捣固稳定作业次数对新建铁路道床振动传递特性的影响

张智海, 肖 宏, 王 阳, 迟义浩

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044;2. 北京交通大学 轨道工程北京市重点实验室,北京 100044)

有砟轨道作为铁路线路最基本的轨道结构形式之一,具有高性价比、易于维修等突出优势,已成为各国铁路建设的必然选择[1-2]。随着全球铁路基础设施建设的快速发展,每年新建的有砟铁路比例逐渐增大。这些新建的铁路在开通运营前,均需进行道床捣固稳定作业来调整线路的几何形位[3-4],提高线路的承载能力和稳定性,以保障线路顺利开通、平稳运营[5-6]。但现有的大机捣固稳定作业工艺均基于长期的工程实践经验,缺乏科学的理论指导,导致捣固作业过程中道砟颗粒破碎、捣固作业后几何形位难以保持、稳定作业后线路平顺性差等一系列问题,严重影响捣固稳定车的作业质量[7-8]。因此,开展捣固稳定作业对道床动力特性影响的研究,具有重要的工程意义。

为探明捣固稳定作业对道床力学特性的影响,许多学者通过利用物理试验和数值模拟手段开展了相关研究工作。在试验研究方面:Mcdowell等[9]和Wang等[10]利用室内道砟箱模型和小型激振器,分析了在循环荷载作用下捣固作业次数对道床沉降特性的影响,模拟了稳定作业过程,指出较高的激振频率(36～40 Hz),不利于道床稳定。Kumara等[11]和Przybyowicz等[12]借助室内缩尺试验平台,分析了小型捣固机作业前后道床累积沉降,比较了竖向和侧向捣固后道床的密实度变化规律,结果表明,捣固作业会增大道床沉降量,侧向捣固效果优于竖向捣固。Xiao等和Liu等[13]在新建铁路上开展了道床纵横向阻力及支承刚度现场试验,分析了捣固作业次数与道床纵向和横向阻力的相关性,探明了不同起道量与道床质量状态间的内在联系,结果表明,道床纵横向阻力随着捣固作业次数的增大而逐渐减小,不同起道量对新建铁路捣固作业质量影响较大。在数值模拟研究方面:Saussine等[14]和Zhou等[15]利用离散单元法建立了小型捣固装置-道砟箱模型,探究了捣固作业频率对道床力学状态的影响,结果表明,捣固作业的最优振动频率为35 Hz。Shi等[16-18]建立了双枕捣固装置-有砟道床仿真模型,分析了捣固作业对道床密实度的影响,给出了捣固作业最佳捣固深度为20～30 mm。Zhang等[19]利用离散元与多体动力学耦合算法建立了三枕捣固装置-钢轨-轨枕-散体道床三维耦合模型,从宏细观角度分析了捣固作业对道砟颗粒运动及法向接触力的影响,结果表明,捣入阶段道床内部存在道砟法向接触力临界位置,对道砟颗粒受力不利。

以上试验研究主要借助室内小型试验台及缩尺模型来分析捣固稳定作业对道床局部力学特性的影响,但受道床原始状态、边界效应及平台尺寸的限制,该类研究无法反映现场真实的捣固状态。仅有的现场试验主要关注捣固稳定作业对道床静态力学特性的影响,并未涉及捣固稳定作业次数对道床纵向振动传递特性的影响。此外,已有的数值仿真模型,大多采用静态指标道床横向阻力进行验证,缺乏大量的动力特性试验进一步证实模型的可靠性。

为弥补以上研究不足,采用“单点激振多点拾取”的方法,在新建铁路线上开展了道床动力特性锤击试验,从时频域角度细致分析了捣固作业次数及捣固稳定作业次数对道床纵向振动传递特性的影响,给出了最佳的捣固稳定作业工艺,以期为新建铁路捣稳组合工艺的选择及数值仿真模型的验证提供了技术指导和理论依据。

