400 km/h條件下現行路基過渡段設計標準適應性研究

周和祥 李安洪 周 成 李 寧, 羅 強

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031; 2.西南交通大學，成都 610031)

近年來，隨著高速鐵路技術的迅猛發(fā)展，高速化已成為當今鐵路發(fā)展的主要方向之一[1-2]，為鐵路運輸行業(yè)注入了新的動力。中國擁有目前世界上規(guī)模最大、運營速度最快的高速鐵路網，截至2019年12月，運營總里程達3.5萬 km，最高運營速度達350 km/h。積極開展400 km/h高速鐵路相關研究，對我國高速鐵路發(fā)展重要意義。

當列車運行速度提高至400 km/h后，軌面不平順所引起的動力作用更大，并向上傳導至車輛系統(tǒng)，向下傳遞至線下結構，作為軌道結構基礎的路基基床的動力作用也相應被放大。同時，動力作用加大又會影響軌道結構部件疲勞破壞和線路變形累積，加劇軌道幾何狀態(tài)的惡化。在列車荷載長期作用下，路基與相鄰結構的剛度差異使路基過渡段更易產生差異沉降，并通過軌道結構映射到鋼軌，形成軌面幾何不平順，動力作用更為明顯。

現行TB 10621-2014《高速鐵路設計規(guī)范》對過渡段的相關規(guī)定適用于350 km/h的高速鐵路，其在400 km/h技術條件下的適應性還有待研究。本文以滬渝蓉高速鐵路重慶至成都段為依托，構建了車輛-軌道-路基耦合動力學模型，對400 km/h條件下的列車動力學性能開展研究，同時重點分析了軌面折角、路基剛度、列車運行方向等因素對列車動力學性能的影響，并對現行過渡段設計標準在400 km/h條件下的適用性進行了初判，研究成果可為今后400 km/h及更高速度高速鐵路過渡段的設計提供有益參考。

1 動力學計算模型

1.1 模型參數

列車在軌道結構上運行，車輛系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)與路基系統(tǒng)之間的動力影響與荷載作用是一個動態(tài)耦合的過程。軌面幾何不平順與軌下結構支承剛度變化引起的輪軌接觸力是整個耦合系統(tǒng)產生振動的激勵源，并向上傳導至車輛系統(tǒng)，向下傳導至軌道系統(tǒng)與路基系統(tǒng)[3]。傳統(tǒng)擬靜力路基結構設計方法與相應的動力系數限值應當與車輛-軌道-路基耦合系統(tǒng)的動態(tài)響應相適應，符合車輛-軌道-路基耦合動力學原理。隨著列車運行速度的加快，耦合系統(tǒng)動力更加明顯，在列車運行速度高達400 km/h的技術條件下，有必要對路基過渡段性能進行動力學評估。因此，本文采用車輛-軌道-路基耦合動力方法，建立大系統(tǒng)耦合模型，仿真分析車輛系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、路基系統(tǒng)的動力作用特點，分析路基過渡段結構動力響應，評價現有規(guī)范標準下的路基過渡段在400 km/h技術條件下的動力學性能。

基于耦合動力學原理，建立了車輛-板式無砟軌道-路基耦合動力學垂向模型。其中，車輛系統(tǒng)基于多剛體動力學抽象為多剛體彈簧阻尼系統(tǒng)[4]，考慮到CR450高速鐵路動車組尚在研發(fā)中，相關動力學參數還不明確，車輛采用CRH380A車；鋼軌考慮其周期離散支承特點，抽象為離散支承Euler梁；針對CRTSⅢ型軌道板結構形式特點，將其抽象為連續(xù)支承條件下的單向自由板。

1.2 動力學計算方案

根據TB 10621-2014《高速鐵路設計規(guī)范》[5]和TB 10001-2016《鐵路路基設計規(guī)范》[6]要求，高速鐵路無砟軌道過渡段長度不小于20 m。當過渡段長度較長時，過渡段材料與結構過渡會更加平緩，考慮最不利情況，過渡段長度取20 m。

路基過渡段差異沉降直接影響軌道的幾何形位，進而導致軌面產生幾何不平順，以軌面高低不平順為主，這種高低不平順可采用軌面平折角來表示。

根據TB 10621-2014《高速鐵路設計規(guī)范》和TB 10001-2016《鐵路路基設計規(guī)范》要求，不均勻沉降造成的軌面平折角不應大于 1/1 000。

