基于動(dòng)力學(xué)的軌束梁加固線路限速條件優(yōu)化研究

阿布都克力木?卡馬力

摘 要：既有鐵路橋涵進(jìn)行改（擴(kuò)）建時(shí)，為保證行車安全，通常在鐵路線路上架設(shè)軌束梁對(duì)其進(jìn)行加固。期間，根據(jù)《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》要求，需對(duì)既有線路行車采取限速措施，但設(shè)計(jì)文件要求的限速值使得線路施工期間的鐵路運(yùn)能很緊張。為了緩解鐵路橋涵施工與列車運(yùn)行之間的矛盾，研究建立了動(dòng)力學(xué)分析模型，分析了不同列車時(shí)速下軌道剛度變化及列車安全性和舒適性指標(biāo)變化，提出了不同情況下合理、安全的鐵路限速目標(biāo)值，為施工方案設(shè)計(jì)和管理鐵路運(yùn)能提供了理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：限速值；軌束梁；軌道剛度

中圖分類號(hào)：U298.1；TQ13.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0157-04

Research on optimization of speed limiting conditions of rail beam reinforcement line based on dynamics

ABUDUKELIMU·Kamali

（Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Urumqi 830011，China）

Abstract：When the existing railway bridge and culvert are reconstructed （expanded），rail beams are usually reinforced by installing on the railway line to ensure traffic safety.During this period，according to the requirements of the “Safety Rules for Ordinary Speed Railway Works”，it is necessary to take speed limit measures for the existing lines，but the speed limit values required by the design documents make the railway capacity during the construction of the line very tight.In order to alleviate the contradiction between railway bridge and culvert construction and train operation，a dynamic analysis model was established，the changes in track stiffness and train safety and comfort indicators under different train speeds were analyzed，and reasonable and safe railway speed limit target values for different situations were proposed，providing theoretical guidance for construction scheme design and management of railway transportation capacity.

Key words：speed limit value;rail beam;rail stiffness

既有鐵路橋涵進(jìn)行改（擴(kuò)）建時(shí)，為保證行車安全，通常架設(shè)軌束梁加固鐵路線路，以增強(qiáng)軌道的整體剛度。同時(shí)，施工設(shè)計(jì)通常參照《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》中關(guān)于“橋隧涵施工作業(yè)安裝D型鋼便梁加固線路期間列車限速45 km/h”作為限速目標(biāo)值。如果按多點(diǎn)位、多頻次、長時(shí)間、低速度等要求限制既有鐵路運(yùn)營，將會(huì)造成鐵路運(yùn)能大幅度下降，給鐵路運(yùn)輸造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。如何在確保鐵路運(yùn)行安全的同時(shí)，適當(dāng)提高鐵路限速，以最大限度的減少鐵路運(yùn)輸損失，以達(dá)到安全和運(yùn)能上的“平衡”，成為一個(gè)焦點(diǎn)問題?；诖耍芯繌慕Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究了不同時(shí)速時(shí)，行車的安全性與舒適性指標(biāo)，提出了相對(duì)合理、安全的鐵路限速目標(biāo)值。

1 研究項(xiàng)目概況

烏將線擴(kuò)能改造工程，線路起始于烏魯木齊鐵路樞紐內(nèi)的烏北站，沿途經(jīng)烏魯木齊市新市區(qū)、米東區(qū)、烏魯木齊市國家級(jí)甘泉堡經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、阜康市、自治區(qū)級(jí)阜康產(chǎn)業(yè)園、吉木薩爾縣北三臺(tái)循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)園、昌吉州國家級(jí)準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)至準(zhǔn)東煤田五彩灣礦區(qū)設(shè)準(zhǔn)東站，后沿準(zhǔn)東煤田內(nèi) Z917 線（準(zhǔn)東公路）南側(cè)向東，終于 Z917 線與 S228 線交叉口西側(cè)的準(zhǔn)東煤田將軍廟礦區(qū)，線路全長 257.035 km。新建二線及既有線均為Ⅰ級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h。

新建二線與既有線并行段落長230 km，線間距從4.2～8.5 m不等，并行段落內(nèi)橋涵工點(diǎn)392座，二線橋涵工點(diǎn)施工時(shí)，既有線路基本采用軌束梁進(jìn)行加固處理，以確保鐵路線路運(yùn)行安全。

