高速鐵路共振問題相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究

周勇政

(中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院,北京 100038)

目前，我國已初步建成世界范圍內(nèi)路網(wǎng)覆蓋面積最大、科技攻關(guān)難題最多、地質(zhì)條件最為復(fù)雜的高速鐵路路網(wǎng)，通車?yán)锍踢_(dá)到2.2萬km，建成了較為系統(tǒng)完善的高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

高速列車運(yùn)行時(shí)，當(dāng)激振頻率與其作用的結(jié)構(gòu)固有頻率接近或相同時(shí)，相互間產(chǎn)生的振動(dòng)即為共振。在持續(xù)的共振頻率作用，而結(jié)構(gòu)的阻力又不足以消耗相互激勵(lì)的能量時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是不穩(wěn)定的，振動(dòng)幅度將越來越大，直至損壞。

1 我國高速鐵路共振分類及研究現(xiàn)狀

高速鐵路共振按結(jié)構(gòu)質(zhì)量、作用位置等可分為車橋系統(tǒng)、輪軌系統(tǒng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)及其他部件等幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，多年來原鐵道部及鐵路總公司立項(xiàng)開展了多項(xiàng)科研課題，較為全面地研究了高速鐵路系統(tǒng)共振相關(guān)問題。

1.1 車橋系統(tǒng)

列車移動(dòng)荷載對(duì)橋梁的豎向激振頻率fl主要取決于車速v(m/s)和車長Lv(m)[1]。即：激振頻率=速度/車長。軸距、定距、兩車相鄰轉(zhuǎn)向架的中心距由于重復(fù)作用不連續(xù)，相對(duì)處于次要地位。列車以時(shí)速250～350 km運(yùn)行時(shí)，其激振頻率的范圍為2.20～3.85 Hz。中國鐵道科學(xué)研究院依托相關(guān)科研，提出了梁體不需進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力分析的基頻限值[2]。同時(shí)，為確保設(shè)計(jì)速度范圍內(nèi)動(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)，高速鐵路常用跨度橋梁在動(dòng)力性能仿真分析時(shí)均按照1.2倍設(shè)計(jì)速度進(jìn)行，這與歐洲、國際鐵路聯(lián)盟做法也是一致的[3，4]。

1.2 弓網(wǎng)系統(tǒng)

影響弓網(wǎng)系統(tǒng)共振的因素主要包括接觸網(wǎng)固有頻率、列車運(yùn)行速度、受電弓數(shù)量及間距、結(jié)構(gòu)阻尼等。通過研究得出：線路最高行車速度應(yīng)控制在接觸線波動(dòng)傳播速度的70%以下，或接觸線的波動(dòng)傳播速度不應(yīng)小于線路最高行車速度的1.4倍[5]。上述結(jié)論通過了動(dòng)態(tài)仿真評(píng)估和1.0～1.1倍線路最高行車速度的動(dòng)態(tài)檢測(cè)驗(yàn)證。

1.3 輪軌系統(tǒng)

高鐵共振在輪軌系統(tǒng)方面主要存在構(gòu)架橫向異常振動(dòng)、車體失穩(wěn)和車輪多邊形等問題。其中構(gòu)架橫向報(bào)警的主要原因是車輪磨耗與鋼軌磨耗造成的輪軌匹配等效錐度過大，通過鋼軌打磨[6]、優(yōu)化踏面設(shè)計(jì)、提高車輪鏇修質(zhì)量、優(yōu)化鋼軌廓形等措施解決；車體失穩(wěn)主要由于鏇修后車輪與鋼軌匹配等效錐度過低或輪軌異常激擾引起，通過輪軌廓形優(yōu)化、動(dòng)車組懸掛參數(shù)優(yōu)化可以緩解；車輪多邊形會(huì)引起輪軌間的高頻振動(dòng)，降低動(dòng)車組部件和軌道構(gòu)件的壽命，可通過優(yōu)化鏇床鏇修工藝、提高車輪硬度、調(diào)整車輛與線路頻率區(qū)間等措施解決。

