无砟轨道层间离缝对时速400 km高速铁路车辆-轨道系统动力特性影响

韦强文,朱胜阳,罗 俊

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都 610031)

1 概述

CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国自行研制，具有完全自主知识产权和领先技术水平的高速铁路轨道技术。该轨道较好地兼顾了轨道弹性、结构耐久性及经济合理性等要求，被广泛应用于我国高标准高速铁路线路中[1-3]。CRTSⅢ型板式无砟轨道包含了钢轨、轨道板、自密实混凝土层和混凝土底座板等结构，其中轨道板和自密实混凝土层之间通过设置连接钢筋和前后浇筑方法实现紧密连接。在服役过程中发现，由于两者材料、结构特性的差异以及外部环境的侵蚀，在列车荷载和温度荷载作用下，容易造成两者连接分离，形成层间离缝。离缝是CRTS Ⅲ型板式无砟轨道一种常见病害，严重影响轨道结构的整体性和耐久性，在离缝劣化严重时，还将危及行车安全平稳性[4]。

对于离缝劣化机理，应用内聚力理论模型建立的损伤本构关系较好地反映板间离缝的损伤力学行为[5]，因此，在这一模型的基础上，板式轨道离缝原因、损伤发展规律及损伤导致结构上拱变形等问题得到了较为充分的研究[6-9]。对于离缝引发车辆-轨道系统振动特性的影响分析，杨政[10]基于有限元理论，考虑车辆荷载和温度荷载影响，对位置和尺寸不同的离缝工况进行研究；曾志平[4]将未离缝工况与板边离缝工况对比，揭示板边离缝对轨道结构动力特性的影响规律；娄平等[11]考虑了车辆和温度荷载组合差异以及离缝长度和宽度的影响，分析离缝对CRTSⅢ型轨道结构受力变形的影响；刘平等[12]则分析板端离缝长度对系统动力响应的影响，并关注于结构的耐久性，提出板端离缝长度的维修限值。对于CRTSⅢ型轨道层间离缝防治，文弋戈等[13]通过现场调查以及现场试验分析了层间离缝的形成原因，并建立简化力学模型研究离缝注浆修复材料的材料特性对轨道板结构受力的影响，结果表明，提高修复材料强度可有效提高结构抵抗变形能力；练兴平等[14]通过现场测试数据，分析晃车与离缝的关联性，并提出了离缝注浆修复的有效整治工艺方法。

在既有研究中，针对CRTSⅢ型板式无砟轨道的层间离缝问题，开展了劣化机理、损伤危害和防治等方面的深入研究，有力支撑了既有设计高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道的工程应用和科学管理。但目前研究大多针对时速350 km及以下的速度条件，对时速350 km以上速度条件下的离缝现象问题研究较少，而发展时速400 km及以上高速铁路已成为高速铁路发展的重要趋势[15-17]。车辆-轨道系统动力学相互作用更为突出，轨道损伤对车辆-轨道系统动力学特性的影响规律发生改变[18-19]。因此，针对时速400 km高速铁路亟待开展无砟轨道离缝的系统动力学研究，分析既有无砟轨道维修规范的适应性。对此，以自密实层与轨道板层间界面存在板边离缝脱空的CRTSⅢ型板式无砟轨道为研究对象，如图1所示。基于车辆-轨道耦合动力学理论，开展时速400 km条件下离缝扩张程度对车辆-轨道系统动力学特性的影响规律研究，为时速400 km高速铁路无砟轨道养护维修工作提供重要理论支撑。

图1 CRTSⅢ型轨道层间离缝

2 轨道层间离缝对系统动力学影响分析方法

2.1 车辆-轨道空间耦合动力学模型

为进行动力学分析，基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立图2所示的动力学计算模型。其中，车辆多刚体系统考虑车体、构架和轮对各自的沉浮、横移、点头、侧滚和摇头运动；轨道系统模拟为由钢轨、轨道板和底座板组成的弹性阻尼振动模型，其中钢轨、轨道板在垂向上分别以离散点支撑的简支梁和自由薄板进行模拟；扣件和自密实混凝土层均模拟为弹性-阻尼单元。层间离缝脱空考虑具有较大离缝宽度而无接触的离缝情况，因而，通过设置弹簧-阻尼单元失效进行模拟。轮轨法向力计算依据Hertz非线性接触理论，轮轨力蠕滑力以Kalker线性理论计算，并按沈氏理论进行修正，参考已有轮轨关系计算方法和数值计算[20]。

