京沪高速铁路黄河大桥有砟—无砟过渡段动力性能研究

赵 强，张 欢，涂英辉，许良善，刘海涛

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

高速铁路对轨道的平顺性要求十分严格，过渡段两端刚度相差较大，会对轨道平顺性的保持产生不利影响，在一定程度上限制高速列车的高平顺性。因此，解决过渡段刚度不平顺问题，对于我国高速铁路的快速发展具有重要的意义。

京沪高速铁路济南黄河大桥设计速度为350 km/h，其中有砟段总长为2 010 m，分布里程为K397+400—K399+400，南北引桥范围采用CRTSⅠ型板式无砟轨道，有砟—无砟轨道过渡段铺设在32跨简支梁上。桥址处于鲁西平原南端济南黄河北店子以下的窄河道上，大桥在两岸临黄大堤之间，为京沪高速铁路和太原青岛高速铁路4线共建，桥梁概况见图1。

图1 济南黄河特大桥(112+3×168+112)m刚性梁柔性拱桥(单位:m)

1 有砟—无砟轨道过渡段结构特点

济南黄河大桥过渡段基本轨内侧设置2根60 kg/m辅助轨，长度为25 m，其中有砟轨道内20 m，无砟轨道内5 m，基本轨与辅助轨中心距为500 mm。过渡段范围的轨道刚度采用分级过渡的方式，其中有砟段扣件垫板刚度从35 kN/mm逐级过渡至60 kN/mm。有砟—无砟过渡段平面布置示意如图2。

图2 有砟—无砟过渡段平面布置示意

2 黄河桥有砟—无砟过渡段仿真分析

2.1 车辆—轨道动力分析模型

本文针对高速铁路客车车辆—轨道建立动力分析模型，因此选取二系悬挂车辆模型，如图3所示。在建立车辆运动方程时，作了如下假定:

1)不考虑车体、转向架和轮对的弹性变形，即车体、转向架和轮对均为刚体。

2)车辆沿直线线路作等速运动，不考虑纵向动力作用的影响。

图3 高速铁路客车车辆—轨道动力分析模型示意

3)车轮与钢轨法向接触力由赫兹非线性弹性接触理论确定，并允许轮轨相互脱离。

4)一系与二系悬挂及轮对定位的弹簧特性为线性。

5)车辆所有悬挂系统之间的阻尼均按粘性阻尼计算。

6)车体关于质心左右对称和前后对称。

7)车体、转向架及轮对各刚体均在基本平衡位置附近作小位移振动。

根据上述假定，进行垂向动力仿真分析时，车体和转向架各有2个自由度，分别是浮沉和点头。每个轮对有1个沉浮自由度。对4轴车而言，每辆车应有10个自由度;对6轴车而言，每辆车应有12个自由度。本文着重建立4轴车的车辆运动方程，并可推广至六轴车中。

轨道模型为模拟过渡段区域线路刚度的变化，各支承点的扣件间距、弹簧和阻尼参数均可变。

2.2 仿真分析工况

车型为CRH380AL，采用8辆编组，编组顺序为拖+6×动 +拖，车速分别为 250，300，350 km/h。根据济南黄河桥的实际试验情况，计算时列车行进方向从无砟区段进入有砟区段。桥跨结构为8跨32 m简支梁桥，有砟—无砟分界线在第四跨与第五跨桥梁的梁缝中点，钢轨节点按各扣件位置划分。

1)线路结构

考虑两种情况:一是有砟区段道床刚度为实测的75 kN/mm，二是道床刚度为设计值120 kN/mm，其余参数均按设计图输入。

2)线路不平顺

为模拟试验期间及长期运营状态下的线路平顺状态，选取两种不平顺样本进行分析，一是路基直线段实测不平顺，二是根据《客运专线300～350 km/h轨道不平顺管理值审查意见》中轨道不平顺动态管理值Ⅱ级标准(舒适度管理标准)的规定，将路基直线段实测不平顺中高低不平顺幅值等比扩大到幅值9 mm的不平顺样本。

2.3 仿真分析结果

分别考虑道床刚度75 kN/mm和120 kN/mm、实测路基不平顺和幅值9 mm不平顺样本下的钢轨垂向位移最大值见表1。其中无砟和有砟区段的钢轨支点均以无砟—有砟分界线为基准向两侧编号，计算了分界线无砟轨道区段1#～10#，有砟轨道区段1#～40#扣件位置对应的钢轨垂移。轨枕编号参见图2。

