高速鐵路過渡段剛度最佳過渡方式研究

韋有信，錢小益，李成輝

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

目前，我國國內通用的過渡段做法是軌下基礎剛度線性變化，這種過渡方式可以降低軌下基礎剛度和沉降差異以保證行車平穩(wěn)舒適并延長車輛和線路使用壽命，但是隨著行車速度的不斷提高，高速列車通過過渡段的時間也將 ＜1 s，這種情況下，過渡段的微小缺陷也將導致列車發(fā)生劇烈振動，從而引起軌道破壞。大量試驗表明，高速列車通過過渡段時，輪軌動力作用明顯加劇，直接影響到行車的平順性和舒適性。因此，現(xiàn)行的剛度過渡方式不適合在高速鐵路中使用，應該考慮采用其他的剛度過渡方式。本文將運用有限單元法建立過渡段的力學模型，通過對比幾種不同剛度過渡方式在相同荷載下的鋼軌狀態(tài)和基礎反力，分析現(xiàn)行過渡段出現(xiàn)問題的原因，選出過渡段剛度的最佳過渡方式。

1 力學模型

該過渡段模型全長為26.4 m，低剛度端與高剛度端長度均取為3 m，過渡段長度取為20.4 m，扣件間距為0.6 m。為使得分析結果明顯，軌道兩端剛度比取為1∶4，低剛度取20 kN/mm，高剛度取80 kN/mm。荷載P取車輛總荷載的1/4，約取130 kN。過渡段簡化模型見圖1。

本模型中選用3種過渡段剛度過渡方式進行對比分析。3種剛度過渡方式分別為線性過渡、正弦曲線過渡和拋物線與三次多項式組合曲線過渡，軌下彈簧剛度的具體計算如下:

圖1 過渡段模型(單位:m)

設x為模型中各點距左端點的距離。x介于0～3.0 m(包含3.0)時，軌下彈簧剛度為20 kN/mm;x介于3.0～23.4 m時，過渡方式有三種。

1)線性過渡

軌下彈簧剛度為

2)正弦曲線過渡

設軌下彈簧剛度為

3)組合曲線過渡(拋物線和三次多項式組成)

設模型中各點距左端點的距離 x∈(3，18.6］時，組合曲線為拋物線，軌下彈簧剛度為

設x∈(18.6，23.4)時，組合曲線為三次多項式，軌下彈簧剛度為

x介于23.4～26.4 m時(包含23.4)，軌下彈簧節(jié)點剛度為80 kN/m。

過渡段具體剛度形式見圖2。

2 計算分析

圖2 過渡段剛度曲線圖

對模型上各彈性支撐點分別作用車輛荷載P，得出鋼軌上各彈性支撐點在車輛荷載P作用下的鋼軌垂向位移圖(見圖3)、鋼軌垂向位移變化率圖(見圖4)和荷載作用點下的基礎反力圖(見圖5)。

圖3 鋼軌垂向位移圖

圖4 鋼軌垂向位移變化率圖

圖5 荷載作用點下的基礎反力圖

2.1 鋼軌狀態(tài)

剛度采用線性過渡時，鋼軌變形曲線并非呈線性過渡，而是呈向上凸起的曲線，受此影響，列車在運行至低剛度端時，鋼軌垂向位移發(fā)生較大變化，列車高速通過時，輪軌動作用力將明顯增大，由于該位置鋼軌垂向位移變化率最大且發(fā)生突變，所以輪軌動作用力的最大值也往往發(fā)生在該位置，這將直接影響列車運行的平順性和舒適性。由此可見，過渡段低剛度端接頭依然是行車速度的一個控制因素。剛度采用正弦曲線過渡時，在低剛度端，鋼軌垂向位移曲線過渡較為平緩，且消除了線性過渡情況下的鋼軌垂向位移變化率突變，列車荷載作用下的鋼軌狀態(tài)得到很大改善，但就整體而言，鋼軌曲線坡度依然較大。相對前述兩種過渡方式而言，剛度采用組合曲線過渡的時候，鋼軌最大垂向位移變化率最小，且變化平緩，就整體而言，荷載作用下的鋼軌曲線坡度最小，鋼軌狀態(tài)最為理想。

從鋼軌狀態(tài)的角度來看，在相同荷載作用下，現(xiàn)行的過渡段剛度線性過渡情況下的軌道狀態(tài)最不理想，主要是因為荷載作用下的鋼軌曲線上凸，且在過渡段接頭處存在剛度突變。采用其他兩種曲線過渡的時候，軌道狀態(tài)要理想得多，特別是采用拋物線與三次多項式組合曲線過渡時，鋼軌垂向位移曲線坡度最小，且在過渡段兩端處，鋼軌垂向位移曲線更為平緩。

2.2 基礎反力

軌下基礎反力與過渡段軌下剛度成正比，隨著過渡段軌下剛度增大，基礎反力逐漸增大，與低剛度端相比，高剛度端基礎反力值增幅達50%。由圖5可知，線性過渡的基礎反力在過渡段接頭處發(fā)生突變，列車行至此處，會對軌道造成一定沖擊，引起軌道破壞，這主要是由于剛度突變所造成的，在過渡段低剛度端接頭處，荷載作用點下彈簧剛度要小于兩側節(jié)點剛度的平均值，受鋼軌抗彎剛度的影響，荷載作用點下兩端節(jié)點將承擔更大部分的荷載。由此可知，剛度突變是導致過渡段端點處基礎反力突變的根本原因。實際軌道中設置輔助軌(一對、兩對)或采用梯形軌道過渡就是通過加大軌排抗彎剛度，使軌下基礎受力均勻，并最大限度地減小沉降差，使軌道保持良好狀態(tài)。從圖5中還可看出，由于組合曲線過渡形式中的剛度沒有突變，所以消除了線性過渡的基礎反力突變，且從整體上看，組合曲線的基礎反力要小于其他兩種過渡方式，軌道的受力比其他兩種情況更加均勻。

從基礎反力的角度來看，過渡段剛度采用組合曲線過渡要明顯好于采用其他過渡方式，不僅消除了線性過渡情況下的基礎反力突變，而且其軌下基礎反力亦明顯小于其他幾種過渡方式。

3 結論

現(xiàn)行的線性過渡在荷載作用下的鋼軌狀態(tài)并不是成線性變化，而是向上突起。而且過渡段采用線性過渡的時候，在過渡段兩端接頭處依然存在剛度突變的問題，這些問題導致鋼軌垂向位移曲線不平順，軌下基礎反力發(fā)生突變。相對線性過渡而言，正弦曲線過渡則減緩了過渡段接頭處鋼軌不平順的問題，且消除了軌下基礎反力突變的現(xiàn)象。拋物線與三次多項式組合曲線過渡相對以上兩者而言，則有更好的改進，它極大地減緩了過渡段接頭處的鋼軌不平順問題，還消除了過渡段接頭處的基礎反力突變。從整體而言，組合曲線過渡情況下，不僅鋼軌垂向位移曲線最為平順，而且其基礎反力分布也最為均勻。由此可知，目前的線性過渡方式并不是過渡段剛度過渡的最佳方式，采用組合曲線過渡的效果將會明顯好于采用其他過渡方式。

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