斜拉桥上动车组交会及制动、启停试验设计与实施

张明，瞿雄，沈洋，孟鑫，董振升，王巍，郑庆东，梁晓东

（1.中国铁路南昌局集团有限公司，江西南昌 330002；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081）

0 引言

动车组在大跨度桥梁上运行时会发生交会及制动、启动等不同工况，由于动车组运行速度快，会对桥梁产生竖向、横向、纵向的复杂荷载冲击。不同结构类型桥梁的受力传递方式和受力特点各不相同，这些动力荷载传递至桥上线路、梁体、桥墩。由于“车-线-桥”耦合动力分析十分复杂，通常采用仿真计算或现场试验方法研究其相互作用特征[1-4]。

列车牵引和制动均通过车轮踏面与钢轨间的摩擦力实现，相应在钢轨顶面产生纵向作用力。国内外理论和试验研究表明：对于相同制动类型车辆，列车停止瞬间达到制动力的最大值，各个车辆制动力大小相同。列车制动初速度越高，所需制动距离及时间越长。列车制动停车前较短时间内迅速增大的制动力会造成梁体产生较大的纵向位移、桥墩底部弯矩瞬间增大[5-7]。

为研究列车制动力及其传递特征，列车制动试验一般在普速、重载铁路常规跨度桥梁上开展，试验列车多为货车。国内外很少在大跨度铁路桥梁上开展动车组的交会及制动、启停试验。

元洪航道桥（132+196+532+196+132）m钢桁梁斜拉桥前期完成了静、动载试验，静载试验主要测试竖向列车静荷载作用下的结构刚度、应力等指标；动载试验结合联调联试试验开展，仅在一线通过试验列车进行振动响应测试。静、动载试验尚未验证纵向力作用下的桥梁力学性能以及双线列车以不同速度在桥上交会时的动力响应等问题。开展桥上列车交会及制动、启停试验，对处于海洋强风环境下的动车组运行具有指导意义。

1 桥梁概况

平潭海峡公铁两用大桥是我国首座公铁两用跨海大桥，铁路按I级双线铁路200 km/h、公路按高速公路6车道100 km/h标准设计。大桥地处复杂海域，列车运行安全和平稳需要重点考虑。3座通航孔桥均采用钢桁梁斜拉桥结构，其中最大跨度的元洪航道桥主桥跨径布置为（132+196+532+196+132）m，主桥塔梁间设置竖向及横向约束，边墩及辅助墩顶设置纵向活动支座以提供竖向及横向约束。N3#桥塔与钢桁梁间顺桥向设置固定支座，限制主梁顺桥向位移。N4#桥塔与钢桁梁间使用带限位功能的黏滞阻尼器，塔两侧共设置8套。主塔处主梁与主塔之间设置抗风支座加强横向约束。

元洪航道桥位于人屿岛与长屿岛之间，全长1188m。斜拉桥主梁采用带斜副桁的直桁截面，双层桥面布置。其中，上层公路桥面除梁端6个节间为钢桁混凝土结合桥面外，其余桥面均为正交异性钢板为主的板桁组合整体桥面结构，下层铁路桥面采用正交异性钢板整体桥面结构，由纵肋（梁）、横梁及其加劲的钢桥面面板组成。主桥主梁顶宽35.6 m，桁高13.5 m，下弦桁宽15.0 m。

平潭海峡公铁两用大桥部分纵断面示意见图1。

图1 平潭海峡公铁两用大桥部分纵断面示意图

2 试验目的及依据

2.1 试验目的

在新建大跨度铁路钢桁梁斜拉桥上开展动车组交会试验，获取不同速度等级下动车组交会时的“车-桥”动力响应，用于分析双线行车时桥梁振动特性，与单线行车振动特征进行对比，分析运营状态最大竖向加载和偏载作用下梁体的竖向和扭转振动。根据综合检测列车测试数据，掌握交会时动车组运行的稳定性（安全性）、平稳性状态。