1 现场试验

1.1 试验对象

选取某新建I级铁路k11+481～ k11+509 地段开展试验,如图1(a)所示。现场捣固稳定作业车车型为DWL-48,车长为33 990 m,整车质量为129 t,实际平均作业速度为1.0～1.5 km/h,同时可以对3根轨枕进行捣固作业,并采用捣固车和稳定车拼装组合技术,实现了捣固稳定一体化作业模式,提高了作业效率,如图1(b)～图1(d)所示。

图1 现场概况Fig.1 Field overview

现场有砟轨道结构及尺寸,如图2所示。试验区段铺设长度为2 500 mm、最大截面宽度294.5 mm的新II型混凝土轨枕,间距为600 mm。道床是由道砟颗粒(花岗岩)堆积压密而成,其厚度为300 mm,砟肩宽度为400 mm, 顶面宽度为3 300 mm。一级道砟颗粒级配如图3所示。

图2 有砟轨道结构(mm)Fig.2 Ballasted track structure (mm)

图3 一级道砟颗粒级配Fig.3 Grade 1 ballast particle gradation

1.2 锤击试验的方法及步骤

锤击试验是冲击激励无损测试技术的一种,主要是通过力锤激励来获取结构动力特性。已有研究表明[20-22]锤击试验是识别有砟轨道结构状态的最有效方式之一。Lam等[23-24]、Alabi等[25]、Adeagbo等[26]基于贝叶斯方法利用锤击试验分析轨道结构的振动特性。因此,本文也利用该技术来探究捣固稳定作业工艺对道床振动传递特性的影响。

考虑到现场的实际作业情况,参考文献[27-29],需要将3个垂向加速度传感器布置在距离轨枕S1,S2和S3端部250 mm的位置,以保证获取高质量的轨枕振动数据。现场布置的垂向加速度传感器工作频率为0.35～10.00 kHz,灵敏度为501 mV/g,谐振频率16 kHz,量程为10g,质量47 mg。已有研究表明当使用相同的能量敲击结构时,不同锤子可以激发出不同频率带宽。一般来说,锤子越软,脉冲越宽,频率带宽越窄。实践结果表明尼龙锤的测量频率介于橡胶锤和钢锤,考虑到锤子和轨道结构之间的力学特性,现场试验采用尼龙锤。力锤的尼龙头带有ICP力传感器(integrated circuits piezoelectric),测力范围为0～25 000 N,灵敏度为0.195 mV/N,激励力范围为1 000～7 000 N,其激励频带为0～2.5 kHz。测试使用16通道的高精度数据采集仪,采样频率为12.24 kHz,具体的测试设备和传感器布置,如图4所示。

图4 测试设备安装Fig.4 Test equipment installation

在测试试验过程中,先在轨枕1正上方(见图4)的钢轨上表面正中位置进行标记,以保证每次试验敲击的位置相同。然后利用3个垂向加速度传感器同时捕捉各轨枕的振动,并及时采用数据采集仪记录试验数据。值得注意的是,在每个工况测试时,都进行5次独立重复试验,减小测试误差。

1.3 测试内容及工况

现场新建铁路试验区段采用分批次捣固稳定作业方式,每次捣固与稳定作业间隔1 d,共进行捣固稳定作业4次。为方便设备安装,选择的上下行线路分别记为I和II,其中: Ⅰ线开展捣固作业次数对道床纵向振动传递特性的影响试验;Ⅱ线进行捣固稳定作业次数对道床力学特性的影响试验。现场捣固稳定作业具体的参数设置、试验内容及对比工况,如表1所示。表1中:D0为未捣固前状态;D1为第一次捣固;D2为第二次捣固;D3为第三次捣固;DW0为捣固稳定前状态;DW1为第一次捣固稳定组合作业;DW2为第二次捣固稳定组合作业;DW3为第三次捣固稳定组合作业;DW4为第四次捣固稳定组合作业。

