雙塊式無砟-有砟軌道過渡段不平順及動響應分析

尤明熙,楊　飛,黎國清,陳東生,尹　峰

(中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所,北京　100081)

無砟軌道和有砟軌道結構剛度差異較大，需要設置無砟-有砟軌道過渡段保證均勻過渡。設計時速300 km及以上的高速鐵路，其他鐵路超過1 km隧道和隧道群地段宜采用無砟軌道結構[1]，設計時速200～250 km的高速鐵路和客貨混運線路正線通常采用有砟軌道，隧道內以無砟軌道為主，無砟軌道和有砟軌道過渡段通常設在隧道進出口，無論軌道結構還是基礎結構均存在差異，隨著運量的增加，過渡段的軌道幾何狀態逐漸惡化。目前的研究方法通常以過渡段結構差異引起的不平順為輪軌系統的激振源進行動力學仿真計算[2-6]和現場的動力響應測試[7]等，并且目前對路橋過渡段的研究較多，還有研究方法是基于過渡段不同結構間剛度差異對系統動響應產生的影響[8-11]從而對過渡段性能和結構布設方式進行研究，研究表明過渡段的剛度差異產生的不平順對輪軌作用影響較大，輔助軌可以增加軌排剛度，但對提高剛度作用有限等等。軌枕空吊或松動是線路常見病害之一，多發于有砟軌道，也是增大有砟-無砟過渡段剛度差異的原因之一，目前利用理論分析和仿真計算等手段針對軌枕松動引起的動響應研究較多[12-14]。綜上可知，目前有多種方法可對過渡段進行研究，但目前對隧道內雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段的研究較少。

本文基于綜合檢測列車的軌道幾何檢測數據對雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段的軌道幾何演變規律進行分析，并通過仿真計算的方法結合軌道幾何數據和調研情況對動力學響應進行分析，并對雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段不平順狀態進行評價，從而為養護維修提出建議。

1　調研分析

為解雙塊式無砟軌道-有砟軌道的現場情況，共調研4處雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段，均設在隧道進出口，4處過渡段的概況見表1。

表1　調研的過渡段概況

經調研，隧道內雙塊式無砟-有砟軌道過渡段包括無砟軌道部分、過渡段部分和有砟軌道部分，過渡順序由雙塊式無砟軌道過渡到長枕埋入式無砟軌道，然后過渡到過渡段專用長枕有砟軌道(該處無砟軌道長枕較有砟軌道長枕長度短)，最后過渡到Ⅲ型混凝土枕的有砟軌道。過渡段與正線軌道差異為：(1)過渡區段內無砟軌道和有砟軌道采用專用長枕進行過渡；(2)有砟軌道與基礎之間設置混凝土基礎板；(3)無砟軌道過渡點到有砟軌道過渡點的線路中線對稱設置兩根25 m長的輔助軌，輔助軌與基本軌中線距離為0.5 m。輔助軌通常設在橋上有砟軌道、路橋過渡段和有砟-無砟軌道過渡段等，主要以兩根軌平行的形式安裝在軌枕中部，使過渡段前后的軌枕整體性加強，同時提高一定的局部剛度。

部分雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段主要存在的一些現象如表2所示，現場調研情況如圖1所示。現場無砟軌道和有砟軌道界面處是過渡段較為薄弱的位置，該處易產生如軌枕錯位、空吊等現象，這些現象會引起軌道動態不平順，在列車反復荷載的作用下不平順逐漸惡化，影響行車的平穩性和舒適性。

表2　過渡段主要存在的現象

圖1　過渡段現場調研存在的現象

2　軌道幾何演變分析

綜合檢測列車檢測得到的軌道幾何數據主要包括左右高低、左右軌向、水平、三角坑、軌距等7項主要指標，其中高低和軌向按波長分為1.5～42 m的中波不平順和42～120 m的長波不平順。雙塊式無砟-有砟軌道過渡段長度約為30 m，對應的檢測波長為中波不平順。隧道4的線路類型為高速鐵路，每月由綜合檢測列車對軌道幾何狀態進行檢測。經分析，過渡段左右高低不平順相對其他5項的幅值波動較大且變化特征明顯，相應的列車通過過渡段時車體垂向加速度響應也較大。結合綜合檢測列車軌道幾何檢測數據對過渡段軌道幾何演變規律進行分析，分析時間范圍為2014年12月到2016年12月，時間間隔為半年。