2 線路加固方式

軌束梁由軌束、木岔枕、連接件等組成。軌束采用P43鋼軌，通常以3－5－3扣軌束組合（一股道2根基本軌外側(cè)設(shè)置3根鋼軌一束、2根基本軌內(nèi)側(cè)道心設(shè)置5根鋼軌一束）；木岔枕采用普通岔枕160 mm×240 mm×3 500 mm，穿入既有軌枕間枕盒，以保證線路撥道、抬道等整修線路作業(yè)，木岔枕與基本軌間設(shè)絕緣膠墊和墊板；軌束與其下的木岔枕采用U形螺栓等連接件聯(lián)結(jié)在一起形成整體，具體如圖1和圖2所示。

3 車輛運(yùn)動(dòng)模型

考慮軌束梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用多體動(dòng)力學(xué)軟件Simpack建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型［6-8］。

3.1 車輛模型

車輛模型由1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架和4個(gè)輪對(duì)組成，忽略各個(gè)部件的彈性變形，將其視為一個(gè)多

剛體振動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于整車模型，車體、轉(zhuǎn)向架各有5個(gè)自由度，分別是橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭和點(diǎn)頭；輪對(duì)則考慮4個(gè)自由度，即橫向、垂向、側(cè)滾及搖頭，整車共計(jì)31個(gè)自由度。轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)、車體和轉(zhuǎn)向架之間運(yùn)用彈簧阻尼單元模擬一系、二系懸掛連接，考慮垂、橫、縱3個(gè)方向的阻尼和剛度，運(yùn)用阻尼力元模擬橫向和垂向減震器。

根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中采用的ZKH活載，設(shè)置車輛模型的軸重為250 kN，以模擬最不利情況。

3.2 軌道結(jié)構(gòu)

鋼軌采用TB60軌，車輪廓形采用LMA型磨耗型車輪。為模擬軌下結(jié)構(gòu)剛度變化，采用彈性軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。建立彈性軌枕結(jié)構(gòu)，鋼軌與彈性軌枕相連。將軌下結(jié)構(gòu)剛度看做一個(gè)等效剛度，通過99號(hào)力元來模擬軌下結(jié)構(gòu)剛度及其剛度變化，如圖3所示。

對(duì)于車輛-軌道動(dòng)力耦合系統(tǒng)，軌道不平順是其振動(dòng)的主要來源，并通過輪軌相互作用力及振動(dòng)傳遞影響到軌下其他結(jié)構(gòu)，模型中軌道不平順采用實(shí)測(cè)不平順譜，將不平順樣本數(shù)據(jù)生成Tre.文件，通過導(dǎo)入到Simpack中的函數(shù)中，再通過激勵(lì)輸入功能生成不平順，最后在Track中按照Rail-related的形式添加。

在進(jìn)行加固工作時(shí)，既有軌枕間插入木岔枕、擾動(dòng)道床，會(huì)導(dǎo)致道床的縱、橫向穩(wěn)定性降低，進(jìn)一步加大了軌道結(jié)構(gòu)的不平順性［17］。因此，在既有實(shí)測(cè)不平順的基礎(chǔ)上，考慮了一定的增大系數(shù)，盡可能模擬最不利情況。

3.3 基礎(chǔ)模型

基于有限元軟件Abaqus建立軌束梁［12-14］加固區(qū)域和未加固區(qū)域的軌道模型，得到其軌下剛度的變化。鋼軌P43軌和軌道長度12.5 m為具體工況。為簡(jiǎn)化計(jì)算，軌束梁簡(jiǎn)化為長方體。軌束梁加固區(qū)域和未加固區(qū)域的軌道靜力學(xué)模型［1-4］如圖4所示。

由圖4可知，由于軌束梁加固區(qū)域剛度的增加，列車在通過此區(qū)域時(shí)，輪軌垂向力和輪重減載率有較為明顯的增加，且數(shù)值波動(dòng)更為劇烈。而其他各指標(biāo)雖與輪軌垂向力和輪重減載率相比增幅不夠明顯，但實(shí)驗(yàn)中也能看出在通過加固區(qū)域，其數(shù)值波動(dòng)較大，指標(biāo)最大值也多出現(xiàn)在此區(qū)域。

