應用快修砂漿修補CRTSⅠ型板式軌道充填層后軌道結構受力及行車安全評估

鄧非凡，劉觀，王濤，趙坪銳

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031; 2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京100081)

應用快修砂漿修補CRTSⅠ型板式軌道充填層后軌道結構受力及行車安全評估

鄧非凡1，劉觀1，王濤2，趙坪銳1

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031; 2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京100081)

CA砂漿層作為板式軌道的一個重要部件，具有支承、調整與緩沖等功能，在自然環境和列車荷載的共同作用下，容易產生傷損。快修砂漿作為一種修補傷損CA砂漿層的材料，需滿足在天窗時間內完成修補并達到安全通車條件的要求。基于彈性地基梁體模型和輪軌系統動力學原理，建立了CRTSⅠ型梁體有限元模型和車輛—軌道垂向耦合動力學模型，從軌道結構靜力及動力性能兩方面對快修砂漿修補后的軌道結構進行了評價。結果表明，砂漿層最大垂向壓應力為349.5 kPa，輪對和轉向架的加速度最大值分別為7.53g和0.43g，均在限值范圍內，軌道結構的安全性和列車運行安全性可得到保證。

CRTSⅠ型板式軌道 快修砂漿 溫度梯度

CRTSⅠ型板式軌道具有結構簡單、傳力機理明確、施工快捷、維修方便等特點，在國外高速鐵路上均有較多的鋪設實踐，在我國哈大、廣珠等線路上得到了應用［1］。CRTSⅠ型板式軌道由鋼軌、聯結件(扣件和膠墊)、軌道板(框架型或平板型)、CA砂漿層、底座板、凸臺和基床等組成［2-3］。CA砂漿層作為介于軌道板與底座板之間的一種調整、緩沖材料，在列車荷載與環境共同作用下容易產生損傷，若不及時修復，將對軌道的使用壽命及服役性能產生影響。快修砂漿強度可在有限的天窗時間內快速增長到0.2 MPa，滿足盡快通車的要求。不利情況下，無砟軌道需進行抬板維修，全面更換板底砂漿，由于快修砂漿和普通砂漿存在的彈性模量差異，將對軌道結構的靜、動力性能造成不利影響，需對快修砂漿維修后的板式軌道結構與列車運行安全性進行評價。

1 計算模型與參數

基于彈性地基梁體理論［4］建立CRTSⅠ型板式軌道梁體模型，如圖1所示。其中鋼軌采用梁單元模擬，軌道板、底座板、CA砂漿層采用實體單元模擬，扣件及基礎采用線性彈簧模擬。由于砂漿層采用袋裝施工，與上下的軌道板、底座板無黏接，其間界面處理為接觸關系，摩擦系數取為0.3［5］。

在CRTSⅠ型板式軌道結構中，除列車荷載外，溫度梯度也會引起軌道板翹曲［6］，影響CA砂漿層的受力狀態，因此本文主要考慮列車荷載與溫度梯度兩種作用。參照《高速鐵路設計規范》［7］，列車荷載取150 kN，溫度梯度取45和－22.5℃/m。

圖1 CRTSⅠ型板式軌道實體有限元模型

2 快修砂漿對軌道結構受力的影響

2.1 列車荷載單獨作用

對于三塊軌道板長度的板式軌道有限元模型，取中間板塊為對象進行研究，板底填充快修砂漿。由于軌道板不連續，荷載作用于不同位置時的軌道結構應力反應并不相同，采用遍歷加載的方式依次將輪載施加于中間板的扣件上方，如圖2所示，其中快修砂漿彈性模量取為120 MPa，正常狀態下CA砂漿彈性模量分別取200和300 MPa。

列車荷載單獨作用時軌道板和砂漿層應力如圖3所示。可見隨砂漿彈性模量的增加，軌道板縱向拉應力(σZ)、橫向拉應力(σH)最大值逐漸減小，縱向拉應力為中間大板端小。采用快修砂漿時，σZ，σH較正常狀態下CA砂漿彈性模量為200，300 MPa時分別增加4.7%，8.6%和2.3%，5.3%，但均未超過混凝土的極限抗拉強度。板端位置處由于軌道板不連續，存在一定的突增現象，故板端部位CA砂漿更易受損。砂漿垂向壓應力(σCA)隨砂漿彈性模量的增加而增大，最大值依次為152.8，165.1和176.2 kPa，σCA小于正常狀態的垂向壓應力。

