列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基系统加速度响应大型振动台试验研究

曹礼聪，童心豪，张志方，张建经，李晓斌，杨长卫

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 中国铁路总公司 科技管理部，北京 10084)

地震是一种常见且对铁路行车安全产生极大危害的突发性自然灾害。地震往往能在极短时间内造成巨大的财产损失和严重人员伤亡，列车速度越快，轮轨之间作用力越大[1]，因此当列车运行速度达到或超过200 km/h时，地震对路基、桥梁、轨道等结构的冲击及高速列车与下部结构物之间的相互作用都可能危害列车运行的安全性、引起重大事故[2]。例如，2004年10月23日，日本新泻发生了里氏6.8级地震，从东京开往新泻的1列有10节车厢的新干线列车其中的8节发生脱轨[3]；2008年5月12日汶川发生里氏8.0级地震后，致使宝成线、成昆线、成渝线等铁路多处塌方，导致31列客车、149列货车在途中滞留，沿线部分车站、设备遭到不同程度的损坏，宝成线21043次货运列车脱轨[4]；2010年3月4日，台湾高雄发生里氏6.7级地震，台湾高铁因地震停运，造成1列北上高速列车的1节车厢脱轨[5]。然而已有的地震历史资料表明，我国的地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，50%以上的国土面积位于Ⅶ度以上的地震高烈度区，而“八纵八横”高速铁路网也有近万公里穿越高地震烈度区域，因此开展高速铁路地震预警具有重要的现实意义。

目前，我国高速铁路地震预警系统处于研究阶段，地震预警阈值主要参考日本预警系统，地震时警报值为40 Gal，地震后限速值为80 Gal，地震后停车值为120 Gal[6-8]。而对于高速铁路在地震作用下的动力响应研究，目前多集中在数值计算方面[9-11]，将车辆模型、轨道模型和轮轨关系做了大量的简化，同时针对于轮轨接触也未取得有效突破，这就造成计算结果与实际情况有差别，因此函待地震作用下高速铁路动力响应的试验研究。本文据此背景，开展国内第一台列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基系统大型振动台试验，本文详细的介绍了试验模型中路基、钢轨、底座板、轨道板、轨下垫板、转向架及列车的制作，其中部分重要零部件由工厂定制，部分现场预制，模型的制作严格按照相似比设计而成，模型路基中、钢轨、轮对、转向架及列车上均布置三向加速度传感器。根据试验数据，本文探究了列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基系统在地震作用下水平向和竖向加速度的传播规律，分析了不同轮对及钢轨之间的响应差异、加载不同地震波幅值时列车及转向架的振动形式，为后续深入研究提供一定参考。

1 工程概况

本试验路基原型为京沪高铁京徐施工段Ⅱ型板式无砟轨道标准路基，路基机床由表层和底层组成，表层与无砟轨道混凝土支承层或混凝土底座总厚度不小于70 cm，表层厚度为0.4 m，采用级配碎石填筑；基床底层厚度为2.3 m，采用A、B组土或改良土填筑。基床以下填筑A、B、C(不含细粒土、粉砂及易风化软岩)组填料或改良土。直线地段路基面无砟轨道混凝土基座范围内设向外0.5%的坡度，两侧支承层边缘至路肩为向外4%的排水坡，表面采用厚10 cm沥青混凝土封闭。双线之间填筑级配碎石表面用混凝土封闭。(备注：A、B、C填料详见TB 10621—2014《铁路路基设计规范》[14])

2 振动台试验介绍

2.1 振动台概况

试验在重庆大学MTS多功能地震模拟振动台试验大厅进行，该振动台具有6个自由度，台面尺寸为6 m×6 m，最大载重量600 kN，最大位移：X向±0.25 m，Y向±0.25 m，竖向±0.25 m；最大速度：X向±1.20 m/s，Y向±1.20 m/s，竖向±1.00 m/s；台面最大加速度：X向±1.5g，Y向±1.2g，竖向±1.0g；工作频段0.1～50 Hz，采用电液伺服和数值控制，数据采集、监测信号和在线分析同步进行。试验模型见图1。

