軌下支承失效對軌道結構動力性能的影響

李 威 張 艷 朱劍月

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海∥第一作者，碩士研究生）

軌下基礎承受來自鋼軌的各向壓力并有效保持軌道幾何形位。然而，由于列車荷載的長期作用，軌下基礎將受到很大的沖擊和振動，導致軌道累積變形增大，產生各類軌下支承失效，從而惡化軌道線路幾何與動態不平順，加劇輪軌相互作用，影響列車的正常運行［1－3］。本文通過建立車輛 軌道垂向耦合動力學模型，比較分析扣件松脫或失效、軌枕吊空和浮置板板下支承失效對于軌道結構動力性能的影響。

1 輪軌動力響應數值分析

1.1 建立模型

根據車輛 軌道耦合動力學原理［4］，考慮軌道剛度沿縱向不均勻變化，建立普通整體道床、彈性支承塊與浮置板不同軌道結構的動力學分析模型［5］。模型中將車體視為具有一、二系懸掛的由車體、轉向架及輪對組成的剛性系統；將鋼軌視為連續彈性離散點支承上的無限長梁，運用軌道系統剛度特性沿線路縱向發生突變來模擬軌下支承失效狀態。圖1～圖3為鋼軌扣件失效前后、彈性支承塊吊空前后、浮置板支座吊空前后示意圖。

圖1 鋼軌扣件失效前后圖

圖2 彈性支承塊吊空前后圖

圖3 浮置板支座吊空前后圖

1.2 計算參數

1.2.1 車輛計算參數

車體質量為50 160kg，構架質量為4 618kg，輪對質量為1 510kg，車體點頭慣量1.897 25×106kg·m2，構架點頭慣量3 940kg·m2，一系懸掛剛度2.9kN／mm，一系懸掛阻尼8×103N·s／m，二系懸掛剛度0.48kN／mm，二系懸掛阻尼1×104N·s／m，轉向架中心距15.70m，固定軸距2.5m，車輪半徑0.42m，軸重16 270kg。

1.2.2 鋼軌計算參數

鋼軌采用CHN60軌，視為彈性點支承基礎上的Bernoulli－Euler梁，其彈性模量E＝2.1×1011N／m2，單位長度質量mr＝60.64kg／m，截面面積A＝77.45cm2，截面慣性矩Iz＝3 217cm4，Iy＝524 cm4，線路為無縫線路。

1.2.3 彈性扣件軌道結構的計算參數

鋼軌扣件間距0.6m，扣件剛度為25kN／mm，阻尼取7.5×104N·s／m。

1.2.4 彈性支承塊軌道結構的計算參數

彈性支承塊質量mb＝100kg；軌下扣件與支承塊下支承剛度分別為12.5kN／mm與25kN／mm，阻尼均為7.5×104N·s／m。

1.2.5 浮置板軌道結構的計算參數

浮置板材料特性：浮置板混凝土強度等級C30，彈性模量32GPa，剪切彈性模量13.76GPa，泊松比為0.2。鋼彈簧浮置板長度為29.8m，寬為2.8m，厚度為0.29m，密度為1.5×103kg／m3。每塊浮置板下設50個彈簧支座，浮置板彈性支座間距為1.2m，軌下扣件與板下彈性支座剛度分別為12.5kN／mm與10kN／mm，阻尼均為7.5×104N·s／m。

1.3 計算結果分析

當列車運行速度為80km／h時，不同軌道結構緊鄰軌下支承失效后截面位置動力響應如圖4～圖6所示。工況分別為：五扣件支承失效（普通軌道結構），五支承塊吊空（彈性支承塊軌道結構），板下五支座支承失效（浮置板軌道結構）。由圖4～圖6可見，當輪軌沖擊傳至軌下結構時，由于軌下基礎缺陷無法提供良好支承，軌道結構在支承失效區段均經歷了較明顯的瞬態響應過程；在列車遠離失效區段后，系統響應將逐漸回復至平穩狀態。