通过动车组制动、启停试验，掌握大跨度铁路斜拉桥上动车组速度为80 km/h时紧急制动原始试验数据，分析动车组制动力作用特征，用于验证支座及阻尼器、钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置的工作状态，分析梁轨纵向相对动位移、钢轨应力、制动力大小及其对下部支座、桥墩影响，掌握桥梁结构在制动状态下的动力响应。

2.2 试验依据

根据TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》第4.3.11条，列车制动力或牵引力计算应符合下列规定：

（1）制动力或牵引力应按计算长度内列车竖向静活载的10%计算；当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时，制动力或牵引力应按计算长度内列车竖向静活载的7%计算。

（2）双线桥梁按一线的制动力或牵引力计算；三线或三线以上的桥梁按双线的制动力或牵引力计算。

（3）设计车站内桥梁时，应根据结构型式考虑制动和启动同时发生的可能性。

《铁路桥梁检定规范》（铁运函〔2004〕120号）第11.3.1条制动试验规定：试验荷载以特定速度运行，在桥上进行紧急制动，以测定荷载制动时产生的构件应力和位移，据此检验结构物在制动力作用下的工作状态。

2.3 计算分析

为掌握纵向制动力作用下桥梁结构的整体变形趋势及受力状态，开展钢桁梁斜拉桥的仿真分析，用于指导现场试验测点布置、方案设计。全桥结构计算分析采用空间板梁单元法进行有限元建模，整体模型和列车制动力作用下的全桥纵向位移见图2。

图2 整车模型和列车制动力作用下的全桥纵向位移

开展动车组牵引仿真分析，得到动车组加速、减速距离及不同制动模式下的制动距离，为合理设计交会及制动、启停试验方案提供技术支撑。动车组牵引仿真分析结果见图3。

图3 动车组牵引仿真分析结果

3 试验组织及流程

3.1 试验组织

（1）铁路局集团公司负责组织、实施试验。参加大纲编制，按试验大纲编制的实施方案和列车运行计划，负责行车组织、施工管理、设备运用维护、安全管理、应急救援；负责试验机车车辆、动车组检修；配合测试单位开展测试工作，协调解决试验中相关问题。

（2）建设单位组织相关单位提供技术资料；配合组织、实施试验；必要时组织施工单位进行设备调整工作；负责后勤保障工作。

（3）测试单位编制试验大纲，参加列车运行计划编制；负责按大纲完成全部试验工作；在试验过程中，负责对试验设备的工作状态和运行安全进行检查，确保运用状态良好和运行安全；进行相关试验数据的处理分析、编写试验报告。

（4）为保证试验顺利进行，成立专门组织机构，制定日常工作办法。共设置6个工作组负责综合协调、技术测试、运输组织、设备保障、后勤保障、安全保卫工作。

（5）由于试验的不确定性，专项试验指挥部编制设备故障、试验列车故障、气候影响、试验超时等应急处理原则及相关处理预案。同时，还制定了试验安全保障措施，包括：加强组织领导、加强施工管理、提升行车设备质量、严防列车超速运行、杜绝侵线、加强劳动安全管理、加强作业门管理等。

3.2 试验流程

（1）铁路局集团公司组织召开试验方案研讨会，对交会及制动、启停试验的可行性进行讨论。

（2）测试单位研究制定试验方案，根据试验目的确定测点位置及数量，并现场操作实施。

（3）建设单位组织召开试验方案专家评审会。参会专家对试验方案开展讨论、质询，并对测点布置、试验组织提出具体要求。

（4）相关各单位在元洪航道桥上实施动车组交会及制动、启停试验。

（5）测试单位处理分析试验数据、总结相关规律并编写试验报告。

4 交会试验设计与实施

4.1 试验设计

交会试验采用2列动车组，1列综合检测列车CRH2A-2010在下行线运行，1列16辆编组CRH2A重联动车组在上行线运行。综合检测列车可实时提供轨道几何状态、动车组动力学响应、接触网状态等检测参数，监控交会试验期间动车组的运营安全。同时在铁路沿线开展风速监测。

