高速鐵路有砟與無砟軌道過渡段優(yōu)化設(shè)計研究

高志國

（鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300142）

高速鐵路有砟與無砟軌道過渡段優(yōu)化設(shè)計研究

高志國

（鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300142）

以大（同）西（安）高鐵有砟軌道與CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道過渡段為研究對象，開展軌道過渡段動力性能仿真計算，并以鋼軌撓度變化率為評價指標分析過渡段有、無道砟粘結(jié)措施時的輪軌動力響應(yīng)結(jié)果，從動力學(xué)角度對過渡段是否可以取消道砟粘結(jié)措施提出建議。

高速鐵路；有砟無砟過渡段；道砟膠；鋼軌撓度變化率

1　工程概況

大西高鐵太原至運城段行經(jīng)太原盆地、臨汾盆地和運城盆地，盆地內(nèi)分布有地裂縫，地裂縫的活動變形不是人力可以控制、阻止的，但是可以采取工程措施協(xié)調(diào)地裂縫的變形以滿足工程需要，最大限度地延長工程的使用壽命和養(yǎng)護維修周期。因此對于地裂縫活動較為強烈、影響區(qū)范圍較大，且與高速鐵路小角度斜交的地段采用有砟軌道。大西高鐵太原至運城段有兩處地裂縫地段采用了有砟軌道結(jié)構(gòu)。

東觀地裂縫對應(yīng)線路里程為DK337+481.070—DK338+021.750，線路長度540.7 m。

東六支地裂縫對應(yīng)線路里程為DK344+907.290—DK345+298.050，線路長度390.8 m。

2　有砟與無砟軌道過渡段一般措施

我國高速鐵路對有砟與無砟過渡段一般采取如下措施：

1）過渡段在有砟軌道一定范圍內(nèi)設(shè)置道砟膠，道砟膠按分段粘結(jié)方式進行過渡，即全部粘結(jié)區(qū)、枕下和砟肩粘結(jié)區(qū)、枕下粘結(jié)區(qū)；

2）過渡段設(shè)置輔助軌，輔助軌采用25 m定尺長60 kg/m鋼軌，其中無砟軌道地段長5 m，有砟軌道地段長20 m；

3）無砟軌道支承層向有砟軌道延伸一定長度，若在橋臺位置可設(shè)置鋼筋混凝土搭板；

4）過渡段有砟軌道的軌道剛度通過調(diào)整扣件彈性墊層分級過渡。

3　仿真分析模型

為對列車通過有砟軌道與CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道過渡段時的輪軌動力性能進行分析，建立如圖1所示的列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道過渡段動力學(xué)模型。

圖1所示的列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道過渡段動力學(xué)模型中，將車輛視為由車體、構(gòu)架及輪對組成的多剛體系統(tǒng)，考慮各部分的橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點頭等自由度。

圖1　列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道過渡段動力學(xué)模型

有砟軌道為傳統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)形式，主要由鋼軌、扣件、鋼筋混凝土軌枕及碎石道床等部分組成。在有砟軌道結(jié)構(gòu)中，軌道部件都將參與振動。其中，將鋼軌視為彈性點支承基礎(chǔ)上的Bernoulli-Euler梁，并考慮左、右股鋼軌的垂向、橫向及轉(zhuǎn)動自由度。軌枕考慮其垂向、橫向運動及轉(zhuǎn)動自由度，鋼軌與軌枕以及軌枕與道床之間通過線性彈簧和黏性阻尼連接。道床考慮垂向振動。

CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕和混凝土道床板組成。鋼軌的模型與上述相同。由于雙塊式軌枕與混凝土道床板完全聯(lián)結(jié)在一起，為考慮其振動，將道床板按扣件間距離散成質(zhì)量塊，塊與塊之間通過線性彈簧和黏性阻尼連接，基礎(chǔ)對其的支承彈性和阻尼通過道床板質(zhì)量塊下方的線性彈簧和黏性阻尼體現(xiàn)。