1.4 其他部件

京滬高鐵、京津城際、武廣高鐵等陸續(xù)發(fā)現(xiàn)300-1型軌道扣件彈條斷裂現(xiàn)象[7]，通過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試和分析得出，鋼軌波磨和車輪多邊形磨耗產(chǎn)生的高頻激振頻率與彈條的固有頻率(500～650 Hz)接近，產(chǎn)生共振，彈條出現(xiàn)疲勞傷損甚至斷裂。針對(duì)該問題，一方面通過采取適當(dāng)措施控制鋼軌波磨和動(dòng)車組車輪多邊形磨耗，另一方面調(diào)整扣件彈條固有頻率，使其遠(yuǎn)離激振頻率，避免產(chǎn)生共振條件。

2 我國高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定

我國在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)，對(duì)高速鐵路系統(tǒng)耦合振動(dòng)高度重視，提出了明確要求。

2.1 《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2014)[8]

第3章“總體設(shè)計(jì)”3.1.4條，高速鐵路車、線、橋(或路基、隧道)、弓網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的動(dòng)力性能，應(yīng)滿足行車安全性和乘坐舒適度的要求。

第7章“橋涵”中，7.3節(jié)“結(jié)構(gòu)變形、變位與自振頻率的限值”，明確了橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能要求。

第11章“電力牽引供電”中，11.5節(jié)“接觸網(wǎng)”明確要求“高速接觸網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)的高速運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能的仿真評(píng)估”，并提出了具體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》(TB10761—2013)[9]

第3章“基本規(guī)定”中，規(guī)定了要對(duì)軌道幾何狀態(tài)、車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、路基、橋梁、隧道、牽引供電等進(jìn)行綜合檢測(cè)，驗(yàn)證工程的主要功能和性能是否滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際運(yùn)營列車的運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性要求。

第6章“橋梁”中，明確了橋梁動(dòng)態(tài)驗(yàn)收時(shí)的檢測(cè)參數(shù)、指標(biāo)、數(shù)據(jù)處理等要求。

第8章“電力牽引供電”中，8.2節(jié)“接觸網(wǎng)”明確了接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)驗(yàn)收時(shí)的檢測(cè)項(xiàng)目、指標(biāo)、方法以及數(shù)據(jù)處理等要求。

2.3 其他規(guī)范[10-11]

鐵路橋涵、電力牽引供電等專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范均有類似要求。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(通用參考圖)

2.4.1 橋梁通用圖設(shè)計(jì)情況

時(shí)速350 km高速鐵路常用跨度簡支箱梁通用圖設(shè)計(jì)中，預(yù)制梁的梁體剛度(梁端轉(zhuǎn)角控制)、基頻和殘余徐變拱度的設(shè)計(jì)參數(shù)與規(guī)范參數(shù)比值分別為53%、101%～108%和59%～62%；現(xiàn)澆梁相應(yīng)的三者比值分別為70%、106%～114%和71%～73%。即與梁體剛度、殘余徐變上拱限值相比，梁體基頻限值控制梁體的設(shè)計(jì)[12]，即：梁體基頻限值為控制指標(biāo)。

目前實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般按照最大二期恒載條件下梁體基頻與規(guī)范值基本相當(dāng)原則進(jìn)行考慮[13]，各梁型自振頻率均滿足規(guī)范要求，如32 m簡支箱梁理論計(jì)算自振頻率為4.78～5.32 Hz，大于規(guī)范中4.67 Hz的要求。而工程中由于實(shí)際彈性模量均高于理論值，實(shí)測(cè)梁體結(jié)構(gòu)基頻均在6.0 Hz以上[14]，高于設(shè)計(jì)值。

同時(shí)，常用跨度簡支箱梁設(shè)計(jì)時(shí)，動(dòng)力檢算速度分為250～350 km/h和375～420 km/h兩個(gè)速度段，計(jì)算用車型包括德國ICE、法國TGV、日本500系、國產(chǎn)高速車，簡支箱梁跨中豎、橫向振動(dòng)加速度均滿足要求，跨中橫向振幅均滿足橋檢規(guī)安全限值；在250～350 km/h范圍乘坐舒適度均達(dá)到良好以上，在375～420 km/h范圍乘坐舒適度達(dá)到合格以上；所有工況的車體加速度均合格[15]。

