重載鐵路橋上無砟軌道動力學選型研究

徐 浩,蔡文鋒,林紅松,顏 華

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

近年來，重載鐵路在世界范圍內迅速發(fā)展，重載鐵路的軌道結構形式以有砟軌道為主，然而有砟軌道在應用過程中出現(xiàn)了道砟粉化嚴重、殘余變形量大等典型缺點[1-3]，與有砟軌道相比，無砟軌道具有高穩(wěn)定性、高可靠性、平順性和強耐久性[4-6]，因此發(fā)展無砟軌道是重載鐵路的重要趨勢。

目前，我國正承擔設計孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線，擬在孟加拉帕德瑪主橋及部分混凝土簡支梁橋上采用無砟軌道結構，近期設計軸重25 t，遠期考慮32.5 t，軌距為1 676 mm，貨車運營速度80 km/h。由于國內重載鐵路無規(guī)模鋪設無砟軌道結構的工程應用經(jīng)驗，且無砟軌道類型眾多并主要在隧道地段鋪設[7-11]，因此有必要研究重載鐵路橋上無砟軌道結構選型。

本文通過分別建立重載貨車與各種無砟軌道動力相互作用模型，計算分析了25 t和32.5 t軸重重載貨車通過不同無砟軌道結構時的輪軌動力響應，通過對比分析，從動力學的角度提出了重載鐵路橋上無砟軌道結構的選型建議。

1 計算模型與計算參數(shù)

1.1 重載貨車-無砟軌道-橋梁耦合動力學模型

結合國內外無砟軌道的應用情況以及孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線無砟軌道的初設方案，本文選取現(xiàn)澆板式無砟軌道、單層長枕埋入式無砟軌道、單元板式無砟軌道和長枕埋入式無砟軌道4種方案。基于輪軌系統(tǒng)耦合動力學理論[12-15]，分別建立1676 mm寬軌距25t和32.5t重載貨車-無砟軌道-橋梁耦合動力學模型，如圖1所示(以現(xiàn)澆板式無砟軌道為例)。

圖1 重載貨車-現(xiàn)澆板式軌道-橋梁耦合動力學模型

模型中，重載貨車視為由車體、側架、搖枕及輪對組成的多剛體系統(tǒng)，為建模方便，模型中將側架與搖枕簡化為一個剛體考慮。側架與輪對由一系懸掛連接，車體與搖枕由二系懸掛連接，一系和二系懸掛采用彈簧-阻尼單元模擬，彈簧的剛度為線性，阻尼按黏性阻尼計算。鋼軌采用點支承梁模擬，扣件系統(tǒng)采用線性彈簧-阻尼單元模擬，支承間距為扣件間距。道床板/軌道板、底座板均采用板單元模擬。單元板式軌道的水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)層簡化為均布的彈簧-阻尼單元，彈簧-阻尼單元的剛度根據(jù)CA砂漿層的彈性模量和厚度計算得到。底座板或道床板與橋梁之間的連接也采用均布的彈簧-阻尼單元模擬，剛度根據(jù)橋梁的面支承剛度計算得到。簡支混凝土箱梁采用板單元模擬。運用大型通用顯式動力分析程序LS-DYNA建立模型，并利用內置的求解器進行求解。

重載鐵路橋上無砟軌道動力性能采用車體垂向振動加速度、輪軌垂向力、輪重減載率、鋼軌垂向位移、鋼軌振動加速度、道床板/軌道板垂向位移、道床板/軌道板振動加速度、扣件支點反力、軌道與橋梁的接觸應力和橋梁振動加速度等指標評價。

1.2 計算參數(shù)

本文計算時只考慮1節(jié)車輛的作用，25 t軸重貨車和32.5 t軸重貨車均在我國C80貨車的基礎上通過修改參數(shù)得到，重載貨車的運行速度為80 km/h。25 t軸重貨車的車體質量為91 400 kg，側架質量497 kg，搖枕質量為745 kg，輪對質量為1 257 kg，車體側滾轉動慣量為0.92×105kg·m2，點頭轉動慣量為0.96×106kg·m2，搖枕點頭轉動慣量為138 kg·m2，搖頭轉動慣量為244 kg·m2，側架點頭轉動慣量為190 kg·m2，搖頭轉動慣量為176 kg·m2，輪對點頭轉動慣量為100 kg·m2，一系懸掛垂向剛度為160 MN/m，垂向阻尼為3.0 kN·s/m，二系懸掛垂向剛度為4.89 MN/m，垂向阻尼為40 kN·s/m，軸距1.83 m，車輪半徑0.42 m。32.5 t軸重貨車的車體質量為12 000 kg，側架質量497 kg，搖枕質量為745 kg，輪對質量為1 630 kg，車體側滾轉動慣量為1.196×105kg·m2，點頭轉動慣量為1.248×106kg·m2，搖枕點頭轉動慣量為138 kg·m2，搖頭轉動慣量為244 kg·m2，側架點頭轉動慣量為190 kg·m2，搖頭轉動慣量為176 kg·m2，輪對點頭慣量為100 kg·m2，一系懸掛垂向剛度為200 MN/m，垂向阻尼為4.0 kN·s/m，二系懸掛垂向剛度為6.36 MN/m，垂向阻尼為52 kN·s/m，軸距1.83 m，車輪半徑0.42 m。