图1 试验模型

2.2 相似设计及模型制作

在此次大型振动台试验中，涉及到很多物理量，通过分析整理，共有17个独立的物理量，具体如下：几何尺度L；重力加速度g(Cg=1)；黏聚力C；动弹模E；内摩擦角φ；动泊松比μ；重度γ；剪切波速Vs；输入加速度A；持续时间Td；频率ω；角位移θ；线位移s(应保证Cs=CL)；响应速度V；响应加速度a；应力σ；应变ε。

通过π定理[12-13]求解14个导出的相似常数量，具体结果见表1。本次试验以原型为研究对象，在相似体系中，尺寸、加速度和密度作为控制参数进行推导，根据原型及试验设施等条件，确定本次试验的尺寸相似比为10，密度相似比为1，重力加速度相似比为1。则整个模型相似比可通过推导获得，具体见表1。

表1 场地试验模型相似常数

(1) 路基

根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[14]，基床模型土采用高速铁路标准基床填料(A、B组填料或改良土)，填料粒径级配应符合压实性能要求，压实系数≥0.97，不均匀系数Cu不应小于15，地基系数K30≥190 MPa/m，基床边坡坡度采用标准高速铁路基床边坡坡度1∶1.5，基床模型尺寸参考TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[14]根据相似比进行简化。模型中基岩底层采用黏土与碎石子混合而成，基岩表层采用黏土、石膏、碎石子混合而成，模型制作中土体进行分层夯实，包括机械夯实和人工夯实，夯实后对土体进行环刀取样密度测试，并取土样送至实验室进行土体常规参数测试，试验中为确保夯实效果，以K30作为控制指标。

试验中采用K30指标监测路基土体的压实效果，压实标准以TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[14]中要求为基准，K30值是一个能反映路基强度与变形参数的承载力指标。K30测试结果见图2，基床表层的K30为196 MPa/m，可知基床底层的K30为179 MPa/m，满足试验要求。

图2 K30测试曲线

(2) 底座板、轨道板及轨下垫板

底座板采用混凝土材料进行预制，尺寸为9 600 mm×315 mm×30 mm(长度×宽度×高度)，平铺路基表面中间，底座板地面嵌入土体1.5 cm，做模及浇筑与轨道板过程一致。原型列车轨道板采用标准工厂预制高速铁路CRTS-Ⅱ型轨道板。在无砟轨道原型中，轨道板把来自钢轨和扣件的轮载均匀地传递给水泥沥青砂浆垫层，并且把轨道纵向荷载和横向荷载传递给混凝土凸形定位柱。在模型中，模型轨道板用混凝土板模拟，布于路基中间。本试验中，由于列车静止停放在钢轨上，轨道板不需设置定位柱，结合原型尺寸和相似比，试验用轨道板的尺寸为645 mm×255 mm×20 mm(长度×宽度×高度)，轨道板与底座板之间通过AB胶强力固结。

原型中轨下垫板采用钢材，铁轨和轨下垫板之间的连接采用螺栓紧固件，见图3，模型中采用硬聚氯乙烯(硬PVC)，密度为1.45 g/m3，轨下垫板与模型钢轨之间采用螺栓扣件连接，轨下垫板在工厂预制时预留螺栓孔，轨下垫板与轨道板之间的连接通过AB胶强力固结。

为保证试验模型与原型一致，底座板、轨道板及轨下垫板在安装中均使用标准定位施工，同时使用水平尺确保横纵向的绝对水平。

(3) 钢轨

原型钢轨采用60钢轨，理论质量60 kg/m，经过相似比为10换算后，模型钢轨理论质量6 kg/m，模型钢轨尺寸根据原型钢轨尺寸经过相似比进行缩尺，模型钢轨顶部为弧形，模型钢轨间距取14.35 cm，模型钢轨及安装好的钢轨见图4。钢轨安装完毕使用水平尺等校验以满足水平及尺寸等实验要求。

(4) 列车

列车模型采用标准CRH380BL型动车组，原型动车组车厢尺寸(宽度×高度)为3.26 m×3.89 m，车厢长为24.825 m，轴重为16 t。本次试验采用的几何相似比为10，考虑到模型制作的方便及材料的相似条件，整体模型列车采用顶部开孔长方体，列车底板材料采用钢材，板厚10 mm，车体两边壁采用钢材，壁厚为10 mm，模型车厢尺寸(宽×高×长)分别为0.32 m×0.39 m×2.50 m。两个原型转向架的中心距离为17.375 m，考虑到实际试验工况，模型轮对轴距取1.74 m。同一原型转向架下轮轴轴距为2.5 m，模型转向架轴距为0.25 m，见图5。钢材密度为7.85×103kg/m3，模型车体质量为47.5 kg。原型列车总重3 800 kN，为8节车厢，因此原型列车单节车厢重475 kN，具体情况见表2。

