站區(qū)到發(fā)線無縫線路穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與計(jì)算分析

吳堯 馬戰(zhàn)國 潘振 徐進(jìn) 沈俊 陳超逸

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，武漢 430000；4.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武漢橋工段，武漢 430000）

在站區(qū)鋪設(shè)無縫線路可有效降低線路維修工作量，節(jié)約維修成本，提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性。由于站區(qū)軌道結(jié)構(gòu)薄弱，在鋪設(shè)無縫線路時(shí)要考慮無縫線路的穩(wěn)定性。影響無縫線路穩(wěn)定性的主要因素是道床橫向阻力和軌道框架剛度，喪失穩(wěn)定性的主要因素是溫度壓力和初始不平順［1-2］。目前，武漢鐵路局針對(duì)到發(fā)線與站線開展了無縫線路改造工作。以武昌南站與紙坊站為例，到發(fā)線鋼軌為60 kg/m，Ⅱ型軌枕，Ⅰ型彈條扣件，每1 km鋪設(shè)1 667根，道床厚度僅200 mm，道床肩寬也嚴(yán)重不足，線路軌道結(jié)構(gòu)整體較弱。該線路條件下能否鋪設(shè)無縫線路有待分析論證。

根據(jù)在紙坊站和武昌南站進(jìn)行道床橫向阻力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，本文利用有限元軟件建立無縫線路穩(wěn)定性有限元模型，分析不同道床橫向阻力對(duì)無縫線路穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)行移動(dòng)加載車定點(diǎn)靜態(tài)加載試驗(yàn)與移動(dòng)加載試驗(yàn)，探究站區(qū)移動(dòng)加載下軌枕橫向位移限值。同時(shí)，對(duì)武昌南站與紙坊站站區(qū)無縫線路穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估并給出了相應(yīng)養(yǎng)護(hù)維修建議。

1 道床橫向阻力測(cè)試

在紙坊站第6股道選取5根軌枕、武昌南站第6股道選取6根軌枕作為測(cè)點(diǎn)，利用GDY?3型道床剛度檢測(cè)儀開展單根軌枕道床橫向阻力的測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見圖1。紙坊站第6股道在站場(chǎng)的中間部分，兩側(cè)都有軌道，道床與路面基本齊平；武昌南站第6股道部分軌枕端頭道砟缺失，道床肩寬不足。取軌枕橫向位移2 mm時(shí)的道床橫向阻力作為標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力，測(cè)試結(jié)果見表1。

圖1 GDY?3儀器道床剛度檢測(cè)儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

表1 標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力測(cè)試結(jié)果 kN/枕

從表1可知，紙坊站標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力一致性較好；武昌南站由于部分軌枕端頭道砟缺失，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力較小，僅有6.75，7.20 kN/枕。

2 穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 建立有限元模型

為分析站區(qū)線路道床橫向阻力對(duì)無縫線路穩(wěn)定性的影響，根據(jù)非線性有限元理論，選取100 m長(zhǎng)直線軌道，建立無縫線路有限元模型，見圖2。

圖2 無縫線路有限元模型

選用60 kg/m鋼軌，用三維有限變形梁?jiǎn)卧猙eam189模擬；軌枕用beam4單元模擬；扣件選用I型彈條扣件，考慮扣件橫向、縱向和繞豎直軸扭轉(zhuǎn)3個(gè)方向的自由度，橫向、縱向彈簧剛度分別由扣件橫向、縱向阻力-位移曲線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的斜率決定，考慮阻矩-轉(zhuǎn)角的非線性關(guān)系，采用非線性彈簧單元combin39模擬，單元參數(shù)根據(jù)扣件阻矩-轉(zhuǎn)角曲線確定［3-4］；軌下基礎(chǔ)由Ⅱ型軌枕和連接軌枕與路基的道床彈簧組成，忽略道床對(duì)軌枕的扭轉(zhuǎn)約束，只考慮道床對(duì)軌枕豎向、縱向及橫向約束，豎向采用線性彈簧單元combin14模擬，縱向及橫向考慮其非線性特性，采用非線性彈簧單元combin39模擬［5］。

選取有代表性的1，5，10號(hào)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為初始參數(shù)。其中，1，5號(hào)測(cè)點(diǎn)位于紙坊站，其標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力分別為正常區(qū)段的較小值（8.64 kN/枕）和較大值（10.10 kN/枕）；10號(hào)測(cè)點(diǎn)位于武昌南站，其標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力較?。?.75 kN/枕）。根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］，單位長(zhǎng)度道床縱向阻力取8.8 kN/枕。初始不平順波長(zhǎng)取3 600 mm，初始不平順矢度取3 mm。

