基于动力学的轨束梁加固线路限速条件优化研究

阿布都克力木?卡马力

摘 要：既有铁路桥涵进行改（扩）建时，为保证行车安全，通常在铁路线路上架设轨束梁对其进行加固。期间，根据《普速铁路工务安全规则》要求，需对既有线路行车采取限速措施，但设计文件要求的限速值使得線路施工期间的铁路运能很紧张。为了缓解铁路桥涵施工与列车运行之间的矛盾，研究建立了动力学分析模型，分析了不同列车时速下轨道刚度变化及列车安全性和舒适性指标变化，提出了不同情况下合理、安全的铁路限速目标值，为施工方案设计和管理铁路运能提供了理论指导。

关键词：限速值；轨束梁；轨道刚度

中图分类号：U298.1；TQ13.2

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0157-04

Research on optimization of speed limiting conditions of rail beam reinforcement line based on dynamics

ABUDUKELIMU·Kamali

（Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Urumqi 830011，China）

Abstract：When the existing railway bridge and culvert are reconstructed （expanded），rail beams are usually reinforced by installing on the railway line to ensure traffic safety.During this period，according to the requirements of the “Safety Rules for Ordinary Speed Railway Works”，it is necessary to take speed limit measures for the existing lines，but the speed limit values required by the design documents make the railway capacity during the construction of the line very tight.In order to alleviate the contradiction between railway bridge and culvert construction and train operation，a dynamic analysis model was established，the changes in track stiffness and train safety and comfort indicators under different train speeds were analyzed，and reasonable and safe railway speed limit target values for different situations were proposed，providing theoretical guidance for construction scheme design and management of railway transportation capacity.

Key words：speed limit value;rail beam;rail stiffness

既有铁路桥涵进行改（扩）建时，为保证行车安全，通常架设轨束梁加固铁路线路，以增强轨道的整体刚度。同时，施工设计通常参照《普速铁路工务安全规则》中关于“桥隧涵施工作业安装D型钢便梁加固线路期间列车限速45 km/h”作为限速目标值。如果按多点位、多频次、长时间、低速度等要求限制既有铁路运营，将会造成铁路运能大幅度下降，给铁路运输造成更大的经济损失。如何在确保铁路运行安全的同时，适当提高铁路限速，以最大限度的减少铁路运输损失，以达到安全和运能上的“平衡”，成为一个焦点问题。基于此，研究从结构动力学角度出发，建立车辆-轨道耦合动力学模型，研究了不同时速时，行车的安全性与舒适性指标，提出了相对合理、安全的铁路限速目标值。

1 研究项目概况

乌将线扩能改造工程，线路起始于乌鲁木齐铁路枢纽内的乌北站，沿途经乌鲁木齐市新市区、米东区、乌鲁木齐市国家级甘泉堡经济技术开发区、阜康市、自治区级阜康产业园、吉木萨尔县北三台循环经济工业园、昌吉州国家级准东经济技术开发区至准东煤田五彩湾矿区设准东站，后沿准东煤田内 Z917 线（准东公路）南侧向东，终于 Z917 线与 S228 线交叉口西侧的准东煤田将军庙矿区，线路全长 257.035 km。新建二线及既有线均为Ⅰ级铁路，设计时速120 km/h。

新建二线与既有线并行段落长230 km，线间距从4.2～8.5 m不等，并行段落内桥涵工点392座，二线桥涵工点施工时，既有线路基本采用轨束梁进行加固处理，以确保铁路线路运行安全。

2 线路加固方式

轨束梁由轨束、木岔枕、连接件等组成。轨束采用P43钢轨，通常以3－5－3扣轨束组合（一股道2根基本轨外侧设置3根钢轨一束、2根基本轨内侧道心设置5根钢轨一束）；木岔枕采用普通岔枕160 mm×240 mm×3 500 mm，穿入既有轨枕间枕盒，以保证线路拨道、抬道等整修线路作业，木岔枕与基本轨间设绝缘胶垫和垫板；轨束与其下的木岔枕采用U形螺栓等连接件联结在一起形成整体，具体如图1和图2所示。

3 车辆运动模型

考虑轨束梁的结构特点，采用多体动力学软件Simpack建立车辆-轨道耦合动力学模型［6-8］。

3.1 车辆模型

车辆模型由1个车体、2个转向架和4个轮对组成，忽略各个部件的弹性变形，将其视为一个多

刚体振动系统。对于整车模型，车体、转向架各有5个自由度，分别是横向、垂向、侧滚、摇头和点头；轮对则考虑4个自由度，即横向、垂向、侧滚及摇头，整车共计31个自由度。转向架和轮对、车体和转向架之间运用弹簧阻尼单元模拟一系、二系悬挂连接，考虑垂、横、纵3个方向的阻尼和刚度，运用阻尼力元模拟横向和垂向减震器。

根据TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》中采用的ZKH活载，设置车辆模型的轴重为250 kN，以模拟最不利情况。

3.2 轨道结构

钢轨采用TB60轨，车轮廓形采用LMA型磨耗型车轮。为模拟轨下结构刚度变化，采用弹性轨道基础结构。建立弹性轨枕结构，钢轨与弹性轨枕相连。将轨下结构刚度看做一个等效刚度，通过99号力元来模拟轨下结构刚度及其刚度变化，如图3所示。

