無砟軌道層間離縫對時速400 km高速鐵路車輛-軌道系統(tǒng)動力特性影響

韋強文,朱勝陽,羅 俊

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,成都 610031)

1 概述

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國自行研制，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)和領(lǐng)先技術(shù)水平的高速鐵路軌道技術(shù)。該軌道較好地兼顧了軌道彈性、結(jié)構(gòu)耐久性及經(jīng)濟合理性等要求，被廣泛應(yīng)用于我國高標準高速鐵路線路中[1-3]。CRTSⅢ型板式無砟軌道包含了鋼軌、軌道板、自密實混凝土層和混凝土底座板等結(jié)構(gòu)，其中軌道板和自密實混凝土層之間通過設(shè)置連接鋼筋和前后澆筑方法實現(xiàn)緊密連接。在服役過程中發(fā)現(xiàn)，由于兩者材料、結(jié)構(gòu)特性的差異以及外部環(huán)境的侵蝕，在列車荷載和溫度荷載作用下，容易造成兩者連接分離，形成層間離縫。離縫是CRTS Ⅲ型板式無砟軌道一種常見病害，嚴重影響軌道結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，在離縫劣化嚴重時，還將危及行車安全平穩(wěn)性[4]。

對于離縫劣化機理，應(yīng)用內(nèi)聚力理論模型建立的損傷本構(gòu)關(guān)系較好地反映板間離縫的損傷力學(xué)行為[5]，因此，在這一模型的基礎(chǔ)上，板式軌道離縫原因、損傷發(fā)展規(guī)律及損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上拱變形等問題得到了較為充分的研究[6-9]。對于離縫引發(fā)車輛-軌道系統(tǒng)振動特性的影響分析，楊政[10]基于有限元理論，考慮車輛荷載和溫度荷載影響，對位置和尺寸不同的離縫工況進行研究；曾志平[4]將未離縫工況與板邊離縫工況對比，揭示板邊離縫對軌道結(jié)構(gòu)動力特性的影響規(guī)律；婁平等[11]考慮了車輛和溫度荷載組合差異以及離縫長度和寬度的影響，分析離縫對CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)受力變形的影響；劉平等[12]則分析板端離縫長度對系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響，并關(guān)注于結(jié)構(gòu)的耐久性，提出板端離縫長度的維修限值。對于CRTSⅢ型軌道層間離縫防治，文弋戈等[13]通過現(xiàn)場調(diào)查以及現(xiàn)場試驗分析了層間離縫的形成原因，并建立簡化力學(xué)模型研究離縫注漿修復(fù)材料的材料特性對軌道板結(jié)構(gòu)受力的影響，結(jié)果表明，提高修復(fù)材料強度可有效提高結(jié)構(gòu)抵抗變形能力；練興平等[14]通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，分析晃車與離縫的關(guān)聯(lián)性，并提出了離縫注漿修復(fù)的有效整治工藝方法。

在既有研究中，針對CRTSⅢ型板式無砟軌道的層間離縫問題，開展了劣化機理、損傷危害和防治等方面的深入研究，有力支撐了既有設(shè)計高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道的工程應(yīng)用和科學(xué)管理。但目前研究大多針對時速350 km及以下的速度條件，對時速350 km以上速度條件下的離縫現(xiàn)象問題研究較少，而發(fā)展時速400 km及以上高速鐵路已成為高速鐵路發(fā)展的重要趨勢[15-17]。車輛-軌道系統(tǒng)動力學(xué)相互作用更為突出，軌道損傷對車輛-軌道系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響規(guī)律發(fā)生改變[18-19]。因此，針對時速400 km高速鐵路亟待開展無砟軌道離縫的系統(tǒng)動力學(xué)研究，分析既有無砟軌道維修規(guī)范的適應(yīng)性。對此，以自密實層與軌道板層間界面存在板邊離縫脫空的CRTSⅢ型板式無砟軌道為研究對象，如圖1所示。基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，開展時速400 km條件下離縫擴張程度對車輛-軌道系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響規(guī)律研究，為時速400 km高速鐵路無砟軌道養(yǎng)護維修工作提供重要理論支撐。

