路基凍脹對(duì)高速列車-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響

蒙富佳， 唐先習(xí)， 劉 博， 王福久

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 蘭州 730050； 2.中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司西寧工務(wù)段， 西寧 810000)

21世紀(jì)初以來(lái)，高速鐵路建設(shè)在中國(guó)飛速發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)已初步形成。與此同時(shí)，位于季節(jié)性凍土區(qū)[1-2]的高速鐵路路基凍脹變形問題愈發(fā)突出。一方面會(huì)導(dǎo)致鋼軌線性不平順，破壞路基表面與支承層間的接觸狀態(tài)，另一方面，在高速運(yùn)行的列車作用下，鋼軌的不平順激發(fā)了列車系統(tǒng)和無(wú)砟軌道的振動(dòng)，加劇了輪軌相互作用，反過來(lái)助長(zhǎng)了軌道的變形，這種惡性循環(huán)對(duì)行車的安全性和舒適性產(chǎn)生了不利影響，降低了鐵路上相關(guān)結(jié)構(gòu)的服役性能和使用壽命。目前，對(duì)于高速鐵路路基凍脹的研究主要集中于形成機(jī)理上[3-5]，對(duì)路基凍脹造成鐵路軌道的幾何形態(tài)變化、列車安全性能的動(dòng)力影響評(píng)價(jià)研究較少。所以，研究路基不均勻凍脹引起的軌道不平順對(duì)高速列車-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響尤為必要。

根據(jù)近幾年蘭新高鐵凍脹路段的分布統(tǒng)計(jì)表明，路基凍害現(xiàn)象主要集中出現(xiàn)在門源至民樂一帶，以路堤結(jié)構(gòu)形式凍害為主，此路段路基凍脹引起了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)重影響了軌面的平順狀態(tài)和無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)行車安全有一定的威脅。在車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)研究初期，鐵摩辛柯等[6]、Sato[7]學(xué)者大多采用質(zhì)量-彈簧-阻尼組成的多剛體系統(tǒng)研究車軌動(dòng)力學(xué)耦合，但模型等效變換的假設(shè)條件與實(shí)際車軌動(dòng)力特征存在差異，隨著列車內(nèi)部結(jié)構(gòu)在模型中不斷細(xì)化，模型的計(jì)算結(jié)果也越來(lái)越接近實(shí)際值；高建敏等[8]研究了路基不均勻凍脹對(duì)高速列車系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的具體特征，認(rèn)為系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)幅值有較大的變化空間，同時(shí)探討了軌道不平順類型和行車速度對(duì)不平順敏感波長(zhǎng)的范圍的影響；張魯順等[9]、郭毅[10]結(jié)合具體高速鐵路路基凍脹的實(shí)際情況，研究了軌道結(jié)構(gòu)變形特性、行車和輪軌動(dòng)力響應(yīng)效應(yīng)。

在車軌耦合動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元軟件建立高速列車-軌道結(jié)構(gòu)-路基耦合模型，通過編寫命令流提取不同位置輪軌垂向力、輪重減載率、位移、加速度、支反力等數(shù)值。主要運(yùn)用位移耦合法和位移接觸法，位移耦合法主要提取車輛質(zhì)量單元位移和加速度作為車輛的位移和加速度，還有鋼軌梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)的位移和加速度，位移接觸法提取輪對(duì)質(zhì)量單元與鋼軌梁?jiǎn)卧佑|力即輪軌垂向力，然后根據(jù)輪軌垂向力計(jì)算輪重減載率。研究高速列車在路基典型凍脹、不同凍脹波長(zhǎng)、不同凍脹峰值條件下對(duì)車體垂向振動(dòng)加速度、鋼軌動(dòng)態(tài)位移、輪重減載率等系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響，以期為高速鐵路凍脹區(qū)行車安全性和舒適性評(píng)估提供參考。