图2 车辆-轨道空间耦合动力学模型

2.2 工况设置

以标准轨道板P5600为研究对象，其平面尺寸如图3所示。为分析不同板边离缝工况对车辆-轨道系统的动力学影响，对轨道板与自密实混凝土层间的粘接界面，划分成(9×17)个小区域，如图4所示。板边离缝按周向扩张形式进行研究，即粘接界面间的离缝从板边区域1位置开始，按区域1、2、3、…、118、119、120顺时针顺序，逐渐由外向里扩张。其中，在横向上，区域3、区域5和区域7所在横向位置分别对应右轨轨下、板中和左轨轨下。以离缝范围每增加1个新区域为1个分析工况，共计120个工况。如第n个工况表示区域1～n发生离缝，其中工况0表示未出现离缝的正常工况。对每一个离缝工况进行动力学仿真，仿真中以波长范围2～200 m的中国高速无砟谱样本作为轨道不平顺激励。

图3 CRTSⅢ板式无砟轨道平面(单位：m)

图4 轨道层间离缝工况设置

3 离缝对车辆系统动力特性的影响

轨道结构伤损对行车系统轮轨关系以及车辆运行动力性能影响规律，是提供损伤防治建议的重要依据。针对离缝劣化对轮轨动态相互作用的影响，图5给出车速400 km/h下离缝工况1～工况120的轮轨垂向力响应曲线。每幅图包括轮轨垂向力全时程响应曲线及其局部放大曲线，各工况轮轨垂向力均在静轮重(57.38 kN)附近动态波动。离缝以周向顺时针发展，以每周为1层，可分为3层。如第1层发生离缝对应工况48；1～1.5层的劣化过程表示离缝从工况49发展至工况69的过程，其他劣化过程含义依次类推。计算结果表明，从离缝开始发展至第1层完全离缝的过程，轮轨垂向力变化可忽略不计。相比于正常工况0，从第1层劣化至1.5层，轮轨垂向力动态波动幅度增大，最小值逐渐减小，轮重减载量可达 20 kN。

图5 不同离缝劣化程度的轮轨垂向力

随着离缝区域的扩张，轮轨垂向力波动幅度变大，当离缝在2.5～3层劣化时，轮轨垂向力较正常工况的波动幅度明显增大。离缝工况105对应波动幅度增大42 kN，最大轮轨垂向力为110 kN，最小轮轨垂向力为6 kN，轮重减载现象明显，当离缝发展至工况111后发生了轮轨分离。

离缝扩张对车辆运行安全性的影响规律如图6所示，图中纵坐标表示安全性指标最大值。由图6可知，在工况88前轮重减载率的变化不大，在工况88之后轮重减载率开始增大，在工况110之后轮重减载率已超过安全限值0.8。脱轨系数在工况114前变化不明显，而在工况114后轮重完全减载，脱轨系数为无穷大。

图6 离缝对车辆运行安全性的影响

对于车辆系统动态响应，板边离缝对轮对振动加速度影响显著，其规律如图7所示，图中纵坐标表示轮对轴箱连接位置处的振动加速度最大值。由图7可知，当离缝发展至轨下后，离缝进一步扩张会导致轮对加速度明显增大，对轴箱等车辆部件产生不利影响。

图7 离缝对轮对加速度的影响

图8为不同工况下的车体垂向加速度最大值和垂向平稳性指标。由图8可知，在板边离缝分析工况范围内，车辆动态响应值变化幅度较小；板边离缝对车体振动加速度和车辆运行平稳性影响不大。

图8 离缝对车辆动态响应的影响

4 离缝对轨道结构振动的影响

板间离缝作为典型无砟轨道结构伤损之一，当伤损发生时，将影响结构的整体性和刚度，从而改变动载作用下结构振动特性，进一步影响车辆-轨道系统的动态相互作用。因此，为研究时速400 km条件下，离缝对系统动力学特性影响，考虑离缝发展至轨下时已是影响行车安全的严重伤损状态，取离缝工况1～88下的轨道结构振动响应进行分析。