圖1 CRTSⅢ型軌道層間離縫

2 軌道層間離縫對系統(tǒng)動力學(xué)影響分析方法

2.1 車輛-軌道空間耦合動力學(xué)模型

為進行動力學(xué)分析，基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，建立圖2所示的動力學(xué)計算模型。其中，車輛多剛體系統(tǒng)考慮車體、構(gòu)架和輪對各自的沉浮、橫移、點頭、側(cè)滾和搖頭運動；軌道系統(tǒng)模擬為由鋼軌、軌道板和底座板組成的彈性阻尼振動模型，其中鋼軌、軌道板在垂向上分別以離散點支撐的簡支梁和自由薄板進行模擬；扣件和自密實混凝土層均模擬為彈性-阻尼單元。層間離縫脫空考慮具有較大離縫寬度而無接觸的離縫情況，因而，通過設(shè)置彈簧-阻尼單元失效進行模擬。輪軌法向力計算依據(jù)Hertz非線性接觸理論，輪軌力蠕滑力以Kalker線性理論計算，并按沈氏理論進行修正，參考已有輪軌關(guān)系計算方法和數(shù)值計算[20]。

圖2 車輛-軌道空間耦合動力學(xué)模型

2.2 工況設(shè)置

以標準軌道板P5600為研究對象，其平面尺寸如圖3所示。為分析不同板邊離縫工況對車輛-軌道系統(tǒng)的動力學(xué)影響，對軌道板與自密實混凝土層間的粘接界面，劃分成(9×17)個小區(qū)域，如圖4所示。板邊離縫按周向擴張形式進行研究，即粘接界面間的離縫從板邊區(qū)域1位置開始，按區(qū)域1、2、3、…、118、119、120順時針順序，逐漸由外向里擴張。其中，在橫向上，區(qū)域3、區(qū)域5和區(qū)域7所在橫向位置分別對應(yīng)右軌軌下、板中和左軌軌下。以離縫范圍每增加1個新區(qū)域為1個分析工況，共計120個工況。如第n個工況表示區(qū)域1～n發(fā)生離縫，其中工況0表示未出現(xiàn)離縫的正常工況。對每一個離縫工況進行動力學(xué)仿真，仿真中以波長范圍2～200 m的中國高速無砟譜樣本作為軌道不平順激勵。

圖3 CRTSⅢ板式無砟軌道平面(單位：m)

圖4 軌道層間離縫工況設(shè)置

3 離縫對車輛系統(tǒng)動力特性的影響

軌道結(jié)構(gòu)傷損對行車系統(tǒng)輪軌關(guān)系以及車輛運行動力性能影響規(guī)律，是提供損傷防治建議的重要依據(jù)。針對離縫劣化對輪軌動態(tài)相互作用的影響，圖5給出車速400 km/h下離縫工況1～工況120的輪軌垂向力響應(yīng)曲線。每幅圖包括輪軌垂向力全時程響應(yīng)曲線及其局部放大曲線，各工況輪軌垂向力均在靜輪重(57.38 kN)附近動態(tài)波動。離縫以周向順時針發(fā)展，以每周為1層，可分為3層。如第1層發(fā)生離縫對應(yīng)工況48；1～1.5層的劣化過程表示離縫從工況49發(fā)展至工況69的過程，其他劣化過程含義依次類推。計算結(jié)果表明，從離縫開始發(fā)展至第1層完全離縫的過程，輪軌垂向力變化可忽略不計。相比于正常工況0，從第1層劣化至1.5層，輪軌垂向力動態(tài)波動幅度增大，最小值逐漸減小，輪重減載量可達 20 kN。