1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

在高速鐵路中，所有的子系統(tǒng)都是統(tǒng)一的整體，它們不是獨(dú)立的系統(tǒng)，而是相互耦合、相互作用的關(guān)系，其中，列車、軌道與路基就是鐵路輪軌系統(tǒng)中重要的組成部分。高速列車-軌道-路基系統(tǒng)耦合模型是通過輪軌相互關(guān)系和軌道-路基的接觸關(guān)系將列車、軌道和路基3個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)結(jié)起來(lái)，在考慮路基凍脹變形影響的基礎(chǔ)上，對(duì)列車系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)模型運(yùn)行結(jié)果分析輪軌相互作用特性。

1.1 高速列車-軌道-路基系統(tǒng)耦合模型

翟婉明[11]提出了車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)原理，抽象出高速列車-軌道-路基系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)物理模型，如圖1所示。高速列車采用具有10自由度的二系懸掛多輪對(duì)模型，同一般列車構(gòu)造一樣主要由車體、轉(zhuǎn)向架、一系及二系懸掛減震彈簧與阻尼器、輪對(duì)組成。其中，βc表示點(diǎn)頭自由度，圖1中兩處分別為車體點(diǎn)頭自由度和轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭自由度。將鋼軌簡(jiǎn)化為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承無(wú)限梁模型，采用Hertz非線性接觸理論來(lái)描述輪軌之間法向的接觸關(guān)系。為了考慮凍脹引起的支承層與路基間的脫空狀態(tài)，兩者之間同樣要建立接觸關(guān)系。

以CRH-3型高速動(dòng)車組及雙塊式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，為了減小系統(tǒng)動(dòng)力分析所需要的軌道長(zhǎng)度，采用半車模型，即圖1中A-A一側(cè)的車體結(jié)構(gòu)為車輛模型。CRH-3型車輛模型參數(shù)如表1所示。

圖1 高速列車-軌道-路基系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)物理模型Fig.1 Coupled dynamic physical model of high speed train-track-subgrade system

表1 CRH-3型車輛模型參數(shù)

1.2 耦合系統(tǒng)振動(dòng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

路基凍脹引起高速列車和無(wú)砟軌道產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)，一旦響應(yīng)值超過任一系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)，就會(huì)對(duì)列車運(yùn)行的舒適性甚至安全性產(chǎn)生影響。動(dòng)力分析對(duì)象是高速列車-無(wú)砟軌道-路基耦合系統(tǒng)，由于無(wú)砟軌道的疲勞性能決定著軌道結(jié)構(gòu)的服役壽命，所以除了考慮車輛運(yùn)行的安全性和舒適性指標(biāo)外，還應(yīng)對(duì)比無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能指標(biāo)[12-14]。該指標(biāo)針對(duì)最高運(yùn)行速度為200 km/h及以上的電力動(dòng)車組，車輛結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全與舒適性依據(jù)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力評(píng)價(jià)依據(jù)《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》，具體相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 系統(tǒng)振動(dòng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 凍脹變形對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力效應(yīng)的影響

對(duì)蘭新高速鐵路門源地區(qū)的無(wú)砟軌道凍脹變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示，該路段路基凍脹量主要集中在20 mm以下，凍脹范圍在35 m以內(nèi)，結(jié)合兩者的影響作用，在計(jì)算不同路基凍脹條件下無(wú)砟軌道的變形和受力情況所取的工況如下：凍脹波長(zhǎng)分別為5、10、15、20、25、30、35 m；凍脹峰值分別為5、10、15、20 mm。

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)路基凍脹量集中在5～10 mm居多，凍脹范圍以10～15 m居多，故可取凍脹峰值為10 mm、凍脹波長(zhǎng)為10 m的工況為典型凍脹條件，列車時(shí)速按照蘭新高速鐵路的現(xiàn)運(yùn)行最高速度250 km/h，以此來(lái)研究耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。

2.1 典型凍脹條件下對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力效應(yīng)的影響

2.1.1 典型凍脹條件下車體動(dòng)力響應(yīng)特征

圖2為在典型凍脹條件下，由于路基凍脹引起輪軌之間的豎向作用力變化和車輪輪重的減載情況以及半車模型車體豎向加振動(dòng)速度沿軌道長(zhǎng)度方向的變化情況。

圖2 典型凍脹條件下半車模型車體響應(yīng)Fig.2 Response of half car model body under typical frost heaving condition

