京滬高速鐵路黃河大橋有砟—無(wú)砟過(guò)渡段動(dòng)力性能研究

趙 強(qiáng)，張 歡，涂英輝，許良善，劉海濤

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路對(duì)軌道的平順性要求十分嚴(yán)格，過(guò)渡段兩端剛度相差較大，會(huì)對(duì)軌道平順性的保持產(chǎn)生不利影響，在一定程度上限制高速列車的高平順性。因此，解決過(guò)渡段剛度不平順問(wèn)題，對(duì)于我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展具有重要的意義。

京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋設(shè)計(jì)速度為350 km/h，其中有砟段總長(zhǎng)為2 010 m，分布里程為K397+400—K399+400，南北引橋范圍采用CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道，有砟—無(wú)砟軌道過(guò)渡段鋪設(shè)在32跨簡(jiǎn)支梁上。橋址處于魯西平原南端濟(jì)南黃河北店子以下的窄河道上，大橋在兩岸臨黃大堤之間，為京滬高速鐵路和太原青島高速鐵路4線共建，橋梁概況見(jiàn)圖1。

圖1 濟(jì)南黃河特大橋(112+3×168+112)m剛性梁柔性拱橋(單位:m)

1 有砟—無(wú)砟軌道過(guò)渡段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

濟(jì)南黃河大橋過(guò)渡段基本軌內(nèi)側(cè)設(shè)置2根60 kg/m輔助軌，長(zhǎng)度為25 m，其中有砟軌道內(nèi)20 m，無(wú)砟軌道內(nèi)5 m，基本軌與輔助軌中心距為500 mm。過(guò)渡段范圍的軌道剛度采用分級(jí)過(guò)渡的方式，其中有砟段扣件墊板剛度從35 kN/mm逐級(jí)過(guò)渡至60 kN/mm。有砟—無(wú)砟過(guò)渡段平面布置示意如圖2。

圖2 有砟—無(wú)砟過(guò)渡段平面布置示意

2 黃河橋有砟—無(wú)砟過(guò)渡段仿真分析

2.1 車輛—軌道動(dòng)力分析模型

本文針對(duì)高速鐵路客車車輛—軌道建立動(dòng)力分析模型，因此選取二系懸掛車輛模型，如圖3所示。在建立車輛運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，作了如下假定:

1)不考慮車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)的彈性變形，即車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)均為剛體。

2)車輛沿直線線路作等速運(yùn)動(dòng)，不考慮縱向動(dòng)力作用的影響。

圖3 高速鐵路客車車輛—軌道動(dòng)力分析模型示意

3)車輪與鋼軌法向接觸力由赫茲非線性彈性接觸理論確定，并允許輪軌相互脫離。

4)一系與二系懸掛及輪對(duì)定位的彈簧特性為線性。

5)車輛所有懸掛系統(tǒng)之間的阻尼均按粘性阻尼計(jì)算。

6)車體關(guān)于質(zhì)心左右對(duì)稱和前后對(duì)稱。

7)車體、轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)各剛體均在基本平衡位置附近作小位移振動(dòng)。

根據(jù)上述假定，進(jìn)行垂向動(dòng)力仿真分析時(shí)，車體和轉(zhuǎn)向架各有2個(gè)自由度，分別是浮沉和點(diǎn)頭。每個(gè)輪對(duì)有1個(gè)沉浮自由度。對(duì)4軸車而言，每輛車應(yīng)有10個(gè)自由度;對(duì)6軸車而言，每輛車應(yīng)有12個(gè)自由度。本文著重建立4軸車的車輛運(yùn)動(dòng)方程，并可推廣至六軸車中。