圖3 3個(gè)測(cè)點(diǎn)臨界溫升-鋼軌橫向位移曲線

2.2 穩(wěn)定性分析

利用有限元模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力不同的3個(gè)測(cè)點(diǎn)站區(qū)無縫線路的穩(wěn)定性。3個(gè)測(cè)點(diǎn)臨界溫升-鋼軌橫向位移曲線見圖3?？芍?，測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力越大，發(fā)生相等鋼軌橫向位移的臨界溫升越高。無縫線路在外界溫度作用下，鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生溫度壓力。當(dāng)壓力達(dá)到一定時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向變形，直至發(fā)生破壞，喪失穩(wěn)定性。

考慮無縫線路縱向力分布不均勻及鎖定軌溫的變化，取安全系數(shù)k=1.5，則容許溫升計(jì)算式為

式中：［T］為容許溫升，℃；TW為臨界溫升，℃。

鋼軌橫向位移達(dá)到2 mm時(shí)，1，5，10號(hào)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)臨界溫升分別為60，81，52℃；由式（1）計(jì)算得容許溫升分別為40.0，54.0，34.6℃。

根據(jù)TB 10015—2012的軌溫記錄，武漢當(dāng)?shù)刈罡?、最低軌溫分別為59.6，-18.1℃，武漢站區(qū)設(shè)計(jì)鎖定軌溫為（28±5）℃，最大溫升為36.6℃。因此，紙坊站1，5號(hào)測(cè)點(diǎn)滿足無縫線路穩(wěn)定性要求，但標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力較小的1號(hào)測(cè)點(diǎn)安全儲(chǔ)備量很小［7］；武昌南站標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力僅為6.75 kN/枕的10號(hào)測(cè)點(diǎn)不能滿足無縫線路穩(wěn)定性要求。

3 移動(dòng)加載車定點(diǎn)靜態(tài)加載試驗(yàn)

由中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研制的移動(dòng)加載車已投入使用，可模擬列車運(yùn)行工況對(duì)各種軌道結(jié)構(gòu)及復(fù)雜地段進(jìn)行加載試驗(yàn)。移動(dòng)加載車可在行進(jìn)過程中對(duì)線路施加恒定荷載，連續(xù)測(cè)試線路力學(xué)特性和彈性性能，包括線路整體結(jié)構(gòu)彈性特性、軌道結(jié)構(gòu)剛度及其合理匹配等，獲得軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性和垂向整體剛度等數(shù)據(jù)，用以評(píng)估軌道性能劣化趨勢(shì)，進(jìn)而采取相應(yīng)維修措施［8-10］。

考慮移動(dòng)加載時(shí)無法直接測(cè)量軌枕橫向位移，采用移動(dòng)加載車進(jìn)行定點(diǎn)靜態(tài)加載。同時(shí)在地面布置位移傳感器測(cè)試鋼軌與軌枕的橫向位移，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見圖4。

圖4 位移傳感器測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

利用移動(dòng)加載車定點(diǎn)對(duì)軌道施加橫向荷載，在靜態(tài)加載狀態(tài)下，地面上的位移傳感器測(cè)得地測(cè)鋼軌橫向位移Hd和地測(cè)軌枕橫向位移Y，移動(dòng)加載車上測(cè)得車測(cè)鋼軌橫向位移Hc。通過Hd和Y、Hd和Hc的線性關(guān)系，推導(dǎo)出Y和Hc的線性關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)移動(dòng)加載時(shí)的車測(cè)鋼軌橫向位移Hc′，計(jì)算得出移動(dòng)加載時(shí)的軌枕橫向位移Y′，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)無縫線路穩(wěn)定性的評(píng)估。

試驗(yàn)步驟如下：

1）設(shè)置零點(diǎn)。移動(dòng)時(shí)施加橫向荷載，并使加載輪緊貼一側(cè)鋼軌；到達(dá)測(cè)點(diǎn)位置，卸載橫向荷載至0，卸載垂向荷載至5 kN。此時(shí)位移傳感器清零，作為零點(diǎn)。

2）施加垂向荷載。施加垂向荷載至15 kN，以15 kN的增幅施加垂向荷載，直到左右側(cè)均達(dá)到75 kN，保持不變。

3）施加橫向荷載。以10 kN的增幅施加橫向荷載，每級(jí)保持30 s，地測(cè)鋼軌橫向位移Hd達(dá)2 mm時(shí)停止加載。

4）卸載。卸載橫向荷載至0，卸載垂向荷載至5 kN。

上述加載-卸載過程重復(fù)3次。

綜合考慮安全性和測(cè)試效果，選取垂向荷載75 kN、橫向荷載80 kN的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。以紙坊站1號(hào)測(cè)點(diǎn)為例，其移動(dòng)加載車3次定點(diǎn)靜態(tài)加載試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 1號(hào)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)加載車3次定點(diǎn)靜態(tài)加載試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖5擬合出 Y?Hd和Hd?Hc的線性關(guān)系