從圖2可以看出，在車體駛?cè)牒婉傠x凍脹區(qū)的過程中，輪軌的動(dòng)力指標(biāo)發(fā)生了變化。輪軌垂向力增加較大，輪軌之間的相互作用更加明顯，兩者接觸力也明顯增大，最大值達(dá)到了125.6 kN，對(duì)無(wú)砟軌道的損傷也逐步增加。隨后由于相鄰輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架的影響，列車進(jìn)入凍脹峰值區(qū)后，輪軌垂向力會(huì)突然減載。輪重減載率反映車體的運(yùn)行穩(wěn)定性，而圖2中顯示的數(shù)值在凍脹中心附近較大，減載率最大峰值為0.14，但并未超限。這也是因?yàn)橄噜忀唽?duì)和轉(zhuǎn)向架的影響使得輪軌發(fā)生減載現(xiàn)象，說(shuō)明路基凍脹中心即凍脹峰值附近會(huì)對(duì)列車的運(yùn)行安全有一定影響。

此外，在凍脹變形區(qū)，車體加速度開始發(fā)生劇烈變化。隨著車體的逐漸駛?cè)?，輪軌相互作用增大，在各輪?duì)與軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用下，車體加速度先減小后增大，最終達(dá)到峰值，最大為0.18 m/s2。但在非凍脹路段沒有明顯的變化，這說(shuō)明路基的凍脹變形對(duì)列車運(yùn)行的舒適性有一定的影響。

2.1.2 典型凍脹下無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征

路基凍脹變形對(duì)列車的穩(wěn)定、安全產(chǎn)生有重要影響，同時(shí)，對(duì)于無(wú)砟軌道而言其影響也很明顯。因此，選取了凍脹起始點(diǎn)、凍脹中心位置以及非凍脹位置處這3種特殊位置，對(duì)比分析典型凍脹條件下不同凍脹位置處的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)情況。

圖3為典型凍脹條件下3個(gè)位置處的鋼軌和道床板豎向位移時(shí)程曲線?？梢钥闯?，在這3個(gè)位置處道床板和鋼軌變化規(guī)律基本一致。即在未到達(dá)指定位置前道床板和鋼軌豎向位移比較接近，而在車輪到達(dá)指定位置時(shí)，豎向位移急劇減小且變化幅度不同。究其原因主要是鋼軌和道床板剛度不同所產(chǎn)生的響應(yīng)也不同。

圖3 不同位置處鋼軌和道床板豎向位移時(shí)程曲線Fig.3 Vertical displacement time history curve of rail and track bed slab at different positions

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凍脹初期的鋼軌的最大動(dòng)態(tài)位移變化量為1.040 mm，道床板的最大動(dòng)態(tài)位移變化量為0.057 mm，凍脹中心處鋼軌的最大動(dòng)態(tài)位移變化量分0.667 mm，道床板最大動(dòng)態(tài)位移變化量0.037 mm，比非凍脹區(qū)的值分別大0.036 mm和0.001 mm。相對(duì)于凍脹中心和非凍脹位置處，凍脹起始位置位移變化更加明顯，屬于出現(xiàn)離縫現(xiàn)象可能性較大的區(qū)域。

圖4為相同路基凍脹條件選定位置下鋼軌和道床板的豎向加速度時(shí)程曲線?？梢钥闯觯?dāng)車輪經(jīng)過3個(gè)位置時(shí)，鋼軌和道床板的豎向加速度變化趨勢(shì)相似，表現(xiàn)為接近指定位置時(shí)加速度開始激烈波動(dòng)，遠(yuǎn)離指定位置加速度逐漸減小并趨于平緩，呈現(xiàn)出周期性的正(余)弦波形并且振幅不斷減小，且相同位置下鋼軌的豎向加速度先達(dá)到峰值。這是因?yàn)檎駝?dòng)傳遞過程削弱了部分能量，鋼軌和道床板產(chǎn)生了傳遞時(shí)差。對(duì)于鋼軌和道床板而言，凍脹起始點(diǎn)最大豎向加速度分別為24.76 m/s2和6.49 m/s2，凍脹中心位置最大豎向加速度分別達(dá)到了10.83 m/s2和3.93 m/s2，非凍脹位置處最大值分別為10.90 m/s2和3.64 m/s2，結(jié)果表明，鋼軌和軌道板豎向加速度在凍脹起始點(diǎn)差值較大，而在凍脹其他位置二者比較接近。這說(shuō)明凍脹起始位置的變形對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度影響比其他位置大。

