車輛行車荷載對鐵路路基加速度響應情況分析

韋少東 郭智斌

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國經濟技術的發(fā)展，一些基礎設施例如鐵路、道路、機場等設施進行了如火如荼的建設。鐵路運輸系統(tǒng)憑借其運輸能力強、運行速度快、列車運行不受自然條件的限制且可運輸各種類型的貨物等優(yōu)點在我國得到了大力的發(fā)展，形成了八縱八橫的鐵路運營骨架。鐵路路基作為鐵路線路的重要組成部分，是線路安全運營的基礎。通過對路基病害的分析發(fā)現，產生病害的原因相對較為復雜，且各種病害病理并不相同，總體可以分為“地質環(huán)境”與“列車振動荷載和氣候變化”兩個方面[1]。

Auersch研究表明，當列車行駛速度接近瑞利波速時，軌道和地基中會產生共振現象，從而帶來過大的振動[2,3]，使得鐵路路基產生病害，目前，對于列車運行過程中產生的振動對路基造成的影響研究主要有模型試驗[4,5]和現場試驗研究分析。例如：薛富春等[6]采用精細化和多尺度建模技術，建立了雙線高速鐵路軌道—路基—地基非線性耦合系統(tǒng)，歸納了移動荷載作用下高速鐵路軌道—路基—地基系統(tǒng)中振動加速度頻譜的衰減特性；GALVIN等[7]使用三維多體—有限元—邊界元模型，研究了有砟軌道和無砟軌道上列車引起的振動。

屈暢姿等[8]通過分析武廣高速鐵路路基振動情況，總結試驗段路基動力響應的分布規(guī)律，并結合小波分析方法對路基的振動特性進行了頻域分析,提出了引起路基振動的主要原因；王子玉等[9]對通過大慶鐵路在凍結期、春融期和正常期列車行駛過程中路基振動加速度的現場監(jiān)測，分析發(fā)現季節(jié)凍區(qū)路基振動加速度有效值衰減速曲線可用負指數函數擬合；張光明等[10]對成灌鐵路某橋梁段地面振動進行現場測試,分析了不同測點地面振動加速度時程特點及頻譜特征；馬利衡等[11]通過對滬寧城際高速鐵路進行現場試驗和數值分析，從時域和頻域兩方面對測試數據進行處理分析；陳建國等[12]針對軌道交通引起的環(huán)境振動污染問題，研究了運行列車引起的地面振動及其傳播規(guī)律。

本文主要在前人研究的基礎上，以隴海線上某段發(fā)生路基沉降的線路為例，通過加速度響應情況來分析鐵路路基的病害情況以及列車振動加速度的衰減特性和規(guī)律。

1 試驗背景

試驗所選線路為隴海鐵路的某一段，屬于黃土填方路堤，由于近期降雨頻繁，該段路堤在持續(xù)的列車荷載作用下，出現了較為嚴重的沉降，為了不影響線路的正常運營，采用袖閥管注漿技術對該段線路進行加固處理。此次加速度的測定是在袖閥管注漿之前測定的，試驗現場圖如圖1所示。

2 現場試驗設計

2.1 測試原件簡介

試驗所采用TST120A500壓電加速度傳感器，直徑26 mm、高28.6 mm、測量范圍：10 g、軸向靈敏度：495.743 7 mV/g、最大橫向靈敏度不大于5%，工作電壓為+18 V～+28 V，工作電流為+2 mA～+10 mA，現場加速度傳感器布設如圖2所示。

加速度信號采集系統(tǒng)采用TST3827E動靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實現各通道同步采樣，同步傳輸、實時存盤的優(yōu)點。加速度信號采集系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 現場試驗布設

為了研究在客、貨兩種不同類型車輛的行車荷載作用下，對鐵路路基的擾動情況，以及荷載作用下路基壓力的消散時間與傳感器與軌道距離之間的關系。本次試驗沿著隴海線鐵路某段線路方向布設A1，A2，A3彼此間距為3 m三個傳感器，在垂直線路方向布設B1，B2，B3共三個加速度傳感器，傳感器布設縱斷面圖如圖4所示。

3 試驗概況及加速度響應分析

3.1 試驗概況

加速度采集時間為16:12:40～16:48:17，采集頻率為50 Hz，在該段時間內共有包括客車、貨車及單機車頭共三種類型的車通過，通行車輛具體信息如表1所示。