交会试验位置在主桥中跨跨中处（K1 872+500），交会允许50 m偏差，上行线和下行线动车组分别以160、180、200 km/h的速度进行交会，每个速度等级下交会次数分别为2、2、4次，共计8次。在交会试验前，上行和下行动车组分别开展了各速度等级的正、反向标尺测试，为机务人员操作提供准确时刻。

根据厂家提供的动车组技术资料开展牵引仿真计算，并编制具体操纵方案和试验计划。正式试验前，机务人员在试验现场开展相关调研，进一步完善操纵方案，以提高动车组行车控制精度。

4.2 测点布置

（1）测试动车组交会作用下梁体、桥墩、桥塔横向和竖向振动，与单线行车振动对比分析。分析动车组运营状态加载和偏载作用下梁体的扭转振动。

（2）测试动车组交会作用下梁体控制截面的动应变，评定杆件的工作状态。

（3）测试动车组交会作用下活动支座及阻尼器动位移、梁端伸缩装置动位移、端横梁动挠度，评定结构局部变位是否过大。

（4）测试动车组通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等指标，评价行车稳定性。

元洪航道桥钢桁梁斜拉桥交会试验测点布置见图4。测试参数包括桥梁各控制断面的动位移、动应力、振幅、加速度、列车车速、列车运行稳定性指标（地面测试）等[8-10]。

图4 元洪航道桥钢桁梁斜拉桥交会试验测点布置

4.3 试验实施要点

（1）试验根据确定的交会最高速度200 km/h，在机务人员现场调研和牵引计算分析的基础上，在目标交会位置前后区域预留20 km的行车距离，在动车组实际行车时间滞后于标尺测试时间的情况下，可采用单列或双列动车组调整行车速度的方法提高交会试验成功概率。当动车组从0 km/h提速到交会速度后，至少预留5个时间校准点，每个点间距离至少2 km，以保证有充足时间调整行车速度。如果交会最高速度提高，目标交会位置前后预留行车距离要相应增加。在标尺测试前，必须短接整个试验区域内的接触网分相以确保动车组速度稳定，确认LKJ数据以准确掌握动车组具体位置。

（2）当进行每个速度级的标尺测试时，需要在车头至少配备2名记录人员，负责记录车速、里程、时刻等相关信息。2名记录人员核对时间无误后，按照其中1人计时数据指挥行车。

（3）记录人员应事先做好培训，提前做好各项准备工作：熟悉使用可延续计时的秒表、进行调速计算、明确测试分工与协助任务、根据试验制作记录表格、熟悉工作流程、制定应急处理预案等。

（4）条件允许时，在动车组两侧车头配备固定的司机进行操作，每趟列车行驶时司机的操作手法尽量保持一致。由于车辆性能和司机操作存在差异，交会试验中当前2个校准点与标尺测试存在0～1 s差异时，可暂不作调整。后续校准点调整车速不宜过快，调整车速的范围宜为±3 km/h。现场实践表明，行车操作差异为1～2 s，记录人员记录差异为0～0.5 s。

（5）当需要上、下行动车组联动控制速度时，保持G网手机畅通，实时沟通2车各自与标尺校准点的差异，依据试验前制定的试验规程指导司机操作。

（6）当动车组运行速度可以略微超出交会速度运行时，实际交会位置与目标交会位置可控制在±15 m内；当未超出目标交会速度运行时，实际交会位置与目标交会位置可控制在±50 m内。

5 制动、启停试验设计与实施

5.1 试验设计

在上、下行各选择1列16辆编组CRH2A型重联动车组进行试验，试验分单线制动和双线启停试验。为验证支座及阻尼器、钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置的工作状态，制动动车组第1轴停车位置在N4#桥塔处和N6#墩处（距离梁端35 m）。每个位置的制动及启停试验共进行9次。试验前与动车组司机沟通制动需求，保证按试验要求进行制动操作。