圖4 不同位置處鋼軌和道床板豎向加速度時(shí)程曲線Fig.4 Time history curve of vertical acceleration of rail and track bed slab at different positions

圖5顯示了在典型凍脹條件下，車輪通過3個(gè)不同位置時(shí)每個(gè)扣件反作用力的響應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)車輪通過指定位置時(shí)，扣件的反作用力突然增大，并發(fā)生顯著變化。數(shù)值結(jié)果表明，凍脹中心和非凍脹位置處最大扣件支反力相差很小，分別為20.57 kN和20.61 kN，而凍脹起始點(diǎn)最大達(dá)到 28.1 kN，是其他位置的1.4倍左右。由此可見，隨著輪軌垂向力的增加，凍脹起始位置扣件反力響應(yīng)將增大，更能反映出凍脹起始位置離縫現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

圖5 不同凍脹位置扣件支反力Fig.5 Fastener support reaction force at different frost heaving positions

2.2 不同凍脹波長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力效應(yīng)的影響

當(dāng)列車以250 km/h速度運(yùn)行時(shí)，路基凍脹峰值為10 mm，研究?jī)雒洸ㄩL(zhǎng)在5～35 m遞增條件下的車輛和無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)情況。

2.2.1 不同凍脹波長(zhǎng)下車輛動(dòng)力響應(yīng)特征

圖6所示為最大輪軌垂向力、輪重減載率和豎向加速度隨路基凍脹波長(zhǎng)的變化。可以看出，輪軌垂向力和輪重減載率變化趨勢(shì)相同，均隨著路基凍脹波長(zhǎng)的增大逐漸減小，并且在凍脹波長(zhǎng)為5～25 m 范圍內(nèi)減小的速率相對(duì)較快，當(dāng)凍脹波長(zhǎng)大于25 m時(shí)，最大輪軌垂向力和輪重減載率都趨于穩(wěn)定。車體豎向加速度并非在一個(gè)方向上變化，加速度值表現(xiàn)為先增大后減小，在凍脹波長(zhǎng)15 m時(shí)達(dá)到峰值0.18 m/s2，之后路基凍脹段豎向振動(dòng)加速度不斷減小，隨著凍脹波長(zhǎng)范圍增加行車舒適度逐漸提高。因此，為提高列車運(yùn)行安全性，可以對(duì)凍脹波長(zhǎng)小于25 mm的路基凍脹進(jìn)行整治。同時(shí)，為保持列車的舒適性，對(duì)路基凍脹波長(zhǎng)為10～15 mm凍害進(jìn)行重點(diǎn)整治，這樣既可以解決安全隱患又可以提高行車舒適度。

圖6 不同凍脹波長(zhǎng)下車輛動(dòng)力響應(yīng)Fig.6 Vehicle dynamic response under different frost heaving wavelengths

2.2.2 不同凍脹波長(zhǎng)下無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征

圖7反映了不同凍脹波長(zhǎng)對(duì)鋼軌、道床板的最大動(dòng)態(tài)位移和振動(dòng)加速度的影響以及最大扣件支反力變化情況。從圖7中發(fā)現(xiàn)，無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)變化趨勢(shì)基本相同，即隨著凍脹波長(zhǎng)的增大，響應(yīng)數(shù)值逐漸減小，最后達(dá)到穩(wěn)定。

由圖7(a)可看出，隨著路基凍脹波長(zhǎng)的增加，鋼軌和道床板豎向位移均減小。波長(zhǎng)在5～10 m時(shí)，豎向位移明顯減小，而在凍脹波長(zhǎng)大于20 m時(shí)，豎向位移變化平穩(wěn)。這表明路基凍脹波長(zhǎng)較小時(shí)，道床板和支承層之間可能產(chǎn)生離縫，導(dǎo)致道床板變形量稍大，而隨著凍脹波長(zhǎng)的增大，在列車駛?cè)牖蝰傠x凍脹區(qū)域過程中，支承層與路基之間的離縫慢慢減小，兩者之間接觸狀態(tài)良好，路基對(duì)無(wú)砟軌道具有良好的約束作用，鋼軌和道床板之間相互作用效應(yīng)減小，進(jìn)而縮減了它們的最大豎向動(dòng)態(tài)位移。

