高速鐵路軌道-簡支梁橋系統橋上行車性能試驗研究

蔣麗忠，聶磊鑫，周旺保，張云泰，余建，柴喜林

(1.中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075；2.中南大學高速鐵路建造技術國家工程研究中心，湖南長沙，410075)

隨著我國高速鐵路行車速度和荷載幅度不斷增大，軌道-橋梁系統的動力響應日益引起重視。行進的列車會對軌道系統和橋梁產生動力沖擊作用[1]，引起動態變形和共振現象[2-3]。在各國高速鐵路快速發展的過程中，主要采用數值模擬或與現場試驗驗證相結合的方法來研究高速列車-軌道-橋梁系統的動力相互作用關系。

為了保證列車在高速鐵路橋上運行的安全性及車輛對結構的動力響應規律，董亮等[4-6]以實際工程為背景，采用數值模擬的方法建立了車輛-軌道-橋梁的動力分析仿真模型，計算并分析了列車的安全性和舒適性指標以及軌道-橋梁動力響應的一般規律。為了增加數值仿真模型和理論模型的可信度，國內外許多文獻采用了現場試驗和數值分析相結合的方法驗證模型的正確性。XIA 等[7-9]將數值計算結果與現場測量結果進行比較驗證了所建立的數值模型，并計算分析了車-橋的動力響應；GARINEI 等[10-11]針對高速鐵路橋梁、路基進行了大量相關的現場動力試驗；孫常新等[12-14]研究了高速列車對路基動力響應的影響，結果表明模擬和試驗結果的規律性一致；劉鵬輝等[15-17]基于驗證后的數據模型分析了車輛-軌道-橋梁結構的動力特性。這些研究為鐵路橋梁結構動力響應的研究奠定了基礎。然而，對于行車條件下高速鐵路橋梁動力響應，現場測試成本高、組織困難，室內試驗相比現場試驗更簡單可行。由于國內外缺乏室內橋上行車試驗平臺，目前室內試驗研究成果仍然較少，因此，有必要開展列車-軌道-橋梁系統的動力響應及行車室內試驗研究，這對高速鐵路車橋動力理論及設計應用具有重要意義。

本文根據高速鐵路橋梁的構造特點進行實驗室縮尺模型試驗，縮尺比例為1∶10。通過縮尺模型試驗對行車作用下的高速鐵路CRTSII 型無砟軌道橋梁的動力響應規律進行研究，分析不同車速情況下橋跨上不同位置不同構件的豎向位移時程，探明不同構件和位置受行車作用的動力響應差異，揭示行車速度對各構件動力響應的影響規律，為后續研究提供試驗依據和參考。

1 試驗概述

1.1 試驗模型及參數

試驗模型為11跨CRTSII型無砟軌道高速鐵路簡支梁橋一體化縮尺模型，縮尺比為1∶10，在模型兩側配備行車系統的加速裝置和減速裝置，如圖1所示。為保證行車試驗的可行性和準確性，縮尺模型在行車試驗中始終處于彈性工作狀態，各構件截面嚴格保證幾何相似和材料相似，試驗模型相似比如表1 所示。試驗模型中，軌道-橋梁結構部分由橋墩、支座、主梁和軌道系統組成，軌道系統包括滑動層、底座板、CA 砂漿層、軌道板、扣件、鋼軌、剪力齒槽、剪切鋼筋、L型側向擋塊等。上部結構整體布置示意圖如圖2所示，各構件詳細參數如下。

圖2 軌道-橋梁結構布置圖Fig.2 Track-bridge structure layout

表1 試驗模型參數相似比Table 1 Similarity ratio of experimental model parameter

圖1 試驗模型及裝置Fig.1 Test model and devices

1)橋墩。橋墩選用Q235 鋼材，高度為500 mm，沿橋梁橫向寬度為700 mm，縱向寬度為300 mm，厚度為10 mm的空心矩形橋墩截面。

2)主梁。主梁選用Q235鋼材，每跨簡支梁長度為3 260 mm，梁高為180 mm，截面尺寸如圖2(c)所示，其中，為防止結構發生局部扭轉或屈曲變形，在中間分段布置板厚為8 mm輔助支撐板。