图9、图10以增幅形式分别给出了不同车速条件下，离缝扩张时钢轨垂向位移与垂向加速度最大值变化规律。图中不等间距的竖向网格线分别对应9、25、33、48、55、69、75、88工况。其中，增幅是相对于无离缝正常工况而言，无离缝正常工况的轨道结构振动响应最大值如表1所示。

图9 板边离缝对钢轨位移的影响

图10 板边离缝对钢轨加速度的影响

表1 无离缝时轨道结构振动响应最大值

由图9、图10可见，随着离缝区域扩张，钢轨位移和加速度的整体变化趋势类似，均呈逐渐增大趋势，其中离缝对钢轨加速度影响程度较钢轨位移更为显著。离缝沿板的横向发展和纵向发展均会增大钢轨的振动加速度和振动位移的幅值。离缝沿纵向发展时，主要影响与离缝位置同侧的钢轨振动响应，对另一侧的钢轨振动影响不大，如在车速400 km/h下，工况55～工况69的沿左侧纵向劣化过程中，左轨位移的变化幅度增大约10%，而右轨位移的变化幅度基本不变。当离缝分布呈左右对称(工况48和工况88)，左右钢轨响应增幅相当。

对比不同车速的计算结果可知，在离缝仅发生于第1层时(工况1～工况48)，不同车速下钢轨振动响应增幅基本相当；当离缝从外侧扩张至第2层时(工况48～工况88)，车速400 km/h下钢轨响应增幅明显大于车速350 km/h对应响应增幅。

图11为车速400 km/h时，离缝工况88对应的轨道板不同位置处垂向位移和垂向加速度的幅值。由图11可知，轨道板板端振动响应最大，其余位置响应幅值普遍与正常无离缝工况的响应相当。可见对于轨道板，板边离缝主要影响轨道板板端的振动响应。

图11 轨道板不同位置的响应最大值

图12根据轨道板板端响应结果，给出不同速度条件下，轨道板垂向位移和垂向加速度最大值随离缝发展的变化规律。由图12可知，随着离缝的扩张，轨道板响应的增大发生于两次离缝沿板端劣扩张过程，即工况1～工况10、工况49～工况55。由图12可见，相比于沿纵向发展，离缝沿板横向发展对轨道板振动响应影响更大。与钢轨振动响应分析结果类似，当板边离缝达到第2层时，在不同速度行车下离缝对轨道结构振动响应影响存在明显差异，车速400 km/h下的影响较低速时更为显著。相比车速350 km/h运行条件，车速400 km/h条件下轨道结构振动响应更大，更容易加速层间离缝发展。

图12 板边离缝对轨道板加速度的影响

综上研究表明，在时速400 km条件下，离缝主要通过影响轨道结构振动特性进而影响轮轨相互作用关系，当离缝发展至轨下时，离缝劣化将影响车辆运行的安全性，此时应对损伤进行修补。由轨道板宽度尺寸2.5 m和轨距可知，离缝发展至轨下对应离缝深度约为500 mm。在既有高速铁路维修规则[21]中，将砂浆层离缝伤损等级分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级，其中Ⅲ级伤损程度最严重，其对应离缝深度为“≥100 mm”。依据该维修办法，深度大于500 mm的离缝可得到及时修补。关于无砟轨道离缝防治，既有线路维修标准适用于时速400 km高速铁路。

5 结论

基于车辆-轨道耦合动力学，建立高速列车CRTSⅢ型板式无砟轨道动力学模型，分析时速400 km条件下，轨道板与自密实混凝土层间板边离缝对系统动力特性的影响。主要结论如下。

(1)离缝对车体振动加速度及车辆运行平稳性影响不大，但对轮轨动态作用力影响较大。当离缝发展至轨下时，轮重减载现象明显，随着离缝持续扩展，轮轨接触状态逐渐恶化，严重时可危及高速行车安全。

(2)轨道板存在离缝时会使得轨道板、钢轨以及轮对振动响应幅值显著提高，各响应增幅中，轨道板振动加速度的增幅最大。相比离缝沿纵向发展，离缝沿着横向发展对轨道结构振动影响更大。

(3)在更高时速下，离缝会引起幅值更大的轨道结构振动响应，分析结果表明，既有高速铁路维修标准对时速400 km高速铁路仍具有较好的适应性。