圖2 快修砂漿軌道結構示意

圖3 列車荷載單獨作用時軌道板和砂漿層應力

在路基不均勻沉降地段，需要抬高軌道板進行維修［8-10］。選取砂漿層厚度為5，10 cm兩種工況分析砂漿厚度的影響。

不同快修砂漿層厚度時軌道板和砂漿層應力如圖4所示。當砂漿層厚度由5 cm增加為10 cm時，σZ，σH均變小，但σZ減少幅度更大。σCA隨其厚度的改變而發生較大的變化，最大值增幅為21.4%，表明砂漿厚度的增加不利于砂漿層受力的均勻分配，板邊砂漿將承受更大的力，在疲勞荷載的作用下，板邊砂漿更容易破壞。因此，CRTSⅠ型無砟軌道結構板下充填層厚度不宜過大。

圖4 不同快修砂漿層厚度時軌道板和砂漿層應力

2.2 溫度梯度和列車荷載共同作用

在正溫度梯度作用下，軌道板中部將向上拱起，由于自重的作用，其表面受壓底部受拉。正溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層應力如圖5所示。隨砂漿彈性模量的增加，σZ最大值分別減小2.05%和3.52%;σH最大值分別增加1.55%和2.33%，但二者均與正常情況相當。σCA隨砂漿彈性模量的增加而增加，最大值增幅為13.9%和11.1%，其變化率在逐漸減小，不會影響行車安全。

圖5 正溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層應力

在負溫度梯度作用下，軌道板板邊向上翹曲，而列車荷載的作用限制了軌道板的翹曲變形。負溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層應力如圖6所示。隨砂漿彈性模量的增加，σZ最大值分別減小3.2%，6.3%，σH最大值分別減小5.4%，10.7%，但二者均與正常情況相當。σCA隨砂漿彈性模量的增加而增加，但其變化率逐漸減少且遠小于正溫度梯度和列車荷載共同作用時的壓應力，因此不會影響行車安全。

圖6 負溫度梯度和列車荷載共同作用時軌道板和砂漿層應力

3 快修砂漿對軌道結構動力特性的影響

基于輪軌系統動力學原理，結合車輛—軌道垂向耦合動力學理論［11］，利用前述建立的有限單元模型，建立用快修砂漿修復過的車輛—軌道垂向耦合振動模型［12］，研究快修砂漿對車輛及軌道動力特性的影響。

1)快修砂漿對車輛系統動力特性的影響

圖7是行車速度V=350 km/h時，在德國低干擾不平順譜激勵下［13-14］，列車通過快修砂漿段前后時轉向架、車體及輪對垂向振動加速度部分時程曲線對比。

由圖7可見，當列車以350 km/h速度通過快修砂漿區域時，車輪和轉向架的加速度最大值分別為7.53g和0.43g。由于車輛系統一系、二系彈簧的減振作用，此時車體垂向振動加速度僅為0.06g，并沒有超過限值(0.13g)［15］。

2)砂漿傷損對輪軌垂向力的影響

輪軌垂向力主要取決于機車車輛性能、軌道結構狀態、行車速度等。一般認為輪重增加和輪重減輕不僅加快車輪和軌道的破壞和疲勞，而且有誘發脫軌的危險［16］。圖8是在不同行車速度作用下，列車通過快修砂漿區域前后時最大輪軌垂向力對比。快修砂漿區域垂向輪軌力略大于其他區域，并隨速度的增加而增大，無論是快修砂漿區域還是正常區域，垂向輪軌力均低于允許限值(170 kN)。

