橋上復(fù)合軌枕無砟軌道垂向動力性能研究

沈毓婷,閆 雪,耿 浩

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

無砟軌道提高行車平穩(wěn)性與舒適性，減少維修工作量，在高速鐵路與客運專線上優(yōu)勢明顯。無砟軌道彈性主要由扣件提供，對扣件性能要求較高；混凝土枕密度較大，提高了下部基礎(chǔ)修建控制標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合軌枕是以廢舊塑料等復(fù)合高分子材料為主料，加入玻璃纖維等增強材料并輔以化學(xué)添加劑制成的一種新型軌枕。復(fù)合軌枕施工操作簡單，易于養(yǎng)護維修，較混凝土枕彈性好、質(zhì)量輕，較木枕強度高、耐久性好、勻質(zhì)環(huán)保。分析復(fù)合軌枕無砟軌道的垂向動力性能，對于在保證行車安全性的基礎(chǔ)上減少振動、降低對下部結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對復(fù)合軌枕材料性能及其軌道應(yīng)用方面開展了一些研究。材料性能方面，RM Bajracharya[1]等采用不同比例聚乙烯與聚丙烯制成再生復(fù)合材料，測得試驗強度與彈性模量，證明其性能類似木材，探討了這種環(huán)保材料應(yīng)用的巨大前景。通過進(jìn)一步加入玻璃纖維與相關(guān)化學(xué)添加劑[2]進(jìn)行對比試驗，研究不同溫度與紫外線照射環(huán)境下的性能差異，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的加入能改善再生復(fù)合材料性能，證明這種復(fù)合材料適用于土木工程應(yīng)用。陳玉霄等[3]針對新型軌枕復(fù)合材料開展制備工藝、材料組分與結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)選、材料性能三部分實驗研究，根據(jù)各實驗最優(yōu)解確定符合性能要求的新型軌枕復(fù)合材料組分及其性能參數(shù)。軌道應(yīng)用方面，日本率先研究并廣泛使用FFU合成軌枕，目前我國在一些地鐵線路上也嘗試鋪設(shè)[4]。Rodrigues C等[5]研究再生復(fù)合材料在重載鐵路上的應(yīng)用，探討了其對生產(chǎn)、環(huán)境及效益的作用。Richard Lampo等[6]測定了復(fù)合軌枕極限強度、彈性模量以及螺紋道釘?shù)目拱瘟Γ⑶曳治隽艘疖壍腊踩珕栴}的潛在因素。P.V.Vijay等[7]通過靜荷載與疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)加入玻璃纖維增強材料的復(fù)合軌枕具有極低的誘導(dǎo)應(yīng)變與高耐久性，并且通過有砟軌道現(xiàn)場試驗探討了復(fù)合軌枕的應(yīng)變值與曲線半徑以及行車速度的關(guān)系。Rama Kant Gupta等[8]指出復(fù)合軌枕相對于木枕的優(yōu)越性，根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果分析了復(fù)合軌枕在靜態(tài)荷載、沖擊荷載以及疲勞荷載作用下的性能。在有砟軌道段進(jìn)行現(xiàn)場試驗，測試了復(fù)合軌枕的軌距保持能力以及行車舒適性。段海濱[9]研究了復(fù)合軌枕有砟軌道垂向動力特性，并以道床厚度、扣件剛度以及軌枕間距作為影響參數(shù)，對復(fù)合軌枕有砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。國外復(fù)合軌枕主要在重載有砟軌道上使用，國內(nèi)尚未找到復(fù)合軌枕無砟軌道垂向耦合動力性能研究的文獻(xiàn)。

為分析復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)動力特性，通過建立復(fù)合軌枕無砟軌道的車輛-軌道-橋梁垂向耦合動力學(xué)模型，研究車輛、鋼軌、道床板與橋梁的動力學(xué)響應(yīng)，為其應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 橋上復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)

復(fù)合軌枕無砟軌道將預(yù)制的鋼軌與復(fù)合軌枕組成軌排，與現(xiàn)場澆筑混凝土道床板形成整體，軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示。橋上復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)主要由CH60鋼軌、彈條Ⅱ分開式扣件、復(fù)合軌枕、道床板、基礎(chǔ)支撐層等組成，道床板采用分塊的單元板，板之間設(shè)伸縮縫。

圖1 復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)示意

2 計算模型與參數(shù)

2.1 橋上復(fù)合軌枕無砟軌道模型

根據(jù)橋上復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)，采用如圖2所示的力學(xué)模型。鋼軌以Timoshenko梁模擬，扣件系統(tǒng)以線性彈性阻尼單元模擬，復(fù)合軌枕以點支承梁模擬。為了簡化模型，節(jié)約計算時間，并考慮結(jié)構(gòu)橫向尺寸的影響，道床板與橋梁簡化為板。

