30 t軸重重載鐵路路橋過渡段動力性能研究

高芒芒 鄭曉龍 楊 飛

(1.中國鐵道科學(xué)研究院， 北京 100081；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

30 t軸重重載鐵路路橋過渡段動力性能研究

高芒芒1鄭曉龍2楊 飛1

(1.中國鐵道科學(xué)研究院， 北京 100081；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

文章以中南通道為工程背景，在75型鋼軌、軌枕間距0.6m、軌下膠墊剛度140kN/mm及道床剛度150kN/mm的條件下，建立列車-過渡段-橋梁動力分析模型，結(jié)合理論分析和實(shí)測數(shù)據(jù)確定線橋過渡段有效深度和動剛度，通過列車、軌道結(jié)構(gòu)和橋梁的動力響應(yīng)考察不同過渡段長度對系統(tǒng)動力性能的影響。結(jié)果表明，設(shè)置過渡段對軌道和車輛的響應(yīng)略有改善，但效果不甚明顯，且過渡段長度從20m增加到50m，軌道和車輛的動力響應(yīng)幾乎無變化，過渡段的主要作用在于保證過渡段構(gòu)造的穩(wěn)定性和控制差異沉降。

重載鐵路； 線橋過渡段； 路基動剛度； 行車安全性

由于路橋、路涵、路隧等不同結(jié)構(gòu)物之間存在沉降差異和剛度變化，列車通過時易出現(xiàn)較大振動，需對過渡段予以加強(qiáng)。加強(qiáng)措施主要從變形控制和剛度均勻化兩個方面進(jìn)行。在工程中，多采用增大路基基床豎向剛度的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于不對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門處理，全線軌道結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，便于養(yǎng)護(hù)維修。在《重載鐵路設(shè)計規(guī)范(試用稿)》中，詳細(xì)規(guī)定了路橋過渡段區(qū)域的設(shè)置方式和材料性能要求。本文以中南通道為工程背景，以路基基床過渡段方式為研究對象，主要考察在不計沉降差異的條件下，過渡段設(shè)置長度對車輛-軌道-橋梁動力性能的影響。

1 國外重載鐵路研究

重載運(yùn)輸技術(shù)集中體現(xiàn)在兩個方面:一是提高軸重。目前美國、加拿大等國的重載鐵路軸重普遍達(dá)到32.5～35.7 t、瑞典、巴西重載列車軸重己提高到30 t，而俄羅斯已將重載貨車軸重提高到27 t，并正加緊研究35 t軸重的軌道部件。二是提高列車牽引質(zhì)量。目前重載列車牽引質(zhì)量普遍在20 000 t左右。美國、加拿大等重載列車牽引重量普遍由15 000 t向18 000 t發(fā)展，南非、澳大利亞則己超過20 000 t。

1.1 澳大利亞

澳大利亞重載鐵路采用300 LA鐵路活載標(biāo)準(zhǔn)，活載圖式由若干軸重為300 kN的貨車組成，貨車車輛長度為12～20 m，采用360 kN的集中荷載模擬機(jī)車活載。

鋼軌采用68 kg/m鋼軌，鋼軌壽命在直線區(qū)段約為1 800 Mt。上世紀(jì)80年代末開始采用鋼筋混凝土軌枕，承載軸重能夠達(dá)到40 t。

1.2 南非

南非于1983年制定了用于重載鐵路橋梁設(shè)計的《Bridge Code》，其采用的活載標(biāo)準(zhǔn)在UIC71活載圖式的基礎(chǔ)上，將集中力由250 kN增加到280kN、均布荷載由80 kN/m提高到100 kN/m，同時將荷載間距適當(dāng)增加。重載鐵路采用60 kg/m鉻錳鋼軌，軌距1 065 mm，預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，軌枕間距為650 mm，道床厚30 cm。

2 重載鐵路軌道部件剛度匹配

軌道結(jié)構(gòu)中的每個部件，其使用性及耐久性不僅取決于自身的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計，也與其他部件以及整個軌道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)密切相關(guān)。軌下膠墊剛度偏低會使軌道結(jié)構(gòu)變形較大，影響線路的穩(wěn)定性和行車平穩(wěn)性，但其剛度增加又使得道砟及路基應(yīng)力相應(yīng)變大。大秦鐵路現(xiàn)場調(diào)研表明，大軸重列車長期作用下，道床累積變形增加，枕下支承剛度增大，墊板壓潰現(xiàn)象較為普遍。路基剛度偏低易造成路基表面防水層或鋪裝層開裂，并產(chǎn)生累積塑性變形，降低基床表層的壽命和功能，同時，還會造成上部軌道結(jié)構(gòu)疲勞損壞以及線路平順性差等。