2.4.2 接觸網(wǎng)通用圖設(shè)計(jì)情況

《時(shí)速350 km高速鐵路接觸懸掛安裝圖(隧道外)》(通化[2016]1302)通用參考圖采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛，銅合金接觸線張力≥28.5 kN，線密度13.5N/m。張力30 kN的接觸線波動(dòng)傳播速度為536.7 km/h，列車運(yùn)行時(shí)速350 km約為接觸線波動(dòng)傳播速度的65.2%<70%，滿足規(guī)范要求。

3 國外高速鐵路共振研究和標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)情況

通過對(duì)國外高速鐵路共振研究和標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定的初步調(diào)研，可得以下主要結(jié)論。

3.1 車橋方面

3.1.1歐盟規(guī)范(EN1991-2：2003)[16]

歐盟規(guī)范規(guī)定了動(dòng)力分析可按實(shí)際運(yùn)營荷載及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行，并明確了動(dòng)力分析的流程、檢算內(nèi)容以及不同跨度、不同橋梁恒載條件下不需要進(jìn)行動(dòng)力檢算橋梁的最小基頻限值。為設(shè)計(jì)方便，歐盟規(guī)范規(guī)定了跨度在40 m以下的簡支梁不需進(jìn)行動(dòng)力檢算的“激振波長v/no”(v為車速；no為簡支梁豎向自振頻率)最大限值。

3.1.2德國規(guī)范(DS804)[17]

德國新版規(guī)范DS804在大量車橋動(dòng)力仿真的基礎(chǔ)上，制訂了設(shè)計(jì)查詢表格，根據(jù)橋梁質(zhì)量、跨度、阻尼比、運(yùn)行速度、抗彎剛度等選擇設(shè)計(jì)荷載及效應(yīng)。

3.1.3日本規(guī)范[18]

日本在進(jìn)行大量的“車-線-橋”動(dòng)力計(jì)算分析和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同車輛類型制定了動(dòng)力系數(shù)查詢圖。

3.2 弓網(wǎng)方面

3.2.1 歐盟規(guī)范

歐盟及其各國要求按EN50119[19]，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬，對(duì)高鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)估。仿真方法按《受電弓與接觸網(wǎng)間動(dòng)態(tài)交互作用的模擬》EN 50318：2002[20]，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)驗(yàn)證則按《弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的要求與評(píng)估》EN50317：2012[21]。

3.2.2 日本規(guī)范

日本《接觸網(wǎng)與受電弓特性》(鐵道綜合技術(shù)研究所)[22]與歐盟標(biāo)準(zhǔn)相近。

3.3 輪軌方面

構(gòu)架橫向報(bào)警、車體失穩(wěn)的根本原因是輪軌接觸及輪軌匹配等效錐度的問題。輪軌匹配等效錐度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)可以提高動(dòng)車組運(yùn)行的穩(wěn)定性，國際鐵路聯(lián)盟和歐洲TSI已經(jīng)制定有等效錐度評(píng)判指標(biāo)，確定了不同速度等級(jí)下的等效錐度設(shè)計(jì)值[23]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，德國ICE系列的車輪鏇修周期為30～40萬km，日本各系列的車輪鏇修周期為20～30萬km，法國TGV系列的車輪鏇修周期為25～35萬km，略高于我國15～30萬km的車輪鏇修周期。

4 國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)比

4.1 車橋系統(tǒng)方面

我國《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2014)提出了不需進(jìn)行動(dòng)力分析的簡支梁自振頻率限值。對(duì)于時(shí)速350 km的32 m簡支箱梁，自振頻率限值為4.67 Hz，而歐盟限值為5.07 Hz，日本限值為4.60 Hz[2]。

4.2 弓網(wǎng)系統(tǒng)方面

歐盟及其各國、日本等接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)波動(dòng)傳播理論、規(guī)范與我國類似。

4.3 輪軌系統(tǒng)方面

我國暫無輪軌匹配等效錐度的管理規(guī)范。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在高速鐵路開通前的綜合試驗(yàn)以及運(yùn)營過程中，對(duì)車和基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)力性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

5.1 車橋系統(tǒng)

京滬高速鐵路綜合試驗(yàn)中，選取成區(qū)段等跨布置的簡支梁橋，對(duì)動(dòng)力性能控制效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證：(1)高速動(dòng)車組行車在90孔等跨布置簡支梁橋上脫軌系數(shù)和輪重減載率無明顯變化，平穩(wěn)性指標(biāo)為優(yōu)，如圖1、圖2所示；(2)高速動(dòng)車組通過第1、2、3、21、22、23孔32 m簡支梁橋時(shí)的梁體豎向振動(dòng)響應(yīng)基本一致。試驗(yàn)表明梁體未發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖1 脫軌系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖2 輪重減載率測(cè)試結(jié)果