左右高低變化趨勢如圖2所示，在過渡段區域左右高低的變化趨勢基本一致且幅值大小接近。過渡段從K370處有砟軌道開始高低不平順幅值產生較大的波動直到K410處無砟軌道，影響長度為35～40 m，其中有砟軌道影響長度20 m左右，無砟軌道15 m左右。過渡段無砟軌道高低不平順整體幅值比有砟軌道小，高低幅值極大值點的里程為K367+393，該處高低幅值的極值隨著時間的增加不斷變大。根據現場調研獲知該隧道過渡段無明顯問題，其有砟軌道和無砟軌道里程分界點為K367+394，說明過渡段有砟軌道和無砟軌道的分界點在結構外觀良好的狀態下也會產生幅值較大的高低不平順，影響乘車的舒適度甚至威脅行車安全，應成為養護維修關注的重點區域。

圖2　高低不平順變化趨勢

統計K367+393處左右高低幅值隨時間的變化趨勢如圖3所示。隨著時間的增加該處高低不平順幅值不斷變大，并且在每年的12月到第二年的6月變化速率較大，其中2014年12月到2015年6月的右高低惡化速率最大為-4.82 mm/年。由上可知，需對過渡段有砟軌道和無砟軌道的分界點處高低不平順進行持續關注并做好預防性養護維修。

圖3　高低幅值變化趨勢(半峰值)

3　動響應分析

受現場測試條件的制約，為進一步研究列車通過隧道內雙塊式無砟-有砟過渡段時的動響應，采用有限元建模的方式進行研究。

3.1　計算模型概況

綜合檢測列車在2016年12月檢測該線路的車輛原型為CRH2型，因此本文建立的車輛-軌道耦合動力學模型的車輛基于CRH2型車建模，車輛的動力學參數參考文獻[15]。車輛模型中車體、轉向架和輪對均采用剛體，其中車體和2個轉向架采用4個彈簧單元連接作為二系懸掛，2個轉向架和4個輪對采用8個彈簧單元連接作為一系懸掛，車輪和鋼軌切向摩擦系數取0.3。車輛模型示意見圖4。

圖4　車輛模型示意

隧道內過渡段無砟軌道自上而下包括鋼軌、扣件、軌枕、道床板和基礎層，有砟軌道包括鋼軌、扣件、軌枕和有砟道床。本文建立的過渡段軌道結構模型包含雙塊式無砟軌道、過渡長枕無砟軌道、過渡長枕有砟軌道和Ⅲ型枕有砟軌道，模型概況如圖5所示。軌道結構和鋼軌均采用實體單元模擬，鋼軌為60 kg/m軌，其中輔助軌采用梁單元模擬?？奂到y采用彈簧單元模擬，其中無砟軌道扣件間距0.65 m，墊板剛度40 kN/mm，有砟軌道扣件間距0.6 m，墊板剛度60 kN/mm。

圖5　模型概況

軌道結構各斷面尺寸及材料如表3所示，有砟軌道軌枕與道床采用接觸單元允許二者分離，摩擦系數取0.5；無砟軌道軌枕與道床板、道床板與混凝土層由于施工方式在計算過程中視為一體結構，不允許分離。輪軌振動系統產生的影響隨著基礎結構深度增加而較快衰減，模型中忽略隧道及其他基礎結構。

3.2　車體垂向振動分析及模型驗證

綜合檢測列車檢測得到的2014年12月～2016年12月與左右高低對應的車體垂向加速度如圖6所示，非過渡區段的無砟軌道和有砟軌道車體垂向加速度較小，在0.05g之內，而過渡段處車體垂向加速度較大，且垂向加速度幅值隨高低不平順的惡化逐年遞增，到2016年12月達到最大值，接近0.1g，出現位置在有砟軌道和無砟軌道交界附近，與高低不平順的變化位置和變化趨勢一致。

表3　軌道結構尺寸和材料

圖6　綜檢車車體垂向加速度

對車輛-軌道耦合動力學模型中的鋼軌加載同一時間實測的高低不平順和軌向不平順，計算得到車體垂向加速度與實測加速度對比如圖7所示，模型與實際的結構和實際的環境存在一定差異，所以二者在計算結果上存在差異，但整體趨勢和幅值大小吻合度較好，說明本文計算模型具有一定的準確性。

圖7　仿真與實測對比

3.3　輔助軌對動響應的影響

軌枕空吊是線路中常見的病害且靜態測量時不易被發現，在列車動荷載的反復作用下容易使軌道幾何惡化并加劇輪軌作用，進而影響行車的平穩性和舒適性。

結合現場調研情況，就過渡段有砟軌道和無砟軌道界面處有砟軌道第一根軌枕脫空時的動響應進行研究，模擬軌枕下表面和道床之間產生的垂向空吊，共研究軌枕空吊值在0.1～10 mm范圍內以及軌道結構中有無輔助軌共計18種工況。經計算，不同工況下輪軌垂向力見表4。當過渡段存在輔助軌時，輪軌垂向力在軌枕空吊幅值0.7 mm之后不再增加，最大值71.69 kN，波動范圍最大12 kN左右；無輔助軌時，輪軌垂向力在軌枕空吊幅值3 mm時停止增加，輪軌垂向力最大值77.78 kN，波動范圍最大24 kN左右，是存在輔助軌時的2倍。從數值上看，輔助軌可有效減小輪軌垂向力作用的幅值和范圍，減弱軌枕空吊產生的不利影響。