3)底座板。底座板選用Q235鋼材，等效縮尺設計后寬度為295 mm，厚度為8.5 mm，縱向連續鋪設。

4)軌道板。軌道板選用Q235鋼材，等效縮尺設計后長度為645 mm，寬度為255 mm，厚度為9 mm，軌道板之間作縱向連續處理。

理解是背誦的基礎。只有在課堂上充分研讀課文，引導學生品悟語言文字、感悟意境，才能真正讓學生融入言語情境，體會內容，讀出感情，從而熟讀成誦。以教學古詩《送元二使安西》為例，引導學生讀出故事發生的時間、地點、環境，學生腦海中便能呈現出鮮活的畫面感：渭城初春的清晨，天氣帶著涼意，雨中的客舍和柔柳，讓人感到清新而又親切。然而，好朋友分別，依依不舍之情油然而生，尤其是老師介紹到寫作背景——元二要去的，是塞外荒漠，等待他的，將是孤身漂泊，前途渺茫。課行此處，詩人的情感和詩的意境互相交融，學生融情入境，便能讀出留戀，讀出深情，更加深入地理解了文本，從而為背誦打下了基礎。

5)承軌臺。相似設計縮尺后，采用長度為29 mm、寬度為80 mm、厚度為4 mm的鋼片模擬。承軌臺與軌道板之間通過螺栓連接，單塊軌道板上設置10對承軌臺，其中心線縱向間距為65 mm。

6)CA砂漿層。在底座板頂面和軌道板底面之間填充厚度為3 mm、寬度為255 mm 的巴斯夫ConipurM867F聚氨酯膠。

7)滑動層。在梁體上方用巴斯夫ConipurM867 F 聚氨酯膠(實際高鐵橋梁中兩布一膜層中使用的膠黏劑)粘貼寬度為295 mm、厚度為3 mm 的低密度聚乙烯土工膜。

8)剪切鋼筋。剪切鋼筋選用Q420鋼材，采用直徑為2 mm、長度為20.5 mm 的螺桿。剪切鋼筋布置見圖2(a)，每塊軌道板在梁縫兩側各設2排剪切鋼筋，每排2 根，即每塊承軌臺中心線下各1根。

9)剪力齒槽。剪力齒槽選用Q345鋼材，設置在固定支座上方。采用直徑為2 mm、長度為20.5 mm 的螺栓，在每塊軌道板下設置間距為27 mm 的2 排鋼條，每排各7 根，共14 根，其中，軌道板中心線上2 根，軌道板中心線兩側各6 根，鋼條沿橋梁橫向的間距為42 mm，2排鋼條的中心線距固定支座梁端188 mm，如圖2(a)所示。

10)側向擋塊。側向擋塊選用Q235 鋼材，鋼制L型側向擋塊長度為27 mm，底寬為10 mm，頂寬為30 mm，高度為21.5 mm。擋塊與梁底焊接在一起，與底座板和軌道板接觸的3個面設置厚度為1 mm的硫化橡膠墊板。從距固定支座處剪力齒槽中心線800 mm 處開始設置側向擋塊，間隔為800 mm，單跨梁共計12個側向擋塊。

11)鋼軌。采用CHN60 型鋼軌按1:10 進行縮尺，選用紫銅澆筑而成。

13)支座。支座布置如圖2(b)所示。在軌道-橋梁結構整體縮尺模型制作中，支座基本原則和需求為：橋梁梁體在行車試驗中需處于彈性工作狀態，不發生局部扭轉屈曲等變形，具有足夠的剛度。支座內的承壓橡膠板提供梁端部轉動的需要，聚四氟乙烯板提供梁端與橋墩之間相對滑動的位移需要。橡膠板厚度為4 mm，聚四氟乙烯板的厚度為0.5 mm。