表2 列车的相似关系

图5 转向架

轮轨接触关系是耦合动力学分析的关键，车辆正常运行情况下，轮轨状态为动态单点接触，在地震等极端条件下，轮轨势必会有多点接触，但对于多点接触目前的理论分析或数值计算仍存在诸多问题。在模型试验中，车轮及钢轨等均严格按原型缩尺，包括车轮踏面、轮缘等精加工而成，保证模型试验中的轮轨接触与原型一致，能克服数值模拟中轮轨接触人为设定带来的问题，因此模型试验结果更能实际反应原型的响应。

2.3 测点布置

图6 试验测点布置示意

本次振动台试验的的加速度传感器(A)布置见图6。模型中加速度传感器共使用26个，其中路基中18个，分层布置，钢轨上4个，位于1号、4号轮对左右两侧下方钢轨处，转向架上1个，位于1号轮对左上处，车厢底部3个，靠近1号轮对为A21，靠近4号轮对为A23，A22位于车厢中间，用来监测模型的动力响应，采用江苏东华DH302及日本进口型号。

2.4 地震波输入及加载方式

为研究高速铁路动车模型在地震作用下的动力响应特性，地震波类型选用由中国地震局提供的郑州黄河大桥桥址区域地震波(ZHQ)，原波EW向峰值为0.042 3g，Z向峰值为0.028 1g，持时49.28s，原波按相似比进行压缩处理，处理后地震波持时为15.58 s，归一化的时程曲线及傅里叶谱见图7。对模型Y、Z向输入加速度时程曲线，Y向输入加速度峰值为0.05g、0.07g、0.10g、0.12g、0.14g、0.16g、0.18g、0.20g、0.23g、0.25g、0.27g、0.30g、0.35g、0.40g，Z向幅值按Y∶Z向加速度幅值比1∶0.664(来源原波数据)换算得到。归一化的时程曲线及傅里叶谱见图7，试验加载工况见表3。每个地震波工况加载前均对模型加载时间长度为50 s、幅值为0.03g的高斯白噪声激励WN。

图7 郑州黄河桥桥址区域地震波时程及傅里叶谱

序号地震波幅值/g水平竖直序号地震波幅值/g水平竖直1WN-10.0300.03015WN-80.0300.0302ZHQ-10.0500.03316ZHQ-80.2000.1333WN-20.0300.03017WN-90.0300.0304ZHQ-20.0700.04618ZHQ-90.2300.1535WN-30.0300.03019WN-100.0300.0306ZHQ-30.1000.06620ZHQ-100.2500.1667WN-40.0300.03021WN-110.0300.0308ZHQ-40.1200.08022ZHQ-110.2700.1799WN-50.0300.03023WN-120.0300.03010ZHQ-50.1400.09324ZHQ-120.3000.19911WN-60.0300.03025WN-130.0300.03012ZHQ-60.1600.10626ZHQ-130.3500.23213WN-70.0300.03027WN-140.0300.03014ZHQ-70.1800.12028ZHQ-140.4000.266

3 水平向加速度响应

3.1 时程及频谱特性

图8 测点的水平向加速度时程及其傅里叶谱

现行Q/CR 633——2018《高速铁路地震预警监测系统技术条件》中规定地震后停车阈值为120 Gal，以0.120g黄河大桥桥址区域地震波(ZHQ-4)为例，加载ZHQ-4时模型在时频域内水平向的加速度响应,见图8。测点A1基底、A4基顶分别位于模型中路基不同高程处，其水平向加速度峰值分别为0.123g、0.225g，加速度沿路基高程向增加82.9%，可见高程能显著增大路基水平向地震波幅值。而轨道板处(A27)水平向加速度峰值与路基顶部A4相比，略微减小，钢轨处(A25)水平向加速度峰值为0.251g，较轨道板处峰值增加20.8%，这与试验中列车轮对与钢轨激烈碰撞造成钢轨响应变强现象一致。转向架作为车体重要结构，安装了弹簧使之具有良好减震特性，转向架处(A19)水平向加速度峰值为0.193g，相较于钢轨处减小23.1%，体现了转向架的减震功能。列车作为主要承重，其水平向响应较强，峰值达0.253g。