3)快修砂漿對軌道動力特性的影響

圖7 車輛各部分垂向加速度對比

圖8 最大輪軌垂向力隨行車速度的變化規律

在速度350 km/h和考慮軌道自重的情況下鋼軌的位移和加速度的時程曲線分別見圖9(a)、圖9(b)。可見，快修砂漿區域的位移略大于正常軌道區域的鋼軌位移。這是因為快修砂漿彈性模量較低，砂漿壓縮位移較大的緣故。快修砂漿區域最大鋼軌加速度略大于正常軌道區域，分別為29.59g和26.02g。

在扣件、砂漿采用具有線性剛度和阻尼的離散梁單元模擬的情況下，扣件垂向力和砂漿垂向動應力變化不大，正常軌道區域的扣件垂向力略大于快修砂漿區域，見圖9(c)、圖9(d)。扣件垂向力最大值分別為39.5和36.1 kN;砂漿垂向動應力最大值分別為0.058和0.057 MPa。

鋼軌位移和砂漿壓縮量與速度的關系見圖10，由圖可知，鋼軌位移和砂漿壓縮量均隨時速的增加呈增大態勢。快修砂漿區域由于砂漿強度較小，當列車通過時產生的動位移更大［17］，350 km/h時常態砂漿的壓縮量為0.069 mm，而快修砂漿由于強度較小，壓縮量為0.118 mm，較常態砂漿壓縮量增大70%。

圖9 軌道結構各部分參量時程曲線

圖10 鋼軌位移和砂漿壓縮量與速度的關系

綜上分析可得，快修砂漿對車輛和軌道的動力特性有一定的影響，但各個指標均在控制標準以內，對行車安全不會造成不利影響。

4 結論與建議

本文對采用快修砂漿修補后的CRTSⅠ型板式軌道靜力和動力特性進行了分析，結論如下:

1)在溫度梯度與列車荷載的組合作用下，快修砂漿所在的軌道板縱橫向拉應力及砂漿垂向壓應力均與正常情況相當，軌道結構安全性可得到保證。

2)當快修砂漿層厚度由5 cm增大至10 cm時，壓應力雖未超限，但軌道板受力很不均勻，板邊砂漿容易破壞，因此建議快修砂漿層不宜過厚。

3)在德國低干擾不平順譜激勵下，快修砂漿對軌道結構和車輛的各項動力特性指標的影響均沒有超限，行車安全性不受快修砂漿修補的影響。

4)本文分析工況為極端條件下的全面維修。在局部維修工況下，將局部維修范圍內的砂漿彈性模量取為快修砂漿，其余部位仍取CA砂漿，即可進行局部維修條件下的分析評價。

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Safety evaluation on CRTSⅠslab-type track structure and train running in using rapid repairing mortar measure

DENG Feifan1，LIU Guan1，WANG Tao2，ZHAO Pingrui1
(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China; 2.Metals＆Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

As an im portan t part of CRT SⅠslab-type track，the CA m ortar layer has the functions o f supporting，ad justm ent，buffering and so on，w hich cou ld be in jured easily under the coup ling action of environm ent and train load.T he rapid repairing m ortar need to com p lete the repair in the sky ligh t tim e and m eet the safe traffic requirem en t as a kind of m aterial for repairing inju red CA m ortar layer.Based on the elastic foundation-beam solid m odel and wheel-rail system dynam ics theory，a CRT SⅠbeam solid finite elem en t m odel and vehicle-track vertical coup ling dynam ic m odel w as established，and the track structure after the repairing of rapid repairing m ortar was evaluated from such tw o aspects as the static and dynam ic perfo rm ance o f track structure respectively.Analysis resu lts showed that the m axim um vertical com pressive stress of m ortar layer is 349.5 kPa，the m axim um acceleration of w heel set and bogie are 7.53g and 0.43g w hich are w ithin the lim its，and the safety of track structu re and running stability could be guaran teed.

CRT SⅠslab-type track;Rap id repairing m o rtar;T em peratu re grad ien t

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.39

1003-1995(2015)06-0152-05

(責任審編李付軍)

2014-10-30;

2014-12-20

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2013CB036202);中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2013G008-A，2014G001);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(SWJTU12X065)

鄧非凡(1992—)，男，湖南衡陽人，碩士研究生。