14)車輛。車輛模型如圖1 所示。車輛外形采用CRH380AL 型動車組車頭外形[18]，幾何縮尺比為1∶10，車輛具有2對轉向架，前后間距為1.75 m，每對轉向架包含2對車輪，輪距為0.25 m。車輛總體質量為108 kg。

1.2 試驗工況及測量方案

1.2.1 試驗工況

本試驗通過行車設備的加速裝置為列車提速，共設置5 種車輛初始速度，分別為4，5，6，7 和8 m/s。車輛通過測試段時，因行駛距離較短，摩擦力等環境因素對速度影響較小，可認為其速度均勻變化，最后，通過位于測試段的IP67 反射型光纖傳感器測速系統獲取列車經過時的真實速度，測速裝置如圖1所示。

1.2.2 測點布置

整個試驗模型共有11 跨簡支梁，由于測量設備有限，選取橋梁中間跨(6號跨)的軌道-橋梁系統進行測量。采用VIC-3D高速系統中的高速攝像機測量橋墩及跨內的鋼軌、軌道板、底座板和主梁的豎向位移響應，在對中跨區域測量后，通過相關軟件進行數據提取。為了得到更高的測量精度和空間分辨率，高速攝像機的測量范圍取半跨簡支梁長度。

VIC-3D 高速系統分析基于樣品表面的散斑圖案進行觀測，因此，需要在測量對象布置適當的散斑圖樣，結構測點布置如圖3所示。對于橋墩與主梁，可以直接將整體散斑圖直接布置在結構相應區域內，測量場位移。對于軌道系統，由于底座板、軌道板和鋼軌的豎向間距太小，因此，采用分段等間距測量，即等間距在構件上布置測點。

圖3 VIC-3D高速攝像系統及結構測點布置圖Fig.3 VIC-3D high-speed camera system and layout of structural measuring points

2 試驗結果處理及分析

2.1 試驗數據采集與處理

為提高采集精度，隨著行車速度提高，采集幀率也應適當提高，車速4，5，6，7和8 m/s對應的采集幀率分別為800，1 000，1 200，1 400 和1 600 Hz。以行車速度4 m/s 時為例，結構的豎向變形云圖如圖4所示。可見：在輪-軌接觸的位置，豎向位移云圖顏色偏深，說明輪對與橋-軌系統接觸位置的局部效應顯著。經高速攝像系統數據處理軟件對高分辨率圖像處理后得到原始位移時程，顯然，原始位移信號中含有較多噪聲信號。為準確分析行車對軌道-橋梁系統的動力響應規律，需對原始信號進行降噪處理。相比于傅里葉變換，對于振動信號，小波變換對其中的高頻白噪聲處理優勢更大[19]，因此，本文基于Origin數據處理軟件，采用小波變換默認閾值法對位移響應時程進行降噪處理。經不同參數下的降噪結果對比確定降噪處理最佳參數為：小波類型采用Daubechis10，降噪5次。以車速4 m/s和8 m/s時的跨中鋼軌變形時程信號為例，降噪前后鋼軌變形時程曲線對比如圖5所示。

圖4 高速攝像機采集的結構豎向變形云圖Fig.4 Vertical deformation nephogram acquired by highspeed camera

2.2 不同速度下結構的位移響應規律

為研究行車對高速鐵路軌道-橋梁系統動力響應的影響規律，分析車速為4，6 和8 m/s 下鋼軌、軌道板、底座板和主梁的跨中豎向位移時程變化規律，如圖6所示。由圖6可知，在同一行車速度下，不同構件層的豎向位移時程曲線的峰值及其形狀均有顯著差異；底座板、軌道板、鋼軌的豎向位移響應峰值依次增大，這是因為扣件和CA砂漿層的彈簧阻尼效應降低了軌下結構的車輛動力效應；主梁和底座板的豎向位移時程曲線形狀基本一致，這是因為滑動層豎向剛度近似剛性，其阻尼效應不明顯。各構件的豎向位移時程曲線形狀均有2處突變，其中，鋼軌時程曲線形狀突變幅值最大，軌道板、底座板和主梁的鋼軌時程曲線形狀突變幅值依次減弱，說明輪對與橋-軌系統接觸位置的局部效應非常顯著，且因層間阻尼效應的影響，輪對局部作用對軌道板、底座板和主梁的動力變形的影響依次減弱。對于不同的行車速度，同一構件層的豎向位移時程曲線形狀基本一致，但震蕩幅值波動較大。以主梁為例，隨行車速度的增加，主梁豎向位移時程曲線震蕩波動明顯增大，與車速4 m/s時相比，車速8 m/s時的震蕩幅值增大約75%。