模型测点的水平向傅里叶谱特征见图8，图8中可以看出路基对30～40 Hz较大的放大效应(见测点A1、A4)。结构部分，钢轨与轨道板处傅里叶谱特性一致，转向架处对30～40 Hz频段削弱明显，同时对1.72 Hz有一定的放大，体现出了转向架的高频过滤特性，列车处5～15 Hz频段得到放大。

3.2 水平加速度放大特性

定义加速度放大系数为模型中测点整个时域内水平加速度峰值与路基最底部测点A18水平加速度峰值的比值。不同加载地震波幅值时轮对下钢轨处加速度放大系数的变化情况见图9。由图9可见，当加载地震波幅值不大于0.14g时，钢轨处水平加速度放大系数随加载地震波幅值增加而增加，这意味着轮对与钢轨之间的水平向相互作用越来越强；0.14g以后放大系数起伏不定，但均值仍大于0.14g以前。同时图9中可以看出，4号轮对左下钢轨处响应最为强烈，0.14g时放大系数达到7.8，1号轮对右下钢轨处响应较为平缓，放大系数维持在1.59～2.45之间，4号轮对右下钢轨与1号左下钢轨加速度放大系数规律较为一致，以上分析可以看出列车的振动以1号轮对右下接触点为基准，对角处4号轮对左下接触点振动最为剧烈，另一对角处接触点振动基本一致。上述分析也与试验中所观察到4号轮对振动最为剧烈这一现象一致。

图9 轮对下方钢轨水平加速度放大系数随加载幅值变化

不同加载地震波幅值时转向架、列车1孔、列车2孔和列车3孔加速度放大系数的变化规律见图10。可见当加载地震波幅值小于0.12g时，转向架与列车1孔加速度放大系数相差不大，列车沿路基纵向加速度放大系数明显增大；加载地震波幅值大于0.12g时，列车1孔放大系数明显大于转向架处，同时列车上3处的放大系数均较大，变化幅度小于0.05g～0.10g时的列车放大系数。以上分析可以看出列车的加速度放大规律与轮对钢轨下的加速度放大规律一致，沿路基纵向振动变强。

图10 列车及转向架水平加速度放大系数随加载幅值变化

4 竖直向加速度响应

4.1 时程及频谱特性

图11 测点的竖向加速度时程及其傅里叶谱

同3.1节中，以0.120g黄河大桥桥址区域地震波(ZHQ-4)为例，模型ZHQ-4时模型在时频域内竖直向的加速度响应见图11。由图11可见，路基对竖向加速度呈现出略微的放大作用，路基顶部测点A4竖向加速度峰值(0.124g)较底部测点A1竖向加速度峰值(0.115g)增大7.8%，轨道板处竖向峰值为0.118g，略微减小，而钢轨处由于轮对与钢轨的相互作用，竖向加速度峰值增至0.419g，较轨道板处增大约255%，地震波传至转向架时，转向架处的竖向加速度峰值增至0.637g，可见竖向转向架响应强烈，列车上A21测点竖向加速度峰值减小为0.587g，减小幅度约7.8%，可见转向架竖向减震不明显。

由图11可知，竖向傅里叶频谱特征显示，路基及轨道板竖向加速度频谱变化不大，钢轨处对20～23 Hz频段有略微放大，竖向地震波传至转向架时，30～40 Hz频段在转向架处得到明显增加，列车处30～40 Hz频段傅里叶幅值减小。

4.2 竖向加速度放大特性

同3.2节，竖向加速放大系数为模型中测点整个时域内竖向加速度峰值与路基最底部测点A18竖向加速度峰值的比值。不同加载地震波幅值时轮对下钢轨处竖向加速度放大系数的变化情况见图12，可见当加载地震波幅值不大于0.14g时，钢轨处竖向加速度放大规律与水平加速度放大规律一致，竖向加速度放大随加载地震波幅值增加而增加，0.14g以后放大系数起伏不定，4号轮对左下钢轨响应最强，0.14g时放大系数达14.1，1号轮对右与1号轮对左加速度响应规律一致，但总体上右侧下钢轨放大系数大于左侧下钢轨，4号轮对右下钢轨响应最弱，加载幅值小于0.3g时，放大系数维持在1.09～1.86之间，0.35g和0.4g时放大系数增大至4.43、4.56，但仍弱于其他轮对下钢轨响应。