由式（2）、式（3）推導(dǎo)出Y?Hc的線性關(guān)系

進(jìn)而可以推出移動(dòng)加載時(shí)軌枕橫向位移計(jì)算公式

4 移動(dòng)加載試驗(yàn)

4.1 移動(dòng)加載下的軌枕橫向位移限值

用移動(dòng)加載車對(duì)軌道進(jìn)行移動(dòng)加載，根據(jù)移動(dòng)加載時(shí)的車測(cè)鋼軌橫向位移Hc′，由公式（5）計(jì)算得出移動(dòng)加載時(shí)的軌枕橫向位移Y′。

以紙坊站1號(hào)測(cè)點(diǎn)為例，共測(cè)試7次，計(jì)算得移動(dòng)加載時(shí)的軌枕橫向位移分別為0.51，0.68，0.61，0.69，0.63，0.71，0.72 mm，平均值為0.65 mm。結(jié)合有限元計(jì)算得出的1號(hào)測(cè)點(diǎn)安全儲(chǔ)備量很小的結(jié)論，從安全角度考慮，建議武漢局管內(nèi)站線移動(dòng)加載時(shí)的軌枕橫向位移限值選用0.60 mm。

4.2 移動(dòng)加載試驗(yàn)結(jié)果分析

為測(cè)試站線范圍內(nèi)的軌道穩(wěn)定性，在紙坊站第6股道、武昌南站第6股道分別選取50，65 m軌道作為試驗(yàn)段，利用移動(dòng)加載車進(jìn)行移動(dòng)加載試驗(yàn)，得出移動(dòng)加載時(shí)的車測(cè)鋼軌橫向位移曲線，并由公式（5）換算出軌枕橫向位移曲線。移動(dòng)加載試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 移動(dòng)加載試驗(yàn)結(jié)果

從圖6（b）得出移動(dòng)加載下紙坊站試驗(yàn)段軌枕橫向位移平均值0.53 mm，滿足0.60 mm的限值；在17～27 m區(qū)段軌枕橫向位移較大，最大值為0.99 mm，超出0.60 mm的限值，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該區(qū)段道砟缺失嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充。

從圖6（d）得出移動(dòng)加載下武昌南站試驗(yàn)段軌枕橫向位移平均值0.28 mm，滿足0.60 mm的限值；在10 m附近區(qū)段部分軌枕橫向位移大于0.60 mm，最大值為0.82 mm，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該區(qū)段軌枕端頭裸露嚴(yán)重，應(yīng)補(bǔ)充道砟搗固。

5 結(jié)論

本文在紙坊站和武昌南站進(jìn)行了道床橫向阻力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、移動(dòng)加載車定點(diǎn)靜態(tài)加載試驗(yàn)和移動(dòng)加載試驗(yàn)，對(duì)站區(qū)無縫線路的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修建議。

1）利用有限元軟件建立了無縫線路穩(wěn)定性有限元模型，通過計(jì)算對(duì)比分析了標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力不同的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的站區(qū)無縫線路穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)武昌南站局部標(biāo)準(zhǔn)道床橫向阻力偏小，且容許溫升小于規(guī)范要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，該區(qū)段部分軌枕端頭道砟缺失，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修，注意不要將軌枕頭裸露在外。

2）利用移動(dòng)加載車進(jìn)行定點(diǎn)靜態(tài)加載試驗(yàn)，測(cè)得靜態(tài)加載狀態(tài)下地測(cè)鋼軌橫向位移、地測(cè)軌枕橫向位移及車測(cè)鋼軌橫向位移，推導(dǎo)出軌枕橫向位移和車測(cè)鋼軌橫向位移的線性關(guān)系。根據(jù)安全儲(chǔ)備值較小的1號(hào)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建議武漢局管內(nèi)站線移動(dòng)加載時(shí)軌枕橫向位移限值取0.60 mm。

3）通過移動(dòng)加載試驗(yàn)，測(cè)得移動(dòng)加載狀態(tài)下的車測(cè)鋼軌橫向位移曲線，計(jì)算得出移動(dòng)加載時(shí)的軌枕橫向位移曲線。對(duì)于超過0.60 mm限值的區(qū)段，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充道砟并進(jìn)行搗固，提高道床橫向阻力，確保無縫線路的穩(wěn)定性。