路基冻胀区双块式无砟轨道动力特性研究

2021-01-22孙井林张鲁顺刘郑琦

现代城市轨道交通 2021年1期

孙井林，张鲁顺，刘郑琦

（中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京 100055）

我国高速铁路季节性路基冻胀造成的高速铁路平顺性和稳定性问题，影响了列车运行的安全性、舒适性以及无砟轨道主体结构的服役性能。

许多研究人员在高速铁路路基冻胀机理及规律[1-5]、路基冻胀监测分析[6-7]、冻胀不平顺管理标准[8]、防冻胀措施[9-10]等方面开展了大量研究工作。在路基冻胀区无砟轨道性能方面，赵国堂等[11]通过建立高速铁路无砟轨道-路基冻胀耦合计算模型，分析路基冻胀变形波长和幅值对我国主型无砟轨道结构受力的影响；张鲁顺等[12]通过建立车辆-轨道-路基冻胀耦合动力学模型，对路基不同冻胀幅值、冻胀位置和行车速度下CRTS -Ⅰ型板式无砟轨道轮轨动力响应及轨道结构受力进行分析；杨国涛等[13]基于动力学分析，提出了CRTS -Ⅲ型板式无砟轨道路基冻胀控制标准。为此，本文以双块式无砟轨道为研究对象，建立车辆-轨道-路基冻胀一体化动力学分析模型，研究路基冻胀状态下轮轨动力响应以及无砟轨道动力学性能。

1 计算模型

在建立车辆-双块式无砟轨道-路基冻胀一体化分析模型时，无砟轨道模型方面，设定纵向连续式双块式无砟轨道长度为200 m，由道床板和支承层组成，道床板为C40 现浇混凝土，支承层为HGT 水硬性混凝土。双块式无砟轨道道床板与支承层间、支承层与基床表层间，采用库伦摩擦模型模拟[14]，扣件、道床板及支承层模型采用空间实体单元模拟，扣件模型采用三向弹簧-阻尼单元模拟，冻胀导致的不平顺按余弦波考虑。

车辆方面，采用我国高速铁路CRH380A 统型动车组，车辆定距为2.5 m，轴距为17.5 m，轴重取15 t，车体、转向架、轮对按刚体考虑。根据车辆的振动特性，考虑车体和2 个转向架的浮沉、侧滚、点头、横移和摇头运动，考虑轮对的浮沉、侧滚、横移和摇头运动[15]。轮轨间法向作用力由赫兹非线性弹性接触理论确定，切向蠕滑力由蠕滑理论确定。

考虑路基冻胀与列车荷载2 种荷载组合，计算路基冻胀产生轨道结构初始应力、初始形变、结构层间接触关系及轮轨动力。

车辆-双块式无砟轨道-路基冻胀一体化分析模型如图1 所示。

图1 车辆-双块式无砟轨道-路基冻胀一体化分析模型

2 轮轨动力响应特性

图2 给出了行车速度350 km/h，冻胀幅值选取路基不均匀变形控制值15 mm 时，不同冻胀波长下脱轨系数、轮重减载率和车体垂向加速度曲线。由图2 可以看出，安全性和舒适性指标满足规范要求[16-18]；冻胀波长小于20 m 时，轮轨动力响应指标较大，其中，冻胀波长为10 m 时，各动力响应指标达到峰值，冻胀波长大于20 m 后，逐渐趋于稳定；冻胀波长小于20 m 时，纵连式轨道结构自身抗弯刚度较大，引起轮轨动力响应增大。冻胀波长大于20 m 时，道床板和支承层的变形波长和冻胀波长基本相同，轨道结构层间较为稳定。冻胀波长为10 m，幅值为15 mm，速度分别为200 km/h、250 km/h、350 km/h 时，脱轨系数分别为0.14、0.15、0.16，轮重减载率分别为0.17、0.19、0.23，车体垂向加速度分别为0.32 m/s2、0.34 m/s2、0.36 m/s2。因此，轮轨动力响应基本随行车速度的增加而增大。