图12 轮对下方钢轨竖向加速度放大系数随加载幅值变化

不同加载地震波幅值时转向架、列车1孔、列车2孔和列车3孔竖向加速度放大系数的变化规律见图13，可见其竖向加速度变化规律与水平向差别较大，当加载地震波幅值小于0.12g时，列车1孔和列车2孔放大系数基本一致，小于列车3孔的放大系数，转向架的放大系数最大；当加载地震波幅值大于0.12g时，列车中部2孔响应最弱，列车3孔响应强于列车1孔，转向架响应最强。同时对比水平与竖向加速度响应，可知竖向响应明显强于水平向。

图13 列车及转向架竖向加速度放大系数随加载幅值变化

5 现行停车阈值(120 Gal)时脱轨分析

现行高速铁路地震预警系统中地震停车值为120 Gal，为分析该工况下模型可能的脱轨情况，试验时中测试了各轮对的位移响应，其相对路基顶部的相对位移峰值及残余位移见表4，由表中数据可以看出，120 Gal工况下轮对侧向位移峰值明显小于钢轨的侧向宽度，加载工况结束后无残余位移，可见此工况下列车不会脱轨，这说明现行停车阈值设置安全。

同时应该注意到，根据第4节分析可以看到，列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基系统的动力响应非常复杂，同一节车厢不同位置在不同幅值地震波作用下响应存在差别，虽然现行停车阈值安全，但列车的水平向加速度放大系数甚至达到4，竖向放大系数达到9，对于列车安全仍有很大的潜在危险。

表4 轮对位移峰值及残余位移

6 结论

本文基于中国高速铁路地震预警尚缺乏抗震方面试验研究这一背景，特开展首台国内高速铁路大型振动台试验，文章详细的介绍了试验模型中轨道底板、CRTSⅡ型板式轨道板、钢轨扣件、钢轨及列车的设计制作过程，并以中国地震局提供的郑州黄河大桥桥址地震波为激励，研究了模型在该地震波作用下的加速度动力响应规律，试验结果表明：

(1) 在现行规范中规定地震后停车阈值为120 Gal，模型加载0.12g地震波时，路基高程能显著增大水平向地震波幅值，但竖向加速度峰值变化较小；钢轨水平向加速度峰值较轨道板处增幅大于竖向加速度峰值增幅，钢轨与轮对相互作用竖向响应明显强于水平向。由轮对位移可知，此工况下列车不会脱轨，现行停车阈值设置安全。

(2) 转向架水平向减震效果明显，转向架竖向加速度增加，列车水平向响应较强，加速度大于转向架，列车竖向响应与转向架接近，转向架水平减震效果强于竖向，但竖向响应更强。

(3) 水平加速度傅里叶谱分析显示路基对30～40 Hz较大的放大效应，转向架处30～40 Hz频段削弱明显；竖向加速度傅里叶谱分析显示路基及轨道板竖向加速度频谱变化不大，转向架处30～40 Hz频段增加明显。

(4) 当加载地震波幅值不大于0.14g时，钢轨处水平及竖向加速度放大系数随加载地震波幅值增加而增加，不同轮对响应差别大，0.14g以后放大系数起伏不定，但均值仍大于0.14g以前，水平向4号轮对右下钢轨与1号左下钢轨加速度放大系数规律较为一致，竖向1号轮对右与1号轮对左加速度响应规律一致，但总体上右侧下钢轨放大系数大于左侧下钢轨，4号轮对右下钢轨响应最弱。

(5) 列车的水平加速度放大规律与轮对钢轨下的加速度放大规律一致，沿路基纵向振动变强；竖向在加载地震波幅值小于0.12g时，转向架的放大系数最大，列车3孔放大系数大于列车其他位置；当加载地震波幅值大于0.12g时，列车中部2孔响应弱与列车其他位置，转向架响应最强。水平与竖向加速度响应对比可知竖向响应明显强于水平向。

(6) 现行停车阈值下列车虽不会脱轨，但列车水平向及竖向加速度放大系数很大，仍有较大潜在危险，路基对于地震波具有一定放大效应，可考虑钢轨隔震措施，同时对于列车需考虑更进一步的减震设计。