快修砂浆对CRTSⅡ型板式轨道结构的动力影响分析

潘国瑞，刘笑凯，杨荣山，杜华杨

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都　610031)



快修砂浆对CRTSⅡ型板式轨道结构的动力影响分析

潘国瑞，刘笑凯，杨荣山，杜华杨

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都610031)

摘要：以CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象，基于轮轨系统动力学原理，建立含有快修砂浆的车辆-轨道垂向耦合动力学模型。对比列车以不同速度通过普通砂浆区域与快修砂浆区域的不同工况，旨在研究快修砂浆对轮轨系统动力性能的影响，分析快修砂浆对车辆系统动力特性、轮轨垂向力、轨道动力特性和轨道部件垂向位移的影响。研究结果表明：应用快修砂浆会引起轨道刚度局部变化，列车高速通过时会引起较大的砂浆动应力，对砂浆产生不利影响。对于允许行车速度为350 km/h的线路，建议修复后限速为200 km/h，待砂浆完全达到设计强度和力学性能时再恢复运营速度。

关键词：CRTSⅡ型板式轨道；快修砂浆；轮轨垂向力；轨道动力特性

1概述

水泥乳化沥青砂浆( CA 砂浆)作为板式无砟轨道的关键结构层，起着支撑、调整、传力以及隔振、减振的作用，对轨道结构的平顺性，列车运行的舒适性和安全性有直接影响[1-4]。CRTSⅡ型板式无砟轨道采用快修砂浆时，2 h内快修砂浆的强度仅能达到3 MPa，远低于正常砂浆层，导致了轨道刚度的局部变化[5-6]。在此期间内通车，可能会对行车的安全性和平稳性产生影响，加剧车辆系统振动。

轮轨系统动力学的研究理论和方法已逐步运用于安全性判识、质量评价与病害成因分析等方面[7-8]。基于轮轨系统动力学原理，结合车辆-轨道垂向耦合动力学理论，运用有限单元法，建立含有快修砂浆的车辆-轨道垂向耦合动力学模型。考虑车速等影响因素，对比列车通过普通砂浆区域与快修砂浆区域的不同工况，分析快修砂浆对车辆系统和轮轨系统动力特性的影响。

2计算模型及相关参数

2.1计算模型

建立车辆-轨道垂向耦合振动模型如图1所示。为了简化计算，将车辆系统近似地视为由车体、构架及轮对组成的多刚体系统，各部件之间有弹性或刚性约束，以限制车辆系统各零部件间的相对运动[7-9]。只考虑各刚体沿垂向的振动，车体、构架各有2个自由度，分别是浮沉与点头，轮对仅1个自由度，即沉浮，整个车辆系统一共10个自由度。

图1　车辆-轨道垂向耦合振动模型

鉴于CRTSⅡ型板式轨道的结构特征，轨道结构采用叠合梁半车模型，自上而下依次为钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、支承层和路基支承体系。为了模拟快修砂浆对轨道结构动力特性的影响，选取中间部分的一块轨道板下的砂浆作为快修砂浆所在位置，其余砂浆为正常状态的水泥乳化沥青砂浆。

2.2相关参数

进行车辆-轨道垂向耦合动力学分析时，采用CRH2型机车，具体参数见表1，基于有限单元法，轨道系统简化为叠合梁模型，主要参数如表2所示。

表1　CRH2型机车基本参数

表2　CRTSⅡ型板式轨道系统主要参数

3快修砂浆对车辆-轨道系统的动力影响

快修砂浆将引起轨道刚度局部变化，形成轨道动态不平顺，这或许会对行车安全性和平稳性产生影响[10-13]。基于车辆-轨道系统垂向耦合振动模型，重点研究在不同车速下，快修砂浆对车辆系统动力特性、轮轨垂向力、轨道动力特性和轨道部件垂向位移的影响。

3.1快修砂浆对车辆系统动力特性的影响

图2是在不同行车速度下，车体垂向加速度的部分时间历程曲线。由图2可知，车体的垂向振动加速度随车速的提高而增大，且车体最大垂向加速度出现在快修砂浆区域。当列车以350 km/h的行车速度通过快修砂浆区域时，车体的垂向加速度最大值为0.013 m/s2，远低于限值0.13g。

图2　不同车速下的车体垂向加速度时间历程曲线

图3是车体、转向架、轮对的最大垂向振动加速度随行车速度的变化规律。由计算结果可知，转向架与轮对的最大垂向加速度也出现在快修砂浆区域。从图3可看出，在快修砂浆区域，车体、转向架、轮对的垂向振动加速度均随着车速的提高而增大。由于车辆系统一系、二系弹簧的减振作用，轮对的垂向振动加速度远大于转向架，转向架的垂向振动加速度大于车体。

图3　各部件垂向加速度随车速的变化规律

3.2快修砂浆对轮轨垂向力的影响

轮轨垂向力主要取决于机车车辆性能、轨道结构状态和行车速度等因素。研究普遍认为轮重增加与减轻不仅加快车轮和轨道的破坏和疲劳，而且有诱发脱轨的危险[14-15]。因此，有必要对快修砂浆造成轨道刚度突变对轮轨垂向力的影响进行研究。

由图4与图5可知，轮轨垂向力的最大值均出现在快修砂浆区域，且随车速的提高而增大。当V=350 km/h时，快修砂浆区域的轮轨垂向力最大值为146 kN，低于允许限值170 kN。轮轨垂向力较大会加剧车轮与轨道的破坏和疲劳，所以列车通过快修砂浆区域时应限速行驶。考虑储备一定的安全余量，限速为200 km/h较合理，此时快修砂浆区域的轮轨垂向力最大值为125 kN。