表1 现场试验内容Tab.1 Field test content

2 结果讨论

2.1 捣固次数对道床振动传递特性的影响

2.1.1 时域特征分析

轨枕加速度时域特征是直接衡量道床动力特性的主要指标。为研究不同捣固次数对道床振动传递特性的影响,绘制了各轨枕加速度的时程变化曲线,如图5所示。为方便分析道床振动传递特性,定义了纵向振动衰减率Rij,如式(1)所示。

图5 不同捣固次数下轨枕加速度随时间的变化规律Fig.5 The variation of sleeper acceleration with time under different tamping times

(1)

式中:Rij为振动响应从第i根轨枕传递至第j根轨枕的纵向振动衰减率;ASi为第i根轨枕的最大加速度值;ASj为第j根轨枕的最大加速度值。需要注意的是,在进行数值大小比较时,取道床纵向振动衰减率的绝对值进行对比,且绝对值越小说明结构的整体越好。

由图5可知,随着时间的增大,各轨枕的加速度均呈减小趋势,并逐渐趋于稳定,且在加速度0点附近有微小波动。仔细观察可以发现,随着捣固次数的增大,道床纵向振动衰减率R13(轨枕1传递至轨枕3)逐渐增大,而道床纵向振动衰减率R12(轨枕1传递至轨枕2)呈先减小后增大的变化趋势,且在第二次捣固作业时道床纵向振动衰减率出现最小值,约为30.73%。这表明第二次捣固作业后道床的整体性最好,道砟和轨枕间接触状态良好。为验证该结论的正确性,获取了各轨枕间的最大加速度传递时间,发现第二次捣固作业后,轨枕1传递至轨枕2及轨枕1传递至轨枕3的时间均达到极小值,分别为0.19 ms和0.20 ms。

另外,道床纵向振动衰减率的增长量越小,捣固次数对道床的扰动越小,道床抗外界扰动能力越强。通过进一步观察发现,图5中第一次捣固作业后R13增大了5.88%,第二次捣固相比第一次捣固作业R13增大了1.67%,第三次捣固相比于第二次捣固作业R13增大了2.7%,这表明第一次和第二次捣固作业后道床的抗外界扰动能力相对较强。

由以上分析可知,捣固作业次数对道床纵向振动传递特性的影响较大,捣固次数与道床动力特性呈非线性关系。当进行多次捣固作业时,建议捣固作业次数设为两次,以达到最优效果。究其原因,在同一起道量条件下第一次捣固作业并未使枕下道砟的密实度达到最高,且还会使枕盒道砟的均匀性变差。在此状态基础上进行第二次捣固作业会使道床的密实程度和均匀性增强,从而缩短了各轨枕间振动传递的时间。

2.1.2 频域特征分析

Liu等和Grassie等[30]的研究表明有砟轨道道床的主要响应频率介于0～600 Hz,而捣固作业的主要影响频率在0～500 Hz。考虑到道床的振动传递特性主要通过轨枕的响应频率来反映,因此,本文在进行频域特征分析时,先对试验数据进行低通滤波,然后主要分析0～500 Hz内的频段。为研究捣固作业次数对道床纵向振动特性的影响,分析了轨枕1、轨枕2和轨枕3的激励响应数据,获得了各轨枕频率响应函数,绘制了FRF(frequency response function)幅值随频率特征变化曲线,如图6所示。

图6 不同捣固次数下各轨枕频率响应特性Fig.6 Frequency response characteristics of each sleeper under different tamping times

由图6可知,由于激励点离1号轨枕最近,因此其能量(加速度频率响应)明显高于其他轨枕。在图6中不同捣固条件下各轨枕均有两个主要共振频率,其中第一共振频率介于68.125～184.375 Hz,第二共振频率介于293.125～376.875 Hz,这与Liu等研究中不同捣固次数下轨枕共振频率的变化规律基本一致。为进一步分析捣固作业次数对道床纵向振动传递特性的影响,提取了轨枕1在不同捣固作业下的两个主要共振频率,如图7所示。

图7 不同捣固作业次数下轨枕1的共振频率变化Fig.7 Changes of resonance frequency of sleeper 1 under different tamping times