4　仿真計算條件

4.1列車計算條件

CRH3型車，行車速度300 km/h。

4.2軌道計算條件

圖2為有砟軌道與CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道過渡段示意圖。圖中有砟軌道和雙塊式無砟軌道的詳細計算參數(shù)見表1、表2。

圖2　有砟軌道與CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道過渡段示意（單位：m）

表1　有砟軌道計算參數(shù)

由于上述線路沿縱向由不同軌下基礎(chǔ)組成，主要體現(xiàn)為軌道剛度動態(tài)變化（軌道剛度不平順），而軌道隨機不平順屬于幾何不平順。因此，分析中不考慮軌道隨機不平順的影響。

表2　雙塊式無砟軌道計算參數(shù)

5　軌道過渡段動力性能的評價指標

軌道過渡段區(qū)域軌下基礎(chǔ)剛度差屬于動力不平順，應(yīng)該采用動力學(xué)的方法進行分析評估。當車輛通過軌道過渡段時，應(yīng)滿足行車安全性和舒適性的要求，同時應(yīng)盡可能減輕軌道結(jié)構(gòu)動力作用水平。根據(jù)相關(guān)文獻，鋼軌撓度變化率（車輪下方鋼軌動撓度對運行里程的一階導(dǎo)數(shù)）可作為有效評價由軌下基礎(chǔ)剛度動態(tài)變化引起的輪軌動力作用的綜合指標，并且從減輕輪軌動力作用和改善行車平穩(wěn)性的角度，鋼軌撓度變化率應(yīng)該控制在0.3 mm/m以下。

6　仿真計算結(jié)果及分析

利用列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道過渡段動力學(xué)模型進行分析計算，得到行車速度為300 km/h，在有、無道砟粘結(jié)措施的情形下，列車通過軌道過渡段時的鋼軌撓度、鋼軌撓度變化率分別如圖3、圖4所示。

圖3　列車通過軌道過渡段時的鋼軌撓度

圖4　列車通過軌道過渡段時的鋼軌撓度變化率

有道砟粘結(jié)措施時，有砟軌道與無砟軌道過渡段處鋼軌撓度變化率最大值為0.07 mm/m，無道砟粘結(jié)措施時，鋼軌撓度變化率最大值為0.15 mm/m，兩者均滿足＜0.3 mm/m的限值要求。

7　結(jié)論

本文通過建立列車-有砟軌道-CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道過渡段動力學(xué)模型，分析計算了行車速度為300 km/h，有、無道砟粘結(jié)措施的情形下，CRH3動車通過軌道過渡段時的輪軌動力響應(yīng)，得到結(jié)論如下：

1）列車通過軌道過渡段時，無道砟粘結(jié)措施時鋼軌撓度變化率明顯大于有道砟粘結(jié)措施時。

2）有道砟粘結(jié)措施時，鋼軌撓度變化率最大值為0.07 mm/m，無道砟粘結(jié)措施時，鋼軌撓度變化率最大值為0.15 mm/m，兩者均滿足＜0.3 mm/m的限值要求。

3）從動力學(xué)角度考慮，有、無道砟粘結(jié)措施，均可保證CRH3動車以300 km/h安全通過，因此大西高鐵有砟無砟過渡段不采用道砟粘結(jié)措施能夠滿足行車安全。

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Optimization Design Study on Transition Section Between Ballast Track and Ballastless Track of High Speed Railway

GAO Zhiguo
（The 3rd Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China）

T aking the transition section between the ballast track and CRT SⅠdouble-block ballastless track of Datong-Xi'an high speed railway as the research object，the dynamic performance simulate calculation of track transition section was carried out，the wheel/rail dynamic response results of transition section with ballast glue measures or not were analyzed by considering the rail deflection change rate as the evaluation index，and whether the ballast glue measures should be canceled or not was discussed from the perspective of dynamics.

High speed railway；T ransition section between the ballast track and ballastless track；Ballast glue；Rail deflection change rate

U213.2+41

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.29

1003-1995（2016）09-0118-03

（責任審編孟慶伶）

2016-02-26；

2016-06-15

高志國（1986—），男，工程師，碩士。