圖4 普通軌道結構緊鄰軌下支承失效后第一個扣件處截面位置動力響應

圖5 彈性支承塊軌道結構緊鄰支承塊吊空后第一個支承塊處截面位置的動力響應

不同軌道結構緊鄰軌下支承失效后截面位置位移響應比較如圖7所示。分析后可知，對于普通軌道結構，五扣件支承失效下，較列車運行速度40km／h時的鋼軌位移9.164mm，速度為60km／h和80km／h時分別增加了2.1%和3.4%；80km／h時，一個扣件支承失效和五個扣件支承失效分別比無支承失效狀態下的鋼軌位移增大了39.2%和763.4%。對于彈性支承塊軌道結構，在五支承塊吊空下，彈性支承塊位移60km／h和80km／h時比在40km／h時的數值增大了2.0%和3.9%；而速度為80km／h時，一支承塊吊空和五支承塊吊空狀態下比無支承塊吊空下位移增大了279.7%和1 559.7%。另外，對于浮置板軌道結構，板下三支座支承失效時，浮置板板位移在60km／h和80km／h時比40km／h時分別增大了1.7%和4.5%；在速度為80km／h時，板下一彈性支座失效和五彈性支座失效狀態時比無支座失效狀態時增大了22.8%和191.3%。因此，軌下支承失效將影響其前后毗鄰的支承狀況良好的正常軌道結構，形成較長范圍內線路幾何與動力不平順，增加輪軌間相互作用。

圖6 浮置板軌道結構緊鄰失效支座后第一個支座處截面位置的動力響應

圖7 不同軌道結構緊鄰軌下支承失效后第一個扣件處截面位置位移響應比較

不同軌道結構緊鄰軌下支承失效后截面位置的支座反力比較如圖8所示。為便于比較，考慮一個支承失效工況，分析表明：當速度40km／h時，緊鄰支承失效后第一個扣件處截面位置的扣件支座反力為34.7kN，而速度為60km／h和80km／h時分別增加了9.5%和17.6%；緊鄰支承塊吊空后第一個支承塊處截面位置的支座反力在速度為60km／h和80km／h時比在40km／h時增大了8.7%和13.6%；浮置板緊鄰失效支座后第一個支座處截面位置的板下支座反力在速度為60km／h和80km／h時比40km／h時分別增大了0.2%和0.8%。速度為80km／h時，五扣件支承失效和一扣件支承失效分別比無扣件支承失效狀態下增大了29.5%和191.7%，五支承塊吊空和一支承塊吊空下比無支承塊吊空下增大了22.7% 和167.0%，浮置板板下三彈性支座失效和一支座失效比無支座失效狀態下增大了18.6%和127.4%。由此可見，軌下支承失效破壞了軌下基礎支承的連續性，使得運行車輛對軌道結構產生較大的附加沖擊動力，在列車高速通過與支承失效數目增加時尤為明顯。另外，在不同軌道結構中，浮置板軌道結構的支座反力受列車運行速度的影響較小，有利于軌道線路減振。

圖8 不同軌道結構緊鄰軌下支承失效后截面位置的支座反力比較

當列車運行速度為80km／h，在不同的支承失效數目情況下，普通軌道結構的鋼軌、彈性支承塊軌道結構的支承塊和浮置板軌道結構的板振動加速度級的1／3倍頻程如圖9所示。由圖9可知，在較寬頻率范圍內，軌下支承失效后軌道結構各部件的加速度級隨著支承失效數目的增多而增大。

圖9 不同軌道結構1／3倍頻程中心頻率處的振動加速度級

2 結語

軌下支承失效在運營線路上普遍存在，對其動力性能進行分析具有一定的實際意義。理論計算表明：軌下失效破壞了與其前后毗鄰的正常軌道結構的支承情況，形成數倍枕間距范圍的線路幾何與動力不平順，使得在列車通過吊空地段時輪軌相互作用加劇，軌下基礎的位移、支座反力等增長明顯，特別是多個軌下支承連續失效的情況，會加速軌道結構部件的破壞，影響行車安全。另外，浮置板軌道與普通扣件及彈性支承塊軌道相比，其軌道結構的動力響應受板下支承失效的影響相對較小。

基于上述存在的問題，建議軌道交通工務部門建立科學的養護維修體系，加強扣件、軌枕等軌道結構部件的日常檢測，確定分等級處理機制和標準；對懸空的扣件、彈性支承塊與浮置板彈簧支座應及時更換，消除線路病害；為整體道床設計、施工、養護等方面積累工程經驗，以確保列車行車安全。

［1］ 肖新標，金學松，溫澤峰.軌下支承失效對直線軌道動態響應的影響［J］.力學學報，2008，40（1）：67.

［2］ 向俊，楊樺，赫丹.軌枕懸空條件下的列車—軌道系統豎向振動響應研究［J］.鐵道科學與工程學報，2007，4（1）：8.

［3］ 朱劍月.軌下扣件支承失效對軌道結構動力性能的影響［J］.振動工程學報，2011，24（2）：158.

［4］ 翟婉明.車輛—軌道耦合動力學［M］.3版.北京：科學出版社.2007.

［5］ 朱志強.地鐵鋼彈簧浮置板道床存在的缺陷及設計優化［J］.城市軌道交通研究，2010（7）：50.