表4　輪軌垂向力對比

注：M為軌枕空吊幅值；N為無輔助軌工況，Y為含輔助軌工況。

圖8給出了不同工況下過渡段處鋼軌垂向動位移，含輔助軌時鋼軌動位移最大0.96 mm左右，不含輔助軌時鋼軌動位移最大達1.14 mm。當軌枕空吊值為0、0.5、1、5 mm和10 mm時，不含輔助軌時的鋼軌動位移較含輔助軌時分別大1.15%、6.09%、15.04%、19.01%和18.85%，隨著軌枕空吊幅值的增加，輔助軌對減小鋼軌垂向動位移的作用越明顯，可有效減小行車過程中產生的動態不平順。

圖8　仿真計算鋼軌垂向動位移

3.4　不同運營速度的影響

線路開通前未產生運量的情況下，高低和軌向不平順的幅值和變化趨勢非常小，將此時的不平順命名為I1工況；將綜合檢測列車2016年12月的左右高低和左右軌向不平順命名為I2工況，兩種工況下的不平順如圖9所示。從波形上看，兩種工況下的軌向不平順差異較小且幅值非常小，在1.5 mm以內；而過渡段處的高低不平順差異非常大，非過渡段區域高低不平順差異非常小。對模型施加兩種工況下的不平順，分別計算運營速度為200、250、300 km/h和350 km/h時的動響應。

圖9　I1和I2工況不平順

由于兩種工況下的實測軌向不平順幅值非常小，因此計算的輪軌橫向力相對垂向力非常小，從而使脫軌系數非常小，因此本文主要從垂向動力學指標對動響應計算結果進行評價。施加I1不平順時，不同速度下輪軌垂向力差異不大僅在過渡段處有較小的波動，垂向力最大值為速度350 km/h時的109.54 kN。施加I2不平順時，速度為200 km/h和250 km/h時的輪軌力差異不大，變化趨勢和峰值個數基本相同，當速度增加到300 km/h時，輪軌力出現超過170 kN限制的情況并且輪軌力峰值的個數減小，出現跳輪現象；當速度增加到350 km/h時，輪軌力最值急劇增加同時峰值個數較速度300 km/h減少，垂向力最大值達380.56 kN。如圖10所示。

圖10　不同速度、不同不平順情況下輪軌垂向力

將不同運營速度和不同工況下的計算結果匯總于表5，其中v表示速度；P表示輪軌垂向力，1表示左，2表示右；a表示車體垂向加速度；W表示輪重減載率。當過渡段存在狀態良好的I1不平順時，不同運營速度下輪軌垂向力、車體垂向加速度和輪重減載率等動響應指標差異較小；當過渡段存在狀態較差的I2不平順時，隨著運營速度的增加，幾項動力學指標相對I1工況均呈倍數增長，表現出明顯的非線性增加，當運營速度超過250 km/h時，各項動力學指標增長速率變大，數值不斷增加最后超限，當速度為300 km/h時動力學指標超限，當速度為350 km/h時動力學指標超限數值較大。

表5　不同運營速度和工況計算結果

4　結論及建議

針對隧道內雙塊式無砟軌道-有砟軌道過渡段，得到的主要結論與建議如下。

(1)部分過渡段還存在如過渡枕錯位、輔助軌扣件缺失或缺少輔助軌等情況，在養護維修當中應及時調整結構或補充配件，以消除安全隱患，提高軌道壽命。

(2)無砟軌道和有砟軌道過渡位置易形成幅值相對較大的高低不平順，隨著時間的增加高低不平順逐漸惡化，會使行車過程中產生較大的動響應影響舒適度和行車安全，應成為養護維修重點關注的區域。

(3)過渡段中的輔助軌可提高一定的軌道剛度，并可抵抗一部分來自軌枕空吊對行車產生的不利影響，同時減弱行車過程中軌道動態不平順。

(4)過渡段對250 km/h以下的運營速度具有一定的適應性，當速度超過250 km/h時，為保證行車的安全性和舒適性，線路的不平順尤其是高低不平順需要保持在良好的狀態。

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