由图7可知,随着捣固作业次数的增加,轨枕1的第一共振频率逐渐增大。第一次捣固作业(D1)后轨枕1的第一共振频率为100.625 Hz,相比未捣固前(D0)增长了40%;第二次捣固作业(D2)后轨枕1的第一共振频率为106.25 Hz,相比未捣固前(D0)增长了47.83%;第三次捣固作业后轨枕1的第一共振频率出现最大值(184.375 Hz),相比未捣固前(D0)增长率为156.25%。这表明第三次捣固作业对轨枕1的第一共振频率影响最大,第二次捣固作业对轨枕1的第一共振频率影响最小。仔细观察发现,轨枕1的第二共振频率随着捣固次数的增加呈先增大后减小的趋势。在第二次捣固(D2)后第二共振频率向右移动出现最大值(352.5 Hz),与未捣固前(D0)相比,第二共振频率增大了5.22%。这表明捣固作业主要改变了轨枕1的第一共振频率,且捣固作业次数对轨枕1第一共振频率的作用强于第二共振频率。究其原因,是由于捣固作业改变了枕下道砟颗粒的堆积形式,扰动了轨枕和道砟间的空间接触状态,导致轨道结构的纵向振动传递特性发生变化,使道床低频段响应更加剧烈。

2.2 捣固稳定次数下道床振动传递特性

2.2.1 时域特征分析

新建铁路在开通运营前,需要进行多次捣固稳定作业来改善线路的状态。为研究捣固稳定作业次数对道床纵向振动传递特性的影响,绘制了各轨枕加速度随时间的变化曲线,并借助2.1.1节的式(1)计算了道床纵向振动衰减率,如图8所示。为精确表征捣固稳定作业下道床的动力特性,定义了相邻轨枕最大加速度传递时间Tij,如式(2)所示。

图8 不同捣固稳定作业次数下道床振动时域特征Fig.8 Time domain characteristics of ballast bed vibration under different tamping and stabling operation times

(2)

由图8可知,随着捣固稳定作业次数的增大,道床纵向振动衰减率R13呈先减小后增大再减小的变化趋势,且第二次捣固稳定作业(DW2)后道床的纵向振动衰减率与初始状态(DW0)相差最小,约为2.24%。仔细观察还可知,道床纵向振动衰减率R12随着捣固稳定作业次数的增大呈先减小后增大的趋势,在第二次捣固稳定作业(DW2)后出现最小值,约为21.05%。这表明第二次捣固稳定作业后道床的整体稳定性较好。由图8(f)可知,随着捣固稳定作业次数的增大,轨枕1振动响应传递至轨枕2的时间T12及轨枕2振动响应传递至轨枕3的时间T23呈先减小后增大的变化趋势,其中T12在第一捣固稳定作业至第三次捣固稳定作业均为0.19 ms,T23在第一捣固稳定作业至第二次捣固稳定作业均为0.20 ms。这表明第一次捣固稳定作业和第二次捣固稳定作业的作业效果最好,当捣固稳定作业次数超过两次时,轨枕和道砟间的接触状态反而变差,不利于道床稳定。这同时也解释了现场频繁的捣固稳定作业会引起道床状态变差的怪现象。此外,捣固稳定次数对不同轨枕的影响程度各不相同,这与散体道床的离散特性密切相关。

综合考虑道床纵向振动衰减率和相邻轨枕最大加速度的传递时间,建议现场捣固稳定作业次数应设置为两次来提高捣固稳定作业质量。

2.2.2 频域特征分析

捣固稳定作业过程中伴随着道砟颗粒动能和势能的相互转化,这势必会影响轨枕的动力特性和道床的振动传递特性。为研究捣固稳定作业次数对道床纵向振动传递特性的影响,获取了轨枕1、轨枕2和轨枕3的激励响应数据,绘制了FRF幅值随频率特征的变化曲线,如图9所示。