表1 測試段列車通行表

3.2 加速度響應分析

繪制出A3，B1測點的加速度時域曲線圖，如圖5，圖6所示，在圖上用不同的線形標示出列車信息。由圖5，圖6可知，在列車通過測點的時間段內，測點加速度幅度波動變化較大，各點振動上下基本對稱，貨車的加速度變化幅度大于客車，客車的加速度變化幅度大于單機車頭的，這說明列車對鐵路路基的加速度響應情況與列車重量相關。對比圖7中的A2加速度時域曲線，當通過的第二列客車和第三列客車在車型和車廂數基本相同的情況下，第二列客車的加速度振幅大于第三列客車的振幅；因此說明路基振動加速度和速度有關。當速度越大時路基振動加速度越大，速度增加20%，加速度增加了30%，說明車速對加速度的影響比較明顯。在列車沒有通行時間段內，測點處的加速度值在一個較小的穩(wěn)定范圍內變動，說明軌道上只要有列車通行時，列車振動波會對整個鐵路線路都有擾動，這種持續(xù)性的擾動會造成鐵路路基的損害，如圖中區(qū)域Ⅰ所示。

由于編號為1的貨車和編號為2的客車經過測點的時間相距較近，所以兩列車在16:13:37～16:13:50這段時間內會產生加速度疊加效應，加速度疊加效果圖如圖7所示。

圖7中區(qū)域Ⅱ為貨車經過測點前的加速度響應情況，區(qū)域Ⅲ為兩列車加速度疊加響應情況，區(qū)域Ⅳ為客車通過后加速度衰減情況。由以上各圖中的區(qū)域Ⅱ可知，貨車經過測點的前5 s加速度響應情況由一個較為穩(wěn)定的波動范圍變得較為劇烈，由區(qū)域Ⅳ可知，列車經過測點5 s左右后，行車荷載對加速度的響應情況回歸到無行車荷載的加速度響應范圍值，且區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅳ的存在與測點離軌道的距離無關。

區(qū)域Ⅲ為兩列車疊加后的加速度響應情況，由圖可知，該區(qū)域的加速度響應情況較為劇烈，其波動范圍與客車2通行時產生的加速度波動幅值范圍相差不大，該疊加加速度的存在使得線路處在一種長期擾動現象，從而造成鐵路路基的病害。

為了分析客、貨兩種類型的列車在上下行過程中其加速度衰減幅度與測點離線路距離之間的關系分別提取出列車經過A2，B1～B3四個測點處的加速度峰值，如表2所示。

表2 各測點加速度峰值

由表2可知，無論對于客車還是貨車其加速度峰值都隨著測點離線路的距離而逐漸減弱。此外，對于客車2和3，上行方向的客車加速度峰值大于下行方向客車的加速度峰值，這可能是由于加速度采集點更加靠近于上行線所導致的；而對于同為上行方向的客車3和6而言，客車3的加速度峰值大于客車6的，該種情況的產生可能與列車通行速度及列車車廂數有關；同為上行方向的貨車1和4，貨車4的加速度峰值大于貨車1的加速度峰值，可能是由于貨車的載重量、通行速度及貨車車廂數影響的。

提取各測點到達峰值加速度所用的時間，如表3所示。

表3 各測點加速度到達峰值所需時間

由表3可知，沿著線路橫向布置的A1，A2，A3三個測點，由于傳感器之間存在3 m的間距，且傳感器的布設離沉降的路基較近，所以其達到加速度峰值所用時間相差較大；而沿著線路縱向布置的A2，B1，B2，B3四個測點，傳感器加速度達到峰值所用的時間基本一致，說明該處的路基依舊保持其穩(wěn)定性，并未發(fā)生沉降。

4 結論

本文以隴海鐵路K1462+780～K1462+1900段路堤處理為工程背景，現場采集并分析了發(fā)生沉降破壞的路堤在行車荷載下的加速度響應情況，得到了如下結論：

1)列車行車荷載對路基加速度的響應情況隨著測點離線路變遠而逐漸減弱；此外，當線路上有列車通行時，列車荷載產生的振動疊加作用會對整個線路造成擾動，從而造成鐵路路基的病害。

2)當先后通過線路的兩列車通行時間相距較近時，會在兩列車的通行間隙產生加速度疊加響應，且疊加后的加速度值較大。

3)列車行駛對鐵路路基產生的加速度響應情況與列車類型、車輛載重、行駛速度及車廂數有關。

4)通過分析A2，B1，B2，B3四個測點的加速度響應情況，可以得知在所設測點位置處鐵路路基未發(fā)生沉降，沉降產生位置只在線路正下方附近。

5)車速對加速度的影響顯著，隨著車速提高，加速度明顯增大，速度為102 km/h時，加速度達到最大值為0.072。