5.2 弓網(wǎng)系統(tǒng)

武廣等高速鐵路綜合試驗(yàn)中，對(duì)全部正線弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能均進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)表明性能良好，弓網(wǎng)未發(fā)生共振現(xiàn)象。

5.3 輪軌系統(tǒng)

針對(duì)部分高鐵運(yùn)營中出現(xiàn)的構(gòu)架橫向變形和車體失穩(wěn)等情況，研究采取了一系列措施。通過武廣、京津、京滬、哈大、蘭新等高速鐵路實(shí)測(cè)，采取措施以后相關(guān)問題得到了較好的控制[24]。

5.4 其他部件

2015年8月，貴廣高鐵鋼軌出現(xiàn)波磨現(xiàn)象，部分扣件彈條斷裂，測(cè)試表明激振頻率為488 Hz和566 Hz。同期動(dòng)車組車輪存在24邊形磨耗，時(shí)速245 km，產(chǎn)生高頻激振頻率612 Hz。同區(qū)段鋪設(shè)的WJ-8型扣件，彈條固有頻率為700～850 Hz，高頻激振頻率未接近WJ-8型扣件彈條的固有頻率，彈條未發(fā)生斷裂傷損。

6 結(jié)論

(1)目前我國高速鐵路主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)共振相關(guān)問題進(jìn)行了較為詳細(xì)的規(guī)定，試驗(yàn)證明，依照這些規(guī)定，我國高速鐵路共振系統(tǒng)中，車橋系統(tǒng)和弓網(wǎng)系統(tǒng)均不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，輪軌系統(tǒng)和其他部件在采取相關(guān)措施以后，也不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

(2)結(jié)合國內(nèi)外高速鐵路主要標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)共振相關(guān)問題規(guī)定的梳理，對(duì)比了各共振系統(tǒng)的主要指標(biāo)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，我國與國外主要共振標(biāo)準(zhǔn)中，車橋系統(tǒng)和弓網(wǎng)系統(tǒng)的有關(guān)規(guī)定大體相當(dāng)，在輪軌系統(tǒng)方面我國缺少相關(guān)管理標(biāo)準(zhǔn)。

7 建議

通過對(duì)我國高速鐵路共振問題相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究，建議如下。

7.1 標(biāo)準(zhǔn)仍需完善

我國已建立基本完善的高速鐵路規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，為高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。但隨著高速鐵路的快速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)仍缺少部分標(biāo)準(zhǔn)，如缺少等效錐度的管理規(guī)范等。

7.2 基礎(chǔ)理論研究尚需深化

高速鐵路建設(shè)初期，我們就研究了高速鐵路系統(tǒng)共振相關(guān)問題，但多是在德國、日本等國研究成果基礎(chǔ)上開展的，基礎(chǔ)理論研究仍不足。如橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中采用包絡(luò)的動(dòng)力系統(tǒng)，而日本采用近似運(yùn)營列車的N、P、H活載圖式和運(yùn)營動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。國內(nèi)外高鐵接觸網(wǎng)共振理論“列車運(yùn)行速度應(yīng)控制在接觸線波動(dòng)傳播速度的70%以下”是基于非主動(dòng)控制受電弓，采用電腦控制的主動(dòng)控制受電弓后，對(duì)接觸線的激振源發(fā)生較大變化，需進(jìn)一步研究。

7.3 系統(tǒng)配套研究需進(jìn)一步加強(qiáng)

高速鐵路建設(shè)與運(yùn)營中，很多研究是針對(duì)遇到的問題開展的，系統(tǒng)性的、綜合性的研究不足。如軌道結(jié)構(gòu)及部件預(yù)防產(chǎn)生共振的技術(shù)措施，包括不同軌道結(jié)構(gòu)、動(dòng)車組的固有振動(dòng)特性以及輪軌間的固有耦合振動(dòng)特性，鋼軌波磨和動(dòng)車組車輪多邊形磨耗產(chǎn)生的機(jī)理等，需系統(tǒng)總結(jié)梳理。