由于常规制动所需制动距离较长，动车组会以常规制动状态经过桥梁梁端的钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置，为降低制动试验风险，将动车组常规制动的初始速度确定为60 km/h。单线制动选择在下行线进行，1列重联动车组正向采用2种制动方式：速度60 km/h常规制动和速度80 km/h紧急制动，分别将动车组第1轴停在N4#桥塔处和N6#墩处（距离梁端35 m）。

双线启停试验采用2列重联动车组，其中1列动车组A车在下行线制动，同时另外1列动车组B车在上行线进行启动操作。在试验开始前，上行B车车尾最后1轴停在上行线N4#桥塔处。下行A车以80 km/h的速度正向行车，采用紧急制动的方式停车，将A车第1轴停在N4#桥塔处；在下行A车停车的同时，上行B车全速启动。同样的方式在N6#墩处（距离梁端35 m）进行启停试验，每个工况进行3次。2列动车组制动、启停试验次数统计见表1。

表1 列车制动、启停试验次数统计

5.2 测点布置

（1）测试车体纵向加速度，分析动车组对桥梁的纵向作用特征。

（2）测试主桥与引桥梁端的纵向相对位移，分析制动力作用下梁缝位移变化大小和同步情况。

（3）测试支座和阻尼器的纵向位移变化，验证阻尼器工作状态，分析二者位移变化的异同。

（4）测试钢轨与主梁的纵向相对位移，分析桥梁和线路的受力状态。

（5）测试主梁、桥塔的纵向振动响应，分析制动力作用下主梁纵向工作状态。

（6）在钢轨相应位置对钢轨纵向力、纵向振动加速度进行测试，分析钢轨受力状态及振动特征。

制动、启停试验测点布置见图5。测试参数包括车体纵向振动、钢轨振动、钢轨纵向力，以及桥梁各控制断面的梁轨相对位移、动位移、纵向振动、杆件应变等[11-12]。

图5 两列动车组制动、启停试验示意图

5.3 试验实施要点

（1）在试验指挥人员、机务人员现场调研和制动计算分析的基础上，参试人员在试验现场共同确认动车制动操作的具体位置。实际制动停车位置与制动目标位置可控制在-15 m～+5 m内。

（2）机务人员在制动过程中应一次操作到位，不允许反复制动，在启动时满级牵引。

（3）制动试验期间，工务段、动车段派检查人员携带有关工具添乘动车组，根据需要下车检查线路、动车组轮对设备。当日试验结束后，工务部门按规定申请天窗上线检查线路。

（4）制动、启动试验同步进行期间，A车在制动即将停止的时刻向B车下达启动指令，B车按照指令进行满级牵引启动。

（5）根据试验需要，试验指挥人可临时安排增加试验序列，由试验指挥人通知行车指挥人转报列车调度员。

（6）测试人员注意记录车型、自质量等车辆信息，同时记录制动距离、制动时间等。采用力平衡加速度计（0 Hz起）记录车体纵向加速度，在安装时注意与车辆牢固连接，采集期间注意分析波形是否与行车状态吻合，确保数据准确有效。还可以在钢轨上安装测量列车速度的传感器，与力平衡加速度计相互校核。

6 试验总结

在福平铁路平潭海峡公铁两用大桥大跨度钢桁梁斜拉桥上成功开展了动车组交会及制动、启停试验，获取最高交会速度200 km/h时的“车-桥”动力响应数据，掌握桥上动车组80 km/h紧急制动原始试验资料。对试验设计与实施总结如下：

（1）根据仿真分析结果及现场调研资料，对试验进行整体规划和设计，编制可操纵的实施方案和试验计划。经实践检验，动车组实际交会位置、制动停车位置与试验预设目标位置基本吻合。说明试验设计科学、合理，为动车组交会及制动、启停试验积累了可借鉴的经验。

（2）条件允许时，动车组实际车头交会位置与目标交会位置可控制在±15 m内。动车组实际制动停车位置与制动目标位置可控制在-15 m～+5 m内。

（3）对动车组交会及制动、启停试验组织、关键测试参数、实施要点等进行疏理，为今后同类试验提供参考。