不同無砟軌道的軌距均為1 676 mm，鋼軌采用UIC60鋼軌，扣件擬采用WJ-12型扣件系統(tǒng)，扣件剛度取為80 kN/mm，扣件垂向阻尼取為7.5×104N·s/m，扣件間距取為0.6 m，混凝土采用孟加拉當?shù)氐腗50混凝土，橋梁支承面剛度為1 000 MPa/m，橋梁的截面面積為4.958 8 m2，截面慣性矩為4.193 3 m4。軌道不平順采用美國五級譜。不同類型無砟軌道的主要參數(shù)如表1所示。

2 計算結果及分析

2.1 不同軸重的影響

以現(xiàn)澆板式無砟軌道為例，當不同軸重貨車通過橋上無砟軌道時，橋上無砟軌道動力響應的各項指標如圖2所示。

表1 不同類型無砟軌道主要參數(shù)

圖2 不同軸重下現(xiàn)澆板式無砟軌道的各項動力響應

從圖2可知，當25 t和32.5 t軸重貨車通過橋上無砟軌道時，各項動力響應的時程曲線類似，僅在數(shù)值上存在差異。車體的最大振動加速度分別為1.296 m/s2和1.291 m/s2，輪軌垂向力最大值分別為160.30 kN和206.6 kN，輪重減載率分別為0.284和0.249，橋梁跨中鋼軌的垂向位移分別為2.46 mm和2.82 mm，鋼軌的垂向振動加速度分別為147.69 m/s2和152.93 m/s2，橋梁跨中道床板的垂向位移分別為1.80 mm和1.96 mm，鋼軌的垂向振動加速度分別為19.37 m/s2和21.33 m/s2，扣件支點反力分別為55.03 kN和71.89 kN，軌道與橋梁的接觸應力分別為104.76 kPa和131.12 kPa，橋梁跨中的振動加速度分別為2.29 m/s2和2.50 m/s2。可見，隨著重載貨車軸重的增大，輪軌垂向力、鋼軌垂向位移、鋼軌振動加速度、扣件支點反力、軌道與橋梁的接觸應力、橋梁跨中的振動加速度均增大。文獻[16]規(guī)定貨車最大垂向振動加速度限值為0.7g，輪重減載率限值為0.6；文獻[17]規(guī)定，對于無砟軌道，橋梁的最大垂向振動加速度限值為0.5g；文獻[18]規(guī)定鋼軌垂向位移限值為3 mm，文獻[19-20]也提出重載鐵路無砟軌道可按該限值考慮。從上述計算結果可知，不同軸重重載貨車通過橋上現(xiàn)澆板式無砟軌道時安全性和平穩(wěn)性滿足要求，且鋼軌位移和橋梁振動加速度均小于相關限值要求。

2.2 無砟軌道類型的影響

由于25 t軸重與32.5 t軸重貨車作用下，橋上不同無砟軌道類型的動力響應變化趨勢相同，本文僅列出32.5 t軸重重載貨車以80 km/h速度通過不同類型無砟軌道結構的動力響應最大值，如圖3所示。

圖3 橋上不同類型無砟軌道系統(tǒng)動力響應

從上述計算結果可以得出如下結論。

(1)不同類型軌道結構的車體垂向振動加速度、輪重減載率等行車安全性和平穩(wěn)性指標相差不大。

(2)現(xiàn)澆板式無砟軌道和單層長枕埋入式無砟軌道的鋼軌垂向位移、鋼軌垂向振動加速度、道床板垂向位移和道床板垂向振動加速度基本相同，這是由于兩者道床板的厚度基本相同；由于水泥乳化瀝青砂漿層具有減振降噪的功能，且彈性模量較小，因此單元板式無砟軌道的鋼軌垂向振動位移、鋼軌垂向振動加速度、道床板垂向位移和道床板垂向振動加速度最大。

(3)由于不同類型無砟軌道結構的鋼軌、扣件系統(tǒng)和扣件間距相同，導致通過鋼軌傳遞至扣件系統(tǒng)的荷載大小基本相同。

(4)單元板式無砟軌道與長枕埋入式無砟軌道的軌道與橋梁的接觸應力、橋梁振動加速度均小于現(xiàn)澆板式無砟軌道和單層長枕埋入式無砟軌道，說明采用單元板式無砟軌道和長枕埋入式無砟軌道對橋梁受力有利。

3 結論

通過研究重載貨車通過不同類型橋上無砟軌道結構的動力特性，得到如下結論。

(1)隨著列車軸重的增大，橋上無砟軌道系統(tǒng)的動力響應指標均增大。

(2)從降低軌道結構變形的角度考慮，優(yōu)先選取現(xiàn)澆板式無砟軌道和單層長枕埋入式無砟軌道等單層無砟軌道結構；從降低軌道與橋梁的接觸應力及橋梁振動加速度的角度考慮，應優(yōu)先選取單元板式無砟軌道和長枕埋入式無砟軌道等雙層無砟軌道結構。

(3)由于不同類型無砟軌道均能滿足行車安全性及平穩(wěn)性的要求，重載鐵路橋上無砟軌道的結構選型除了考慮系統(tǒng)的動力特性外，還應結合線路特點及無砟軌道與相關專業(yè)的接口關系，選擇合適的無砟軌道類型。