表1 不同工况动力作用下钢轨垂移

由表1可知:①轨枕支承刚度75 kN/mm、路基地段实测不平顺工况下，钢轨垂移为无砟区段1.01～1.18 mm，有砟区段0.84～1.05 mm。②轨枕支承刚度75 kN/mm，幅值9 mm不平顺工况下，钢轨垂移为无砟区段0.98～1.35 mm，有砟区段0.81～1.28 mm。③轨枕支承刚度120 kN/mm，路基地段实测不平顺工况下，钢轨垂移为无砟区段0.92～1.18 mm，有砟区段0.74～1.00 mm。④轨枕支承刚度120 kN/mm，幅值9 mm不平顺工况下，钢轨垂移为无砟区段0.98～1.35 mm，有砟区段0.71～1.26 mm。

济南黄河大桥有砟—无砟过渡段仿真分析表明:轨枕支承刚度和轨道不平顺的变化均会对过渡段轨道的钢轨垂向位移产生影响。同种工况下，有砟轨道区段钢轨垂向位移比无砟轨道略小，幅值相差不大，在有砟—无砟分界点附近两者钢轨相对桥面最大位移较接近，实现了过渡段轨道刚度的平顺过渡。

3 黄河桥有砟—无砟过渡段现场动态测试

3.1 试验内容

有砟—无砟轨道过渡段位于济南黄河桥北引桥圆曲线上，半径8 000 m，超高150 mm，试验区段中心里程为K397+450，主要测试内容为轨道静刚度、轨道动刚度、车体和轴向振动加速度等。

3.2 轨道静刚度

综合试验前对过渡段不同位置道床静刚度进行了测试，计算结果见表2、图4。

表2 过渡段轨道静刚度

由表2和图4可以看出，京沪高铁铁路济南黄河大桥有砟—无砟过渡段不同位置的道床静刚度相差不大，为轨道结构刚度的平顺过渡提供了前提条件。

图4 有砟—无砟过渡段钢轨静态刚度

3.3 轨道动刚度

各型综合试验列车通过桥上京沪高速铁路桥上有砟轨道、过渡段、CRTSⅠ型板式无砟轨道，实测钢轨垂向位移见表3。

表3 过渡段轨道动刚度mm

由表3可以看出，CRH2-068C和CRH380BL通过京沪高铁铁路济南黄河大桥有砟—无砟过渡段试验段时，轨道结构动刚度相差不大，无砟轨道最大，过渡段其次，有砟轨道最小，实现了过渡段刚度的均匀过渡。

3.4 车体振动加速度

综合检测列车通过桥上有砟轨道及有砟—无砟过渡段、CRTSⅠ型板地段时，车体振动加速度及动力响应见图5和图6。在里程坐标下，标出了线路的基本特征。

图5 以328 km/h速度通过过渡段时车体振动加速度

图6 不同速度通过过渡段时车体动力响应

由图5和图6可见:综合检测列车的车体加速度均很小，未超过规定限值，济南黄河大桥有砟地段车体加速度略大于CRTSⅠ型板地段。

4 结语

通过京沪高速铁路济南黄河大桥有砟轨道、有砟—无砟过渡段及CRTSⅠ型板式无砟轨道仿真分析及动态测试，得出如下结论和建议:

1)轨枕支承刚度和轨道不平顺的变化均会对过渡段轨道的钢轨垂向位移产生影响。同种工况下，有砟轨道地段钢轨垂向位移比无砟轨道略小，幅值相差不大，在有砟—无砟分界点附近两者钢轨相对桥面最大位移较接近。

2)京沪高速铁路济南黄河大桥有砟—无砟过渡段在未进行道砟胶结的情况下，由道床静态测试结果计算的轨道刚度在过渡段范围相差不大。

3)京沪高速铁路济南黄河大桥有砟—无砟过渡段轨道结构动刚度相差不大，无砟轨道最大，过渡段其次，有砟轨道最小，实现了过渡段轨道刚度的平顺过渡，满足了动车组高速运行的稳定性要求。

4)综合试验列车通过过渡段时车体及轴箱振动加速度变化幅值与其它地段基本一致，说明列车通过过渡段时的动态平顺性较好。

[1]郭积程.高速铁路路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段研究[D].北京:北京交通大学，2009.

[2]王浩宇.高速铁路无砟有砟过渡段优化设计[D].北京:北京交通大学，2012.

[3]中国铁道科学研究院.京沪高速铁路综合试验研究分报告之五——高速轨道结构试验研究[R].北京:中国铁道科学研究院，2011.

[4]中华人民共和国铁道部.TB 10761—2013 高速铁路工程动态验收技术规范[S].北京:中国铁道出版社，2013.

[5]朱玉明.客货共线铁路双块式无砟轨道动力响应测试分析[J].铁道建筑，2013(7):127-128.

[6]韦有信.高速铁路过渡段刚度最佳过渡方式研究[J].铁道建筑，2011(11):71-73.

[7]曾攀.有限元基础教程[M].北京:高等教育出版社，2009.

[8]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社，2007.

[9]曾树谷.铁路轨道动力测试技术[M].北京:中国铁道出版社，1988.