圖6 不同車速構件豎向位移時程曲線Fig.6 Time-history curves of components vertical displacement at different speeds

不同行車速度下各構件順橋向位置豎向位移峰值如圖7所示。由圖7可知，不同順橋向位置的豎向位移峰值有顯著差異。距跨中位置越近，主梁和底座板的豎向位移峰值越大，其增幅分別為23%～86%和32%～75%，而軌道板和鋼軌的豎向位移峰值增大趨勢并不明顯；列車運行速度對構件的豎向位移峰值有一定影響，當行車速度為8 m/s時，各構件層的豎向位移峰值均達到最大。各構件層的豎向位移實測最大值與行車速度的關系曲線如圖8所示。從圖8可以看出：各構件層的豎向位移實測最大值隨速度增大呈波動增大趨勢。綜上可知：列車作用下的CRTSII 型無砟軌道高速鐵路簡支梁橋各構件的豎向位移響應受行車位置、行車速度等因素影響顯著，在實際工程中應關注臨界速度，避免軌道結構過大變形而造成損傷。

圖7 不同車速下各構件順橋向位置豎向位移峰值Fig.7 Vertical displacement peaks of component position along bridge at different speeds

圖8 車速與構件豎向位移實測最大值的關系Fig.8 Relationship between driving speed and actual maximum vertical displacement of components

2.3 不同速度下結構的動力系數變化

動力系數能夠反映結構動力增大效應，基于降噪處理后的位移響應時程曲線，各層動力系數δ可按下式進行計算[20]：

式中，Smax為動力荷載作用下實測檢測部位的動力變形最大值，Smin為與Smax在同一周期內的實測動力變形極小值。

構件豎向位移動力系數與行車速度的關系如圖9所示。從圖9可以看出：鋼軌、軌道板、底座板和主梁的動力系數隨行車速度的增大均出現不同程度的波動，且整體上呈現隨行車速度的增大而增大的趨勢；主梁與底座板的動力系數相近，在1.1～1.3 范圍內波動；軌道板及鋼軌動力系數相近，在1.3～1.7范圍內波動，說明CA砂漿層的阻尼效應使主梁及底座板的動力系數明顯小于軌道板及鋼軌的動力系數，調整CA砂漿層的彈簧阻尼參數能有效控制移動列車作用下橋梁-軌道系統動力特性。

圖9 車速與構件豎向位移動力系數的關系Fig.9 Relationship between speed and dynamic coefficient of components vertical displacement

3 結論

1)層間阻尼效應使不同構件層的豎向位移時程曲線的峰值和形狀有顯著差異，底座板、軌道板、鋼軌的豎向位移響應峰值依次增大，主梁和底座板的豎向位移時程曲線形狀基本一致。

2)對于不同的行車速度，同一構件層的豎向位移時程曲線形狀基本一致；隨行車速度的增加，各構件的豎向位移時程曲線震蕩波動明顯增大。

3)輪對與橋-軌系統接觸位置的局部效應非常顯著，且因層間阻尼效應的影響，輪對局部作用對軌道板、底座板和主梁的動力變形的影響依次減弱。

4)隨行車速度的增大，鋼軌、軌道板、底座板和主梁的動力系數整體上呈波動增大的趨勢；軌道板和鋼軌動力系數比較接近且明顯大于主梁和底座板的動力系數，調整CA砂漿層阻尼參數能有效控制移動列車作用下橋梁-軌道系統動力特性。