图4　轮轨垂向力时间历程曲线

图5　轮轨垂向力随车速的变化规律

3.3快修砂浆对轨道动力特性的影响

图6和图7是在不同行车速度条件下，快修砂浆区域与正常砂浆区域的扣件垂向力、砂浆垂向动应力的时间历程曲线。

图6　扣件垂向力时间历程曲线

图7　砂浆垂向动应力时间历程曲线

由图6可知，当扣件、砂浆均采用具有线性刚度和阻尼的离散梁单元模拟时，由于扣件的缓冲作用以及相邻扣件的分压作用，同一车速下，快修砂浆区域与正常砂浆区域的扣件垂向力差别不大。随着车速的增大，扣件垂向力有所增大。

由图7与图8可看出，同一车速条件下，快修砂浆的垂向动应力比正常砂浆小，这是由于快修砂浆的存在使得轨道结构刚度发生变化。随着车速的提高，快修砂浆的最大垂向动应力大致保持在0.43 MPa，未超过快修砂浆2 h达到的强度值3 MPa；正常砂浆的最大垂向动应力与车速成正比，当V=350 km/h时，正常砂浆的最大垂向动应力为0.81 MPa。

图8　砂浆垂向动应力随行车速度的变化规律

3.4快修砂浆对轨道部件垂向位移的影响

快修砂浆支承刚度较正常砂浆有较大折减，导致轨道出现动态不平顺，这将不利于行车的平稳性。钢轨与轨道板在不同行车速度条件下的最大垂向位移如表3所示。

表3　钢轨与轨道板最大垂向位移与车速的关系

图9　车速为350 km/h时钢轨与轨道板的垂向位移

由表3与图9可见，由于无砟轨道结构是分层结构，使用快修砂浆进行轨道结构部件更换后，其砂浆层的支承刚度发生变化，导致轨道结构在纵向上出现刚度不连续，从而引起快修砂浆区域内钢轨、轨道板的垂向位移较正常砂浆区域有所增大，且钢轨与轨道板的最大垂向位移均与行车速度成正比，应适当进行限速处理。

4结论

通过动力分析快修砂浆对车辆系统动力特性和轮轨作用力的影响分析，得出以下结论。

(1)由于快修砂浆引起了轨道支承刚度在纵向上的变化，轮对、转向架及车体在快修砂浆区域的垂向振动加速度相对正常砂浆区域突然增大，轮轨系统动力作用明显加剧。轮对的垂向加速度增幅比转向架的大，车体垂向振动加速度由于一系、二系弹簧的减振作用而较小，未超过限值0.13g。

(2)轮轨垂向力随车速的提高而增大，且快修砂浆区域的轮轨垂向力明显大于普通砂浆区域。轮轨垂向力较大，会加剧车轮与轨道的破坏和疲劳，且有诱发脱轨的危险，所以列车通过快修砂浆区域时应进行限速行驶。综合考虑，限速为200 km/h较合理，此时快修砂浆区域的轮轨垂向力最大值为125.1 kN。

(3)以同一行车速度通过快修砂浆区域和正常砂浆区域时，扣件垂向力的大小几乎没有差别，砂浆垂向动应力却相差较大。这说明当扣件、砂浆均采用具有线性刚度和阻尼的离散梁单元模拟时，由于扣件的缓冲作用及相邻扣件的分压作用，使用快修砂浆更换轨道结构部件对扣件垂向力影响不大，对砂浆垂向动应力影响较大。

(4)在快修砂浆区中，钢轨和轨道板的垂向位移较正常区域有所增大，且与行车速度成正比。因此，在高速列车荷载作用下，轨道动态几何形位受快修砂浆影响而变化明显，不利于行车的平稳性，应进行限速处理。

综上可见，应用快修砂浆后，引起轨道刚度局部变化，形成轨道动态不平顺，加剧轮轨系统振动。列车高速通过时会引起较大的砂浆动应力，对砂浆产生不利影响，对于允许行车速度为350 km/h的线路，建议修复后限速为200 km/h，待快修砂浆完全达到设计强度和力学性能时再恢复运营速度。

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Analysis of Dynamic Impact of Fast Repair Mortar on CRTS Ⅱ slab-track Structure

PAN Guo-rui， LIU Xiao-kai， YANG Rong-shan， DU Hua-yang

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：This paper aims to study CRTS Ⅱ slab-track to establish vehicle-track vertical coupling dynamics model with fast repair mortar based on the wheel-rail system dynamics principle. The comparison of the different conditions where trains pass through common mortar area and fast repair mortar area at different speed leads to the understanding of the impact of fast repair mortar on the dynamic performance of wheel-rail system， and also the impact of fast repair mortar on the dynamic characteristics of vehicle system， on the wheel-rail vertical force， on the rail dynamic characteristics and on the vertical displacement of rail components. The results show that the fast repair mortar may give rise to local changes of track stiffness and large mortar dynamic stress when trains pass at high speed， adversely affecting the mortar. For a line with designed speed of 350 km/h， the proposed speed limit is 200 km/h after the application of the mortar， and the designed speed is resumed after the mortar reaches designed strength and mechanical properties．

Key words：CRTSⅡslab-track; Fast repair mortar; Wheel-rail vertical force; Track dynamic characteristics

中图分类号：U213.2+44

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.009

文章编号：1004-2954(2015)04-0031-04

作者简介：潘国瑞(1991—)，男,硕士研究生，E-mail：450707564@qq.com。

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G008)

收稿日期：2014-07-19； 修回日期：2014-08-06