对于车辆-轨道动力耦合系统，轨道不平顺是其振动的主要来源，并通过轮轨相互作用力及振动传递影响到轨下其他结构，模型中轨道不平顺采用实测不平顺谱，将不平顺樣本数据生成Tre.文件，通过导入到Simpack中的函数中，再通过激励输入功能生成不平顺，最后在Track中按照Rail-related的形式添加。

在进行加固工作时，既有轨枕间插入木岔枕、扰动道床，会导致道床的纵、横向稳定性降低，进一步加大了轨道结构的不平顺性［17］。因此，在既有实测不平顺的基础上，考虑了一定的增大系数，尽可能模拟最不利情况。

3.3 基础模型

基于有限元软件Abaqus建立轨束梁［12-14］加固区域和未加固区域的轨道模型，得到其轨下刚度的变化。钢轨P43轨和轨道长度12.5 m为具体工况。为简化计算，轨束梁简化为长方体。轨束梁加固区域和未加固区域的轨道静力学模型［1-4］如图4所示。

由图4可知，由于轨束梁加固区域刚度的增加，列车在通过此区域时，轮轨垂向力和轮重减载率有较为明显的增加，且数值波动更为剧烈。而其他各指标虽与轮轨垂向力和轮重减载率相比增幅不够明显，但实验中也能看出在通过加固区域，其数值波动较大，指标最大值也多出现在此区域。

钢轨支座刚度（D）用来表征钢轨扣件和轨下基础的等效刚度，被定义为是轨底面产生单位下沉而作用于支座上的压力。由式（1）计算该刚度：

D=R/y（1）

式中：R为作用于支座上的力，kN；y为钢轨支座下沉量，mm。

对于垂向刚度计算，在左右钢轨扣件位置上方施加125 kN的垂向集中力；横向刚度计算，则在钢轨轨底施加40 kN的横向集中力，到钢轨支座下沉量及等效刚度，结果如表1所示。

由表1可知，在轨束梁的区域，轨道结构的垂向刚度和横向刚度都有显著增加。其中，垂向刚度是未加固区域的2.56倍，横向刚度则是未加固区域的2.07倍。

4 数值结果讨论

在Simpack中建立动力学［15-16］模型，通过99号力元模拟了轨道刚度的变化，如图6所示。

由图6可知，轨道刚度在轨束梁区域显著增大，轨道刚度在此区域存在明显的刚度增加再减小的情况。

行车速度100 km/h时各指标的时程图如图7所示。动力学模型中线路总长100 m，其中，轨束梁区域为12.5 m。

计算工况分别为列车速度：45、60、80、100和120 km/h，得到行车安全性与舒适性［18］指标结果如表2所示；轮重减载率随速度的变化情况如图5所示。

轮重减载率随速度的变化如图5所示。

由表2和图5可知，随着行车速度的不断提高，各个指标最大值基本都呈现出不断增加的趋势。车辆速度由45 km/h增到120 km/h，轮轨垂向力由141 kN增到221 kN，增幅达到57%；轮轨横向力由6.7 kN增到11.6 kN，增幅达到73%；轮轴横向力由10.3 kN增到16.4 kN，增幅达到59%；轮重减载率则是当速度达到100 km/h时，其值为0.570，接近0.6的容许限值；当速度达到120 km/h时，轮重减载率为0.777，已经超过0.65的危险限值：脱轨系数由0.054增到0.092，数值很小，无脱轨风险；车体垂向加速度虽有一定增加，但增幅也较小；而对于车体横向加速度，由最初的0.188 m/s2增到0.478 m/ s2，增幅也达到了154%。

由以上分析可知，车辆在通过轨束梁加固区域时，车辆安全性和舒适性指标有一定程度的增加，且在行车速度达到100 km/h后轮重减载率接近容许限值，速度120 km/h后轮重减载率超过危险限值。考虑到轨束梁加固区域复杂现场情况，保留一定安全富余量，在保证行车安全与舒适的同时，尽可能提升线路通过运能，建议通过该区域时车辆速度降为80 km/h。

5 结语

（1）在铁路轨束梁的区域，轨道结构的垂向刚度和横向刚度显著增加。最不利情况下，轨道垂向刚度是未加固区域的2.56倍，轨道横向刚度则是未加固区域的2.07倍;

（2）车辆在通过轨束梁加固区域时，其安全性和舒适性指标有一定程度的增加。在速度达到100 km/h时，轮重减载率接近安全容许值；在速度达到120 km/h时，轮重减载率超过了安全限值，且轮轨垂向力数值也较大;

（3）考虑一定安全富余量，在保证行车安全与舒适的同时，尽可能提升线路通过运能，建议车辆通过轨束梁区域时限速80 km/h（除路肩范围内施工“人工挖孔桩”加固路基期间限速60 km/h外）。同时，需加强加固区域轨道状态的检测，保证线路轨道不平顺的控制。

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收稿日期：2023-09-05；修回日期：2023-12-08

作者簡介：阿布都克力木·卡马力（1977-），男，工程师，研究方向：桥梁设计与施工； E-mail：304041032@qq.com

引文格式：阿布都克力木·卡马力.

基于动力学的轨束梁加固线路限速条件优化研究［J］.粘接，2024，51（3）：157-160.