另外，耦合系統(tǒng)中的車輛系統(tǒng)考慮了向下重力作用的影響，此時“上坡”形式平折角與“下坡”形式平折角的動力作用分布形態(tài)與峰值點的出現位置存在明顯差異，如圖1、圖2所示。因此，兩種情況應分別加以考慮。

圖1 上坡平折角軌面不平順示意圖

圖2 下坡平折角軌面不平順示意圖

線路縱向不同結構因材料性質與結構特點造成的剛度差異是產生過渡段問題的原因之一。剛度差異的影響主要體現在兩個方面，一是在列車荷載長期反復作用下，線路縱向會產生沉降差異，映射至鋼軌，產生軌面幾何不平順；二是在列車運行中直接影響車輛-軌道-路基耦合系統(tǒng)的動力響應。

路基基床結構常采用地基系數K30控制，根據TB 10621-2014《高速鐵路設計規(guī)范》及TB 10001-2016《鐵路路基設計規(guī)范》中關于高速鐵路無砟軌道路基壓實控制指標的相關規(guī)定，基床表層地基系數K30≥190 MPa；基床底層采用粗礫土、碎石類土時，地基系數K30≥150 MPa，采用砂類土(粉砂除外)、細礫土時地基系數K30≥130 MPa；基床以下路堤采用粗礫土、碎石類土時，地基系數K30≥130 MPa，采用砂類土、細礫土時，地基系數K30≥110 MPa。一般認為基床結構的彈性模量與地基系數K30在數值上大致相當[7]。

E/(MPa)=K30/(MPa/m)

(1)

由此可知，路基結構與混凝土結構在模量相差約兩個數量級，即支撐剛度相差約100倍?？紤]過渡段范圍內，路基支撐剛度線性過渡，即當路基向其他結構物過渡時，路基剛度在剛度過渡區(qū)間內由Kf線性增加至100Kf(如圖3所示)，而其他結構物向路基過渡時，路基剛度在剛度過渡區(qū)間內由100Kf線性減小至Kf(如圖4所示)。

圖3 路基-其他結構支撐剛度過渡示意圖

圖4 其他結構-路基支撐剛度過渡示意圖

過渡段處車輛-軌道-路基耦合系統(tǒng)動力學響應受到列車運行速度、軌面平折角、路基支撐剛度及行車方向等因素的綜合影響，車輛-軌道-路基耦合動力學計算分析時應充分考慮這些因素。

過渡段長20 m時，對列車運行速度400 km/h與350 km/h、軌面平折角考慮0‰與1‰、路基相鄰結構與路基支撐剛度倍數考慮1倍(即路基支撐剛度不變)與100倍、列車運行方向考慮“上坡”與“下坡”等工況進行合理組合，共考慮12種計算工況，其中工況1-1～工況1-6為列車運行速度350 km/h條件下不同軌面平折角、支撐剛度比與行車方向的組合，工況2-1～工況2-6為列車運行速度400 km/h條件下不同軌面平折角、支撐剛度比與運行方向的組合，如表1所示。

表1 過渡段耦合動力學計算方案表

2 動力學性能評價指標與仿真結果

2.1 動力學性能評價指標

從車輛運行安全性、車輛運行平穩(wěn)性、車輛與軌道動態(tài)作用性能三方面評價各計算工況下車輛-軌道-路基耦合系統(tǒng)的動力學性能[8]。

(1)安全性評價標準

根據鐵運[2008]28號關于印發(fā)《高速動車組整車試驗規(guī)范》的通知[9]要求，對于最高運行速度200 km/h及以上的電力動車組，其輪重減載率執(zhí)行標準為：

(2)

(2)車輛運行平穩(wěn)性評價標準

TG/GW 115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》[10]按照不同速度等級及養(yǎng)護維修標準將軌道動態(tài)不平順管理值偏差等級劃分為Ⅰ～Ⅳ級，并對相應的線路軌道動態(tài)質量容許偏差管理值進行了規(guī)定，對于350 km/h的無砟軌道線路，在經常保養(yǎng)水平下(即偏差等級為I級)，車體垂向加速度的容許偏差管理值為1 m/s2。