圖2 橋上復(fù)合軌枕無砟軌道力學(xué)模型

橋上復(fù)合軌枕有限元計算模型如圖3所示，考慮邊界效應(yīng)，橋梁為5跨32 m簡支箱梁，取第三跨梁的計算結(jié)果進(jìn)行分析，選取3塊道床板作為研究對象，每塊板上設(shè)置10塊軌枕，并分析位于中間的道床板，結(jié)合實際情況對模型設(shè)置約束條件。鋼縱梁兩端節(jié)點除豎向外全約束，由于施加垂向動載，因此對扣件與鋼縱梁橫向進(jìn)行約束，鋼縱梁其余節(jié)點橫向、繞縱向與垂向轉(zhuǎn)動自由度約束，軌枕縱向、繞橫向與垂向轉(zhuǎn)動自由度約束，道床板板邊為自由邊界，基礎(chǔ)均布支承彈簧底部全約束。

圖3 有限元計算模型

2.2 車輛模型

對于車輛模型，可將其模擬成一個由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對等基本部件通過一系、二系懸掛剛度與阻尼聯(lián)結(jié)組成的多剛體系統(tǒng)。該車輛系統(tǒng)可完整地反映車體質(zhì)量及點頭慣量、前后轉(zhuǎn)向架質(zhì)量及點頭慣量、各輪對質(zhì)量，以及一系懸掛剛度與阻尼、二系懸掛剛度與阻尼。車輛系統(tǒng)只考慮各剛體的垂向振動，車體、前后轉(zhuǎn)向架考慮沉浮與點頭運動，輪對考慮沉浮運動，總共10個自由度，車輛模型如圖4所示。

圖4 車輛模型

2.3 輪軌接觸與軌道不平順

車輛與軌道子系統(tǒng)間的垂向耦合通過輪軌接觸界面實現(xiàn)，考慮赫茲線性接觸[10-12]，軌道不平順激勵選取符合實際車輛運行條件的德國高速低干擾譜。

2.4 模型參數(shù)

(1)軌道參數(shù)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范與資料，擬定橋上復(fù)合軌枕無砟軌道主要計算參數(shù)如表1所示。

表1 橋上復(fù)合軌枕無砟軌道模型計算參數(shù)

(2)車輛參數(shù)

車輛擬采用CRH2型電力動車組，計算參數(shù)如表2所示。

表2 CRH2型客車模型計算參數(shù)

3 動力響應(yīng)分析

建立車輛-軌道-橋梁垂向耦合動力學(xué)模型，分析車輛運行速度為250 km/h時，車輛、軌道結(jié)構(gòu)、下部基礎(chǔ)以及輪軌系統(tǒng)動力響應(yīng)，以國內(nèi)橋上采用較多的雙塊式無砟軌道動力響應(yīng)[13]作為對比。

3.1 車輛動力響應(yīng)

車輛在橋上復(fù)合軌枕與雙塊式軌枕無砟軌道上的垂向加速度曲線如圖5所示，對比可知兩種軌枕型式軌道結(jié)構(gòu)的車輛加速度時程變化規(guī)律基本相同。復(fù)合軌枕支承條件下車輛垂向加速度峰值為0.019 m/s2，雙塊式軌枕支承條件下車輛垂向加速度峰值為0.017 m/s2，復(fù)合軌枕軌道結(jié)構(gòu)略微增大車體振動。車體振動加速度直接反映了評價車輛運行平穩(wěn)性與旅客乘坐舒適度，《新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》中規(guī)定，車輛豎向振動加速度不大于0.13g[14]，因此在橋上鋪設(shè)復(fù)合軌枕無砟軌道滿足平穩(wěn)性與舒適性的要求。

圖5 車輛垂向加速度

3.2 輪軌系統(tǒng)動力響應(yīng)