圖5 不同離縫劣化程度的輪軌垂向力

隨著離縫區(qū)域的擴張，輪軌垂向力波動幅度變大，當(dāng)離縫在2.5～3層劣化時，輪軌垂向力較正常工況的波動幅度明顯增大。離縫工況105對應(yīng)波動幅度增大42 kN，最大輪軌垂向力為110 kN，最小輪軌垂向力為6 kN，輪重減載現(xiàn)象明顯，當(dāng)離縫發(fā)展至工況111后發(fā)生了輪軌分離。

離縫擴張對車輛運行安全性的影響規(guī)律如圖6所示，圖中縱坐標表示安全性指標最大值。由圖6可知，在工況88前輪重減載率的變化不大，在工況88之后輪重減載率開始增大，在工況110之后輪重減載率已超過安全限值0.8。脫軌系數(shù)在工況114前變化不明顯，而在工況114后輪重完全減載，脫軌系數(shù)為無窮大。

圖6 離縫對車輛運行安全性的影響

對于車輛系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，板邊離縫對輪對振動加速度影響顯著，其規(guī)律如圖7所示，圖中縱坐標表示輪對軸箱連接位置處的振動加速度最大值。由圖7可知，當(dāng)離縫發(fā)展至軌下后，離縫進一步擴張會導(dǎo)致輪對加速度明顯增大，對軸箱等車輛部件產(chǎn)生不利影響。

圖7 離縫對輪對加速度的影響

圖8為不同工況下的車體垂向加速度最大值和垂向平穩(wěn)性指標。由圖8可知，在板邊離縫分析工況范圍內(nèi)，車輛動態(tài)響應(yīng)值變化幅度較??；板邊離縫對車體振動加速度和車輛運行平穩(wěn)性影響不大。

圖8 離縫對車輛動態(tài)響應(yīng)的影響

4 離縫對軌道結(jié)構(gòu)振動的影響

板間離縫作為典型無砟軌道結(jié)構(gòu)傷損之一，當(dāng)傷損發(fā)生時，將影響結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，從而改變動載作用下結(jié)構(gòu)振動特性，進一步影響車輛-軌道系統(tǒng)的動態(tài)相互作用。因此，為研究時速400 km條件下，離縫對系統(tǒng)動力學(xué)特性影響，考慮離縫發(fā)展至軌下時已是影響行車安全的嚴重傷損狀態(tài)，取離縫工況1～88下的軌道結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)進行分析。

圖9、圖10以增幅形式分別給出了不同車速條件下，離縫擴張時鋼軌垂向位移與垂向加速度最大值變化規(guī)律。圖中不等間距的豎向網(wǎng)格線分別對應(yīng)9、25、33、48、55、69、75、88工況。其中，增幅是相對于無離縫正常工況而言，無離縫正常工況的軌道結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)最大值如表1所示。

圖9 板邊離縫對鋼軌位移的影響

圖10 板邊離縫對鋼軌加速度的影響

表1 無離縫時軌道結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)最大值

由圖9、圖10可見，隨著離縫區(qū)域擴張，鋼軌位移和加速度的整體變化趨勢類似，均呈逐漸增大趨勢，其中離縫對鋼軌加速度影響程度較鋼軌位移更為顯著。離縫沿板的橫向發(fā)展和縱向發(fā)展均會增大鋼軌的振動加速度和振動位移的幅值。離縫沿縱向發(fā)展時，主要影響與離縫位置同側(cè)的鋼軌振動響應(yīng)，對另一側(cè)的鋼軌振動影響不大，如在車速400 km/h下，工況55～工況69的沿左側(cè)縱向劣化過程中，左軌位移的變化幅度增大約10%，而右軌位移的變化幅度基本不變。當(dāng)離縫分布呈左右對稱(工況48和工況88)，左右鋼軌響應(yīng)增幅相當(dāng)。