(3)車輛與軌道動態(tài)作用性能評價標準

《高速動車組整車試驗規(guī)范》規(guī)定最高運行速度200 km/h以上的電動車組，其輪軌垂向力最大限制值為170 kN。

2.2 動力學仿真計算結果

(1)速度因素影響

相比350 km/h運行速度，當列車運行速度提升至400 km/h時，大部分工況的車體垂向加速度、輪軌力、輪重減載率等指標均有所增加，表明動力作用增大，如表2所示。其中工況1-1、2-1、1-2、2-2因未設置軌面平折角，其動力學指標相對其他工況均較小，因此增幅有減小或較大的情況，而在其他工況中，車體垂向加速度增幅為7.4%～8.6%，輪軌力增幅為4.9%～5.8%，輪重減載率增幅為11.1%～12.2%，輪重減載率的增幅最大。

表2 350 km/h與400 km/h條件下動力學指標增幅表

(2)剛度因素影響

不同路基支撐剛度情況下的動力學指標增幅如表3所示。

表3 路基支撐剛度倍數k變化的動力學指標增幅表

從表3可以看出，路基支撐剛度變化對動力學計算指標影響很小，其中工況1-1、工況2-1、工況1-2、工況2-2因未設置軌面不平順，其動力學指標相對其他工況均較小，因此增幅有減小或較大的情況，而在其他工況中，車體垂向加速度增幅為0.4%～1.5%，輪軌力增幅為0～0.5%，輪重減載率增幅為-2.8%～-1.2%，車體垂向加速度與輪軌力均增加，輪重減載率減小，輪重減載率的變化幅度最大，但仍未超過3%。工程中，一般認為5%為是否存在影響的界限，因此可認為是否存在長度為20 m的剛度由Kf線性變?yōu)?00Kf或由Kf線性變?yōu)?00Kf的剛度漸變段對垂體垂向加速度、輪軌力、輪重減載率影響均不大。

(3)折角不平順及列車運行方向因素影響

不同軌面不平順條件下的動力學指標如表4所示。

表4 不同軌面不平順條件下的動力學指標表

從表4可以看出，是否設置軌面折角不平順對系統(tǒng)的動力學性能影響顯著，折角不平順設置為上坡型或下坡型對動力響應也有影響，但影響程度不及是否設置軌面折角不平順明顯。未設置軌面不平順的車體垂向加速度約為0.01 m/s2，設置1‰上坡平折角不平順的車體垂向加速度在0.26～0.28 m/s2之間，較設置1‰下坡平折角不平順的車體垂向加速度(在0.24～0.26 m/s2之間)大，兩者相差約0.02 m/s2，約為8.2%。未設置軌面不平順的輪軌力約為70 kN，設置1‰上坡平折角不平順的輪軌力在106～112 kN之間，較設置1‰下坡平折角不平順的輪軌力(在103～109之間)大，兩者相差約2 kN，約為1.9%。未設置軌面不平順的輪重減載率約為0.01，設置1‰上坡平折角不平順的輪重減載率在0.43～0.50之間，較設置1‰下坡平折角不平順的輪重減載率小，兩者相差約0.03，約為6.9%。

2.3 動力學性能對比評價

當列車運行速度由350 km/h提升至400 km/h時，三項動力學指標均增大，但都未超過限制值，現有路基過渡段結構在400 km/h條件下仍具有適應性。在車體垂向加速度、輪軌力、輪重減載率三項控制指標中，輪重減載率最接近控制值，其次是輪軌力，車體垂向加速度遠小于控制值，如表5所示。

表5 不同時速條件下動動力學評價指標對照表

3 結論

本文針對現行路基過渡段設計標準在400 km/h條件下的適應性問題，開展了動力學仿真分析，得出以下主要結論：

(1)過渡段支撐剛度變化對過渡段動力學性能影響不大；軌面不平順對過渡段動力學性能影響顯著。在設計施工過程中，當過渡段差異沉降不能滿足軌面平折角控制指標要求時，應采取必要的工程措施以確保列車安全、平穩(wěn)通過。

(2)當列車運行速度由350 km/h提升至400 km/h時，三項動力學指標均增大，但均未超過限制值，現有路基過渡段結構在400 km/h條件下仍具有適應性。在車體垂向加速度、輪軌力、輪重減載率三項控制指標中，輪重減載率最接近控制值，其次是輪軌力，車體垂向加速度遠小于控制值。

(3)短路基平順過渡是目前鐵路路基設計與施工面臨的重點問題，后續(xù)還應進一步開展短路基過渡段的研究。