟—無砟分界點附近兩者鋼軌相對橋面最大位移較接近。

2)京滬高速鐵路濟南黃河大橋有砟—無砟過渡段在未進行道砟膠結(jié)的情況下，由道床靜態(tài)測試結(jié)果計算的軌道剛度在過渡段范圍相差不大。

3)京滬高速鐵路濟南黃河大橋有砟—無砟過渡段軌道結(jié)構(gòu)動剛度相差不大，無砟軌道最大，過渡段其次，有砟軌道最小，實現(xiàn)了過渡段軌道剛度的平順過渡，滿足了動車組高速運行的穩(wěn)定性要求。

4)綜合試驗列車通過過渡段時車體及軸箱振動加速度變化幅值與其它地段基本一致，說明列車通過過渡段時的動態(tài)平順性較好。

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