對比不同車速的計算結(jié)果可知，在離縫僅發(fā)生于第1層時(工況1～工況48)，不同車速下鋼軌振動響應(yīng)增幅基本相當(dāng)；當(dāng)離縫從外側(cè)擴張至第2層時(工況48～工況88)，車速400 km/h下鋼軌響應(yīng)增幅明顯大于車速350 km/h對應(yīng)響應(yīng)增幅。

圖11為車速400 km/h時，離縫工況88對應(yīng)的軌道板不同位置處垂向位移和垂向加速度的幅值。由圖11可知，軌道板板端振動響應(yīng)最大，其余位置響應(yīng)幅值普遍與正常無離縫工況的響應(yīng)相當(dāng)?？梢妼τ谲壍腊澹暹呺x縫主要影響軌道板板端的振動響應(yīng)。

圖11 軌道板不同位置的響應(yīng)最大值

圖12根據(jù)軌道板板端響應(yīng)結(jié)果，給出不同速度條件下，軌道板垂向位移和垂向加速度最大值隨離縫發(fā)展的變化規(guī)律。由圖12可知，隨著離縫的擴張，軌道板響應(yīng)的增大發(fā)生于兩次離縫沿板端劣擴張過程，即工況1～工況10、工況49～工況55。由圖12可見，相比于沿縱向發(fā)展，離縫沿板橫向發(fā)展對軌道板振動響應(yīng)影響更大。與鋼軌振動響應(yīng)分析結(jié)果類似，當(dāng)板邊離縫達到第2層時，在不同速度行車下離縫對軌道結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)影響存在明顯差異，車速400 km/h下的影響較低速時更為顯著。相比車速350 km/h運行條件，車速400 km/h條件下軌道結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)更大，更容易加速層間離縫發(fā)展。

圖12 板邊離縫對軌道板加速度的影響

綜上研究表明，在時速400 km條件下，離縫主要通過影響軌道結(jié)構(gòu)振動特性進而影響輪軌相互作用關(guān)系，當(dāng)離縫發(fā)展至軌下時，離縫劣化將影響車輛運行的安全性，此時應(yīng)對損傷進行修補。由軌道板寬度尺寸2.5 m和軌距可知，離縫發(fā)展至軌下對應(yīng)離縫深度約為500 mm。在既有高速鐵路維修規(guī)則[21]中，將砂漿層離縫傷損等級分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級，其中Ⅲ級傷損程度最嚴重，其對應(yīng)離縫深度為“≥100 mm”。依據(jù)該維修辦法，深度大于500 mm的離縫可得到及時修補。關(guān)于無砟軌道離縫防治，既有線路維修標準適用于時速400 km高速鐵路。

5 結(jié)論

基于車輛-軌道耦合動力學(xué)，建立高速列車CRTSⅢ型板式無砟軌道動力學(xué)模型，分析時速400 km條件下，軌道板與自密實混凝土層間板邊離縫對系統(tǒng)動力特性的影響。主要結(jié)論如下。

(1)離縫對車體振動加速度及車輛運行平穩(wěn)性影響不大，但對輪軌動態(tài)作用力影響較大。當(dāng)離縫發(fā)展至軌下時，輪重減載現(xiàn)象明顯，隨著離縫持續(xù)擴展，輪軌接觸狀態(tài)逐漸惡化，嚴重時可危及高速行車安全。

(2)軌道板存在離縫時會使得軌道板、鋼軌以及輪對振動響應(yīng)幅值顯著提高，各響應(yīng)增幅中，軌道板振動加速度的增幅最大。相比離縫沿縱向發(fā)展，離縫沿著橫向發(fā)展對軌道結(jié)構(gòu)振動影響更大。

(3)在更高時速下，離縫會引起幅值更大的軌道結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，分析結(jié)果表明，既有高速鐵路維修標準對時速400 km高速鐵路仍具有較好的適應(yīng)性。