軌道模型為模擬過(guò)渡段區(qū)域線路剛度的變化，各支承點(diǎn)的扣件間距、彈簧和阻尼參數(shù)均可變。

2.2 仿真分析工況

車型為CRH380AL，采用8輛編組，編組順序?yàn)橥?6×動(dòng) +拖，車速分別為 250，300，350 km/h。根據(jù)濟(jì)南黃河橋的實(shí)際試驗(yàn)情況，計(jì)算時(shí)列車行進(jìn)方向從無(wú)砟區(qū)段進(jìn)入有砟區(qū)段。橋跨結(jié)構(gòu)為8跨32 m簡(jiǎn)支梁橋，有砟—無(wú)砟分界線在第四跨與第五跨橋梁的梁縫中點(diǎn)，鋼軌節(jié)點(diǎn)按各扣件位置劃分。

1)線路結(jié)構(gòu)

考慮兩種情況:一是有砟區(qū)段道床剛度為實(shí)測(cè)的75 kN/mm，二是道床剛度為設(shè)計(jì)值120 kN/mm，其余參數(shù)均按設(shè)計(jì)圖輸入。

2)線路不平順

為模擬試驗(yàn)期間及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的線路平順狀態(tài)，選取兩種不平順樣本進(jìn)行分析，一是路基直線段實(shí)測(cè)不平順，二是根據(jù)《客運(yùn)專線300～350 km/h軌道不平順管理值審查意見(jiàn)》中軌道不平順動(dòng)態(tài)管理值Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(舒適度管理標(biāo)準(zhǔn))的規(guī)定，將路基直線段實(shí)測(cè)不平順中高低不平順?lè)档缺葦U(kuò)大到幅值9 mm的不平順樣本。

2.3 仿真分析結(jié)果

分別考慮道床剛度75 kN/mm和120 kN/mm、實(shí)測(cè)路基不平順和幅值9 mm不平順樣本下的鋼軌垂向位移最大值見(jiàn)表1。其中無(wú)砟和有砟區(qū)段的鋼軌支點(diǎn)均以無(wú)砟—有砟分界線為基準(zhǔn)向兩側(cè)編號(hào)，計(jì)算了分界線無(wú)砟軌道區(qū)段1#～10#，有砟軌道區(qū)段1#～40#扣件位置對(duì)應(yīng)的鋼軌垂移。軌枕編號(hào)參見(jiàn)圖2。

表1 不同工況動(dòng)力作用下鋼軌垂移

由表1可知:①軌枕支承剛度75 kN/mm、路基地段實(shí)測(cè)不平順工況下，鋼軌垂移為無(wú)砟區(qū)段1.01～1.18 mm，有砟區(qū)段0.84～1.05 mm。②軌枕支承剛度75 kN/mm，幅值9 mm不平順工況下，鋼軌垂移為無(wú)砟區(qū)段0.98～1.35 mm，有砟區(qū)段0.81～1.28 mm。③軌枕支承剛度120 kN/mm，路基地段實(shí)測(cè)不平順工況下，鋼軌垂移為無(wú)砟區(qū)段0.92～1.18 mm，有砟區(qū)段0.74～1.00 mm。④軌枕支承剛度120 kN/mm，幅值9 mm不平順工況下，鋼軌垂移為無(wú)砟區(qū)段0.98～1.35 mm，有砟區(qū)段0.71～1.26 mm。

濟(jì)南黃河大橋有砟—無(wú)砟過(guò)渡段仿真分析表明:軌枕支承剛度和軌道不平順的變化均會(huì)對(duì)過(guò)渡段軌道的鋼軌垂向位移產(chǎn)生影響。同種工況下，有砟軌道區(qū)段鋼軌垂向位移比無(wú)砟軌道略小，幅值相差不大，在有砟—無(wú)砟分界點(diǎn)附近兩者鋼軌相對(duì)橋面最大位移較接近，實(shí)現(xiàn)了過(guò)渡段軌道剛度的平順過(guò)渡。