图9 不同捣固稳定作业次数下各轨枕频率响应特性Fig.9 Frequency response characteristics of sleepers under different tamping and stabling operation times

由图9可知,各轨枕的第一共振频率介于74.375～184.375 Hz,第二共振频率介于218.75～386.875 Hz。第二次(DW2)和第三次捣固稳定作业(DW3)后轨枕2和轨枕3的第一共振频率所对应的FRF幅值均大于轨枕1,振动能量主要集中在轨枕2和轨枕3。这表明捣固稳定作业次数对轨枕的第一共振频率影响最大。在第二次(DW2)和第三次捣固稳定作业(DW3)后轨枕2与轨枕1和轨枕3在第二共振频率附近出现反共振,这表明在纵向方向钢轨传递至道床部分振动能量被吸收,这与Liu等研究的部分研究结果一致。

由图9(f)可知,随着捣固稳定作业次数的增加,轨枕1的第一共振频率呈先增大后减小再增大的变化趋势,在第二次捣固稳定作业后,轨枕1的第一共振频率出现极小值118.125 Hz,相对于初始状态提高了58.82%。轨枕1的第二共振频率随着捣固稳定作业次数的增加,呈先减小后增大的变化趋势,在第二次捣固稳定作业后,轨枕1的第二共振频率出现极小值220.625 Hz,相比于初始状态减小了37.96%。这表明第二次捣固稳定作业后有砟轨道的整体性最好,现场捣固稳定作业次数不应该超过两次。究其原因,是由于在捣固作业后立即进行稳定作业,有助于改善轨排结构与道床之间的接触状态,使作业后的有砟轨道具有良好的整体性。从式(3)可知,随着轨道结构参振质量的增加,系统的固有频率会逐渐减小。大型机械捣固作业后,轨枕与轨枕侧道砟颗粒之间的接触会受到干扰,轨道结构的整体质量会降低,但在稳定作业后,轨枕和轨枕侧的道砟接触状态稳定,轨道结构的参振质量明显增大,导致系统的固有频率会降低。这也解释并验证了第二次捣固稳定作业效果最好的结论。

(3)

式中:ωn为系统的固有频率;k为系统刚度;m为系统质量。

3 结 论

为研究新建铁路捣固稳定作业工艺,在北京丰台站附近Ⅰ级铁路上开展了锤击试验,从时频域角度分析了捣固作业次数和捣固稳定作业次数对道床纵向振动传递特性的影响。具体结论如下:

(1) 捣固作业次数对道床纵向振动传递特性的影响较大,捣固次数与道床动力特性呈非线性关系。从道床振动传递特性方面考虑,在新建铁路进行多次捣固作业时,建议将捣固作业次数设为2,以达到增强道床抗外界干扰能力和整体性的目的。

(2) 不同捣固条件下各轨枕存在两个主要共振频率,其中第一共振频率介于68.125～184.375 Hz,第二共振频率介于293.125～376.875 Hz。捣固作业主要改变了离激励源最近轨枕的振动特性,且离激励源最近轨枕的第一共振频率受捣固作业次数的影响明显大于第二共振频率。

(3) 道床纵向振动衰减率(轨枕1传递至轨枕2)随着捣固稳定作业次数的增大呈先减小后增大的趋势,在第二次捣固稳定作业后出现最小值21.05%。当捣固稳定作业次数超过两次时,轨枕和道砟间的接触状态反而变差,不利于道床稳定。捣固稳定作业次数对不同轨枕的影响程度各不相同,这与散体道床的离散特性密切相关。

(4) 随着捣固稳定作业次数的增加,第一共振频率呈先增大后减小再增大的变化趋势。在第二次捣固稳定作业后,轨枕1的第一共振频率出现极小值118.125 Hz,相对于初始状态提高了58.82%,该阶段有利于道床密实稳定。综合考虑捣固稳定作业次数对道床动态力学特性的时频域特征,建议新建铁路现场捣固稳定作业应该控制在两次,以保证捣固稳定作业质量。