鋼軌支座剛度（D）用來表征鋼軌扣件和軌下基礎(chǔ)的等效剛度，被定義為是軌底面產(chǎn)生單位下沉而作用于支座上的壓力。由式（1）計(jì)算該剛度：

D=R/y（1）

式中：R為作用于支座上的力，kN；y為鋼軌支座下沉量，mm。

對(duì)于垂向剛度計(jì)算，在左右鋼軌扣件位置上方施加125 kN的垂向集中力；橫向剛度計(jì)算，則在鋼軌軌底施加40 kN的橫向集中力，到鋼軌支座下沉量及等效剛度，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在軌束梁的區(qū)域，軌道結(jié)構(gòu)的垂向剛度和橫向剛度都有顯著增加。其中，垂向剛度是未加固區(qū)域的2.56倍，橫向剛度則是未加固區(qū)域的2.07倍。

4 數(shù)值結(jié)果討論

在Simpack中建立動(dòng)力學(xué)［15-16］模型，通過99號(hào)力元模擬了軌道剛度的變化，如圖6所示。

由圖6可知，軌道剛度在軌束梁區(qū)域顯著增大，軌道剛度在此區(qū)域存在明顯的剛度增加再減小的情況。

行車速度100 km/h時(shí)各指標(biāo)的時(shí)程圖如圖7所示。動(dòng)力學(xué)模型中線路總長100 m，其中，軌束梁區(qū)域?yàn)?2.5 m。

計(jì)算工況分別為列車速度：45、60、80、100和120 km/h，得到行車安全性與舒適性［18］指標(biāo)結(jié)果如表2所示；輪重減載率隨速度的變化情況如圖5所示。

輪重減載率隨速度的變化如圖5所示。

由表2和圖5可知，隨著行車速度的不斷提高，各個(gè)指標(biāo)最大值基本都呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)。車輛速度由45 km/h增到120 km/h，輪軌垂向力由141 kN增到221 kN，增幅達(dá)到57%；輪軌橫向力由6.7 kN增到11.6 kN，增幅達(dá)到73%；輪軸橫向力由10.3 kN增到16.4 kN，增幅達(dá)到59%；輪重減載率則是當(dāng)速度達(dá)到100 km/h時(shí)，其值為0.570，接近0.6的容許限值；當(dāng)速度達(dá)到120 km/h時(shí)，輪重減載率為0.777，已經(jīng)超過0.65的危險(xiǎn)限值：脫軌系數(shù)由0.054增到0.092，數(shù)值很小，無脫軌風(fēng)險(xiǎn)；車體垂向加速度雖有一定增加，但增幅也較??；而對(duì)于車體橫向加速度，由最初的0.188 m/s2增到0.478 m/ s2，增幅也達(dá)到了154%。

由以上分析可知，車輛在通過軌束梁加固區(qū)域時(shí)，車輛安全性和舒適性指標(biāo)有一定程度的增加，且在行車速度達(dá)到100 km/h后輪重減載率接近容許限值，速度120 km/h后輪重減載率超過危險(xiǎn)限值。考慮到軌束梁加固區(qū)域復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)情況，保留一定安全富余量，在保證行車安全與舒適的同時(shí)，盡可能提升線路通過運(yùn)能，建議通過該區(qū)域時(shí)車輛速度降為80 km/h。

5 結(jié)語

（1）在鐵路軌束梁的區(qū)域，軌道結(jié)構(gòu)的垂向剛度和橫向剛度顯著增加。最不利情況下，軌道垂向剛度是未加固區(qū)域的2.56倍，軌道橫向剛度則是未加固區(qū)域的2.07倍;

（2）車輛在通過軌束梁加固區(qū)域時(shí)，其安全性和舒適性指標(biāo)有一定程度的增加。在速度達(dá)到100 km/h時(shí)，輪重減載率接近安全容許值；在速度達(dá)到120 km/h時(shí)，輪重減載率超過了安全限值，且輪軌垂向力數(shù)值也較大;

（3）考慮一定安全富余量，在保證行車安全與舒適的同時(shí)，盡可能提升線路通過運(yùn)能，建議車輛通過軌束梁區(qū)域時(shí)限速80 km/h（除路肩范圍內(nèi)施工“人工挖孔樁”加固路基期間限速60 km/h外）。同時(shí)，需加強(qiáng)加固區(qū)域軌道狀態(tài)的檢測(cè)，保證線路軌道不平順的控制。

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收稿日期：2023-09-05；修回日期：2023-12-08

作者簡(jiǎn)介：阿布都克力木·卡馬力（1977-），男，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)與施工； E-mail：304041032@qq.com

引文格式：阿布都克力木·卡馬力.

基于動(dòng)力學(xué)的軌束梁加固線路限速條件優(yōu)化研究［J］.粘接，2024，51（3）：157-160.