3 黃河橋有砟—無(wú)砟過(guò)渡段現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

有砟—無(wú)砟軌道過(guò)渡段位于濟(jì)南黃河橋北引橋圓曲線上，半徑8 000 m，超高150 mm，試驗(yàn)區(qū)段中心里程為K397+450，主要測(cè)試內(nèi)容為軌道靜剛度、軌道動(dòng)剛度、車體和軸向振動(dòng)加速度等。

3.2 軌道靜剛度

綜合試驗(yàn)前對(duì)過(guò)渡段不同位置道床靜剛度進(jìn)行了測(cè)試，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、圖4。

表2 過(guò)渡段軌道靜剛度

由表2和圖4可以看出，京滬高鐵鐵路濟(jì)南黃河大橋有砟—無(wú)砟過(guò)渡段不同位置的道床靜剛度相差不大，為軌道結(jié)構(gòu)剛度的平順過(guò)渡提供了前提條件。

圖4 有砟—無(wú)砟過(guò)渡段鋼軌靜態(tài)剛度

3.3 軌道動(dòng)剛度

各型綜合試驗(yàn)列車通過(guò)橋上京滬高速鐵路橋上有砟軌道、過(guò)渡段、CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道，實(shí)測(cè)鋼軌垂向位移見(jiàn)表3。

表3 過(guò)渡段軌道動(dòng)剛度mm

由表3可以看出，CRH2-068C和CRH380BL通過(guò)京滬高鐵鐵路濟(jì)南黃河大橋有砟—無(wú)砟過(guò)渡段試驗(yàn)段時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度相差不大，無(wú)砟軌道最大，過(guò)渡段其次，有砟軌道最小，實(shí)現(xiàn)了過(guò)渡段剛度的均勻過(guò)渡。

3.4 車體振動(dòng)加速度

綜合檢測(cè)列車通過(guò)橋上有砟軌道及有砟—無(wú)砟過(guò)渡段、CRTSⅠ型板地段時(shí)，車體振動(dòng)加速度及動(dòng)力響應(yīng)見(jiàn)圖5和圖6。在里程坐標(biāo)下，標(biāo)出了線路的基本特征。

圖5 以328 km/h速度通過(guò)過(guò)渡段時(shí)車體振動(dòng)加速度

圖6 不同速度通過(guò)過(guò)渡段時(shí)車體動(dòng)力響應(yīng)

由圖5和圖6可見(jiàn):綜合檢測(cè)列車的車體加速度均很小，未超過(guò)規(guī)定限值，濟(jì)南黃河大橋有砟地段車體加速度略大于CRTSⅠ型板地段。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋有砟軌道、有砟—無(wú)砟過(guò)渡段及CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道仿真分析及動(dòng)態(tài)測(cè)試，得出如下結(jié)論和建議:

1)軌枕支承剛度和軌道不平順的變化均會(huì)對(duì)過(guò)渡段軌道的鋼軌垂向位移產(chǎn)生影響。同種工況下，有砟軌道地段鋼軌垂向位移比無(wú)砟軌道略小，幅值相差不大，在有砟—無(wú)砟分界點(diǎn)附近兩者鋼軌相對(duì)橋面最大位移較接近。

2)京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋有砟—無(wú)砟過(guò)渡段在未進(jìn)行道砟膠結(jié)的情況下，由道床靜態(tài)測(cè)試結(jié)果計(jì)算的軌道剛度在過(guò)渡段范圍相差不大。

3)京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋有砟—無(wú)砟過(guò)渡段軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度相差不大，無(wú)砟軌道最大，過(guò)渡段其次，有砟軌道最小，實(shí)現(xiàn)了過(guò)渡段軌道剛度的平順過(guò)渡，滿足了動(dòng)車組高速運(yùn)行的穩(wěn)定性要求。

4)綜合試驗(yàn)列車通過(guò)過(guò)渡段時(shí)車體及軸箱振動(dòng)加速度變化幅值與其它地段基本一致，說(shuō)明列車通過(guò)過(guò)渡段時(shí)的動(dòng)態(tài)平順性較好。

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