橋上復(fù)合軌枕與雙塊式軌枕無砟軌道輪軌垂向力曲線如圖6所示，對比看出兩種軌枕型式軌道結(jié)構(gòu)的輪軌垂向力時程變化規(guī)律也基本相同。相應(yīng)的輪軌垂向力最大值分別為108 kN與102 kN，復(fù)合軌枕支承條件下，輪軌垂向力峰值較普通支承條件增大5.9%。輪軌垂向力是衡量車輛對軌道垂向動態(tài)作用的重要指標(biāo)，我國《高速試驗列車動力車強度及動力學(xué)性能規(guī)范》(95J01—L)中規(guī)定，動力車通過橋梁時，導(dǎo)向輪對每個車輪作用于軌道的垂向力峰值極限值為170 kN[15]，因此，在橋上鋪設(shè)復(fù)合軌枕無砟軌道一定程度增大車輛與軌道的相互作用影響，但仍滿足規(guī)范要求。橋上復(fù)合軌枕與雙塊式軌枕無砟軌道輪軌垂向力最小值分別為37 kN與38 kN，輪重減載率分別為0.58與0.49。控制輪重減載率大小對預(yù)防車輛脫軌，提高車輛運行安全性具有重要意義。結(jié)合相關(guān)規(guī)范[14-16]以及國內(nèi)外采用的動態(tài)輪重減載率限值，本文擬定限值為0.8。因此車輛通過橋上復(fù)合軌枕無砟軌道地段，會產(chǎn)生較普通無砟軌道明顯的瞬態(tài)輪重減載現(xiàn)象，但仍滿足安全性要求。

圖6 輪軌垂向力

3.3 軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)

橋上復(fù)合軌枕與雙塊式軌枕無砟軌道鋼軌垂向加速度與位移曲線如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知，復(fù)合軌枕支承條件下鋼軌垂向加速度與位移峰值分別為491 m/s2與1.75 mm，雙塊式軌枕支承條件下鋼軌垂向加速度與位移峰值分別為517 m/s2與1.06 mm。復(fù)合軌枕支承鋼軌垂向加速度峰值較雙塊式軌枕支承鋼軌減小5%。考慮整個時域曲線，在橋上鋪設(shè)復(fù)合軌枕無砟軌道在一定程度上增大鋼軌振動，但影響較小。根據(jù)國內(nèi)外鋼軌垂向變形限值，本文擬定限值為2 mm，在橋上鋪設(shè)復(fù)合軌枕無砟軌道滿足動態(tài)變形要求。由于復(fù)合軌枕對增大軌道上部結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)有一定影響，在今后運營和養(yǎng)護過程中，應(yīng)重視鋼軌振動和變形方面的監(jiān)測檢查工作。

圖7 鋼軌垂向加速度

圖8 鋼軌垂向位移

橋上復(fù)合軌枕與雙塊式軌枕無砟軌道道床板垂向加速度與位移曲線如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可知，道床板垂向加速度峰值分別為2.0 m/s2與2.37 m/s2，道床板垂向位移曲線基本重合，峰值均為0.27 mm。對比圖7、圖9可知，隨著結(jié)構(gòu)動力傳遞，道床板垂向振動加速度明顯減小，減幅為15.6%。從圖8、圖10道床板垂向位移的變化規(guī)律也可以看出，復(fù)合軌枕具有減小荷載傳遞，降低軌道下部結(jié)構(gòu)位移的作用。

圖9 道床板垂向加速度

圖10 道床板垂向位移

3.4 橋梁動力響應(yīng)

橋梁在復(fù)合軌枕與雙塊式軌枕無砟軌道下的動力響應(yīng)曲線如圖11、圖12所示。雙塊式軌枕支承條件下橋梁垂向加速度峰值為0.36 m/s2，復(fù)合軌枕支承條件下橋梁垂向加速度峰值為0.33 m/s2，減幅為8.3%。道床板垂向位移峰值差異很小，均為0.27 mm。鋪設(shè)復(fù)合軌枕能減小橋梁振動，降低對下部基礎(chǔ)的影響。

圖11 橋梁垂向加速度

圖12 橋梁垂向位移

4 結(jié)論

基于橋上復(fù)合軌枕無砟軌道結(jié)構(gòu)，建立車輛-軌道-橋梁垂向耦合動力學(xué)模型，以雙塊式軌枕作為對比，分析列車荷載作用下車輛、輪軌系統(tǒng)、軌道結(jié)構(gòu)以及橋梁的動力響應(yīng)，得到以下結(jié)論。

(1)車輛高速行駛條件下，采用橋上復(fù)合軌枕無砟軌道滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，可以確保車輛運行安全性、平穩(wěn)性以及旅客乘坐舒適性。

(2)鋪設(shè)復(fù)合軌枕較普通軌枕會略微增大車體、輪軌系統(tǒng)以及軌道上部結(jié)構(gòu)的振動和變形，但影響不大。在實際應(yīng)用過程中，可以加強這些方面的檢測和養(yǎng)護工作。

(3)復(fù)合軌枕較混凝土枕具有較高的彈性和一定的阻尼，隨著荷載向下傳遞，軌道下部結(jié)構(gòu)和橋梁基礎(chǔ)振動明顯減小，說明橋上復(fù)合軌枕無砟軌道在滿足基本使用要求的同時具有一定減振作用。