圖7 不同凍脹波長(zhǎng)下無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況Fig.7 Response of ballastless track structures under different frost heaving wavelengths

圖7(b)表明，路基凍脹波長(zhǎng)在5～20 m范圍內(nèi)，道床板和鋼軌的振動(dòng)加速度與垂向位移變化趨勢(shì)一樣，隨著波長(zhǎng)的增加而迅速減小，這說(shuō)明由于支承層與路基之間離縫隨著凍脹波長(zhǎng)增加開始變小，會(huì)導(dǎo)致輪軌變形程度減弱，從而影響著鋼軌和道床板的振動(dòng)加速度，且鋼軌振動(dòng)通過扣件傳遞到道床板，由于能量在傳遞過程中逐漸衰減，道床板的最大豎向加速度相對(duì)鋼軌的小。對(duì)軌道結(jié)構(gòu)而言，持續(xù)的振動(dòng)加速度會(huì)加速軌道和道床板結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。因此，通過控制路基的凍脹波長(zhǎng)范圍，可以減小路基與支承層之間的間隙范圍，進(jìn)而減小鋼軌和道床板的動(dòng)力響應(yīng)。

圖7(c)表明，隨著凍脹波長(zhǎng)的增加，扣件的支反力減小，減小速度也在減慢。對(duì)于無(wú)砟軌道而言，扣件支反力的減小有利于延緩扣件中墊板的疲勞破壞。所以，加強(qiáng)對(duì)短波凍脹路基進(jìn)行治理對(duì)于提高無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的損傷性能意義重大。

2.3 不同凍脹峰值對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力效應(yīng)的影響

在分析路基不均勻凍脹變形下不同波長(zhǎng)對(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)影響基礎(chǔ)上，研究路基凍脹波長(zhǎng) 10 m時(shí)，凍脹峰值分別從5 mm遞增至20 mm條件下的車輛和無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)情況。

圖8 不同凍脹峰值下車輛動(dòng)力響應(yīng)Fig.8 Vehicle dynamic response under different frost heaving peaks

2.3.1 不同凍脹峰值下車輛動(dòng)力響應(yīng)特征

圖8所示為最大輪軌垂向力、輪重減載率和豎向振動(dòng)加速度受路基凍脹峰值變化的影響。從圖8中可以看出，隨著凍脹峰值的增大，輪軌垂向力、輪重減載率、車體最大豎向加速度均呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但變化規(guī)律略有不同。

路基凍脹峰值對(duì)車體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)影響與凍脹波長(zhǎng)不同，在一定范圍內(nèi)，隨著輪重減載率的增加，路基與支承層之間的間隙增大。當(dāng)凍脹量大于 15 mm 時(shí)，最大輪軌垂向力和輪重減載率增長(zhǎng)幅度開始變大，尤其在凍脹量為20 mm時(shí)，輪軌最大垂向力比較接近容許值，這說(shuō)明凍脹峰值的不斷增大對(duì)無(wú)砟軌道動(dòng)力破壞具有潛在威脅。此外，隨著凍脹峰值在5～20 mm增加時(shí)，豎向加速度的階段性增加量分別為0.089、0.082、0.079 m/s2，可結(jié)果表明，垂直加速度的增長(zhǎng)趨勢(shì)具有良好的線性關(guān)系，反映了路基凍脹峰值對(duì)列車運(yùn)行舒適性的明顯影響。因此，對(duì)路基凍脹峰限值的控制能有效保證行車的安全性和舒適性。

2.3.2 不同凍脹峰值下無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征

路基不同凍脹峰值條件下，鋼軌、道床板的最大動(dòng)態(tài)位移和振動(dòng)加速度的影響以及最大扣件支反力變化情況，如圖9所示。

圖9 不同凍脹峰值下無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況Fig.9 Response of ballastless track structures under different frost heaving peaks