3 轨道结构动力响应特性

3.1 轨道结构振动特性

（1）图3、图4 分别给出了冻胀波长10 m、80 m时，冻胀起始点、峰值点、结束点处的钢轨垂向加速度时程曲线。由图3 可见，冻胀起始点、峰值点、结束点、无冻胀区的钢轨垂向加速度峰值分别为2 500 m/s2、1 800 m/s2、2 400 m/s2、2 200 m/s2左右，10 m 冻胀波长起始点和结束点处钢轨垂向加速度较无冻胀区域大，冻胀峰值点处钢轨垂向加速度较小。由图4 可见，冻胀起始点、峰值点、结束点、无冻胀区的钢轨垂向加速度峰值为2 200 ～2 300 m/s2左右；80 m 冻胀波长起始点、峰值点、结束点处钢轨垂向加速度差别不大，钢轨振动较10 m 冻胀波长较小。

图2 轮轨动力指标与冻胀波长关系曲线

图3 10 m 冻胀波长时不同冻胀处钢轨垂向加速度时程曲线

图4 80 m 冻胀波长时不同冻胀处钢轨垂向加速度时程曲线

图5 10 m 冻胀波长时不同冻胀处道床板垂向加速度时程曲线

图6 80 m 冻胀波长时不同冻胀处道床板垂向加速度时程曲线

（2）图5、图6 分别给出了冻胀波长10 m、80 m 时，冻胀起始点、峰值点、结束点处的道床板垂向加速度时程曲线。由图5 可见，10 m 冻胀波长起始点、峰值点、结束点、无冻胀区的道床板垂向加速度峰值分别为60 m/s2、20 m/s2、60 m/s2、30 m/s2左右，与10 m 冻胀波长时钢轨垂向加速度规律类似，冻胀起始点和结束点处道床板垂向加速度较大，冻胀峰值点处道床板垂向加速度较小。由图6 可见，冻胀波长80 m 时，冻胀起始点、峰值点、结束点、无冻胀区的道床板垂向加速度峰值为40 m/s2左右，冻胀起始点和结束点处道床板垂向加速度与无冻胀区峰值差异较小，冻胀峰值点处道床板垂向加速度仅在轮对通过时有峰值出现，表明长波长冻胀对道床板垂向加速度影响较小。

3.2 轨道结构受力特性

（1）路基冻胀主要影响轨道结构顶部纵向拉应力，因此轨道结构受力特征分析时，重点讨论道床板和支承层顶部纵向拉应力分布特征。图7 给出了不同冻胀波长时道床板顶部冻胀峰值处纵向拉应力时程曲线，由图7可见，路基冻胀使道床板顶部产生纵向拉应力，轮对经过前道床板顶部纵向拉应力增大，轮对经过时道床板顶纵向拉应力减小；冻胀波长5 m、10 m 时，道床板顶部纵向拉应力峰值出现在冻胀峰值点处；波长20 m 时，道床板纵向拉应力峰值在道床板顶部冻胀峰值点处或道床板底部车轮经过处；波长40 m 及以上时，道床板纵向拉应力最大值发生在道床板底部车轮经过处。因此，5 m、10 m 短波长冻胀对道床板受力影响较大，波长40 m 及以上时可不考虑冻胀对道床板受力的影响，只考虑行车本身对其影响。

图7 不同冻胀波长时道床板顶部纵向拉应力时程曲线

（2）不同冻胀波长时支承层顶部冻胀峰值处纵向拉应力时程曲线，如图8 所示，不同冻胀波长时支承层纵向拉应力最大值位置及规律与道床板顶部的变化规律类似。

（3）图9 为不同冻胀波长时冻胀峰值处无砟轨道结构层顶部纵向拉应力与设计值对比。冻胀波长5 m、10 m 时，道床板和支承层顶部最大纵向拉应力均超过强度设计值；冻胀波长20 m 时，在设计强度附近；冻胀波长40 m 及以上时，小于设计强度值。因此，5 m、10 m 等短波冻胀影响轨道结构受力，易产生开裂，设计时道床板宜采用预应力钢筋，支承层宜考虑适当配筋。