圖9反映了不同凍脹變形峰值情況下無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。可以發(fā)現(xiàn)，鋼軌、道床板以及扣件這3個(gè)主要結(jié)構(gòu)物在列車駛?cè)肼坊鶅雒涀冃螀^(qū)域后，隨著凍脹峰值的增加，其豎向位移量、振動(dòng)加速度等顯著增大。由圖9(a)可知，自凍脹峰值從 5 mm 開始慢慢增大，路基與支承層之間離縫開始出現(xiàn)并逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致無(wú)砟軌道整體變形范圍增大，路基的支承作用隨著峰值變化開始慢慢減弱，最終在車輪沖擊作用下，道床板和鋼軌豎向位移開始增大，尤其是鋼軌的位移量呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，當(dāng)凍脹峰值繼續(xù)增加時(shí)，有可能使得鋼軌達(dá)到剛度極限，會(huì)給軌道結(jié)構(gòu)帶來(lái)極大的危害。圖9(b)反映了鋼軌和道床板的豎向振動(dòng)加速度隨著凍脹峰值的增大而增大，振動(dòng)加速度影響著列車的舒適度，而凍脹峰值又對(duì)加速度的改變作用明顯。凍脹峰值增大會(huì)引起輪軌相互作用力增大，進(jìn)而引起鋼軌和道床板的振動(dòng)加速度的變化幅度增大，凍脹峰值20 mm時(shí)已達(dá)到35.8 m/s2，已經(jīng)嚴(yán)重影響了行車的舒適度，有必要將路基高凍脹峰值產(chǎn)生的空隙減至最小，以提高軌道表面的幾何平整度，達(dá)到行車平穩(wěn)的效果。圖9(c)反映了路基凍脹峰值的增大，扣件支反力也保持增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)的幅度很小，凍脹峰值從5～20 mm，支反力僅增大了 1.4 kN，說(shuō)明凍脹峰值的變化對(duì)扣件支反力的影響相對(duì)較小。

3 結(jié)論

(1)典型凍脹條件下，列車在進(jìn)入凍脹變形區(qū)域后，車體加速度開始劇烈變化，凍脹起始和終止處車輪對(duì)鋼軌的沖擊較大，并且在凍脹中心附近車輪出現(xiàn)了明顯減載，表明路基凍脹中心區(qū)域會(huì)對(duì)列車的運(yùn)行安全性產(chǎn)生一定影響，因此，對(duì)車體而言，可適當(dāng)減小駛?cè)胨俣纫越档惋L(fēng)險(xiǎn)；從無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在不同位置響應(yīng)情況來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)鋼軌和道床板在凍脹起始點(diǎn)出現(xiàn)較大離縫，易產(chǎn)生較大的不利響應(yīng)，因此，關(guān)注凍脹起始位置是必要的。

(2)隨著路基凍脹波長(zhǎng)的增大，輪軌垂向力和輪重減載率最大值均逐漸減小。對(duì)凍脹波長(zhǎng)小于25 m的路基凍脹進(jìn)行整治，可以明顯提高列車運(yùn)行安全性，特別是波長(zhǎng)10～15 m范圍路基整治，對(duì)提高列車乘坐的舒適性有利。對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)而言，支承層與路基之間離縫較小時(shí)，鋼軌和無(wú)砟軌道的響應(yīng)值減小，因此，可以通過控制路基短波凍脹導(dǎo)致的脫空量，減小鋼軌和道床板的動(dòng)力響應(yīng)。

(3)隨著路基凍脹峰值的增大，輪軌在凍脹起始位置的沖擊作用愈加明顯，凍脹峰值為20 mm時(shí)，可能威脅到無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)性能；對(duì)于車體以及鋼軌，豎向動(dòng)態(tài)位移、豎向加速度和凍脹峰值之間保持近似線性關(guān)系，表明路基凍脹峰值對(duì)列車運(yùn)行舒適度影響顯著。因此，通過控制路基高凍脹峰值導(dǎo)致的脫空量，來(lái)減小鋼軌和道床板的疲勞損傷是必要的。