利用NUCARS軟件建立貨車-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)分析模型，分析結(jié)果表明，在同一軌道平順狀態(tài)下，鋼軌垂向力、垂向位移及墊板壓力主要取決于墊板剛度，而鋼軌垂向加速度、軌枕位移、軌枕加速度和道床壓力則同時受到墊板剛度和道床剛度的影響。以輪軌力、墊板、道床壓力、鋼軌位移、軌枕位移、鋼軌加速度和軌枕加速度7個動力參數(shù)為基準(zhǔn)，以考慮各參數(shù)敏感系數(shù)后，軌道動力綜合效應(yīng)最小為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，確定軌道結(jié)構(gòu)部件剛度合理匹配方案為墊板剛度140 kN/mm，道床剛度150 kN/mm，該方案的整體剛度為90 kN/mm。

3 重載鐵路線橋過渡段動力分析模型

3.1 軌道動力分析模型

重載鐵路采用有砟軌道，由鋼軌、扣件、鋼筋混凝土軌枕、道床及路基等組成。為充分反映軌道結(jié)構(gòu)各部分的振動狀態(tài)及其對行車性能的影響，軌道結(jié)構(gòu)采用連續(xù)分布參數(shù)多層離散點(diǎn)支承梁來模擬，即鋼軌被視為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承上的無限長Euler梁，軌下基礎(chǔ)沿縱向被離散，離散以各軌枕支點(diǎn)為基元，每個基元的鋼軌與軌枕以及軌枕與道床之間通過彈簧與阻尼連接[1-2]。對橋梁兩側(cè)的有砟軌道，道床按軌枕間距離散成質(zhì)量塊，道床與路基之間通過彈簧與阻尼連接。對橋上的有砟軌道，道床的質(zhì)量并入橋梁的二期恒載中考慮，但道床的彈性和阻尼特性對軌枕的影響計入模型[3-5]。有砟軌道動力學(xué)模型如圖1所示。橋上軌道動力學(xué)模型如圖2所示。

圖1 有砟軌道動力學(xué)模型

圖2 橋上有砟軌道動力學(xué)模型

3.2 路橋過渡段的處理

由于土為半無限線彈性體，如果把路基處理成通常的結(jié)構(gòu)物，則必須考慮足夠大的體積并采用彈性邊界條件以模擬周圍土體的影響，而此邊界條件的具體數(shù)值難以準(zhǔn)確判定，因此，通常把路基處理成道床下的彈性約束，具體數(shù)值則根據(jù)實(shí)測和經(jīng)驗(yàn)值判定。鑒于路橋過渡段是對地基的特殊處理措施，因此采用與地基相同的處理辦法，即視為道床下的彈性約束，只是路橋過渡段區(qū)域內(nèi)邊界彈簧數(shù)值與路基段不同。重載鐵路設(shè)計規(guī)范規(guī)定的臺尾路堤過渡段設(shè)置方式如圖3所示。

圖3 臺尾路堤過渡段設(shè)置方式

3.2.1 過渡段有效深度

為確定路基及路橋過渡段的支承彈性，首先需要確定路基內(nèi)位移的傳遞深度，在此深度之下的土體，盡管還存在一定程度的應(yīng)力水平，但已基本無壓縮變形[6-8]。考慮到有砟軌道路基動應(yīng)力衰減速率明顯大于無砟軌道，且在低速條件下兩相鄰轉(zhuǎn)向架通過時幾乎無應(yīng)力疊加，因此最終以基床深度，即3.0 m為路基和線橋過渡段的彈性支承層厚度。

3.2.2 過渡段路基動剛度

朔黃鐵路170號橋路橋過渡段的現(xiàn)場測試和理論分析，提出路基K30控制指標(biāo)為90 MPa，且距橋臺后15～20 m范圍內(nèi)是鋼軌位移、加速度變化的敏感區(qū)域，因而過渡段長度不宜小于20 m。同時為減小基床表層動位移和加速度，基床表層剛度和填料剛度應(yīng)高于150 MPa。因此，動力分析結(jié)合《重載鐵路設(shè)計規(guī)范(試用版)》中對過渡段和路基剛度的相關(guān)要求以及根據(jù)秦沈鐵路實(shí)測得到的動靜剛度比，最終選取，剛度如下：

(1)基床表層剛度：190 MPa；

(2)基床底層剛度：130 MPa；

(3)路橋過渡段區(qū)域內(nèi)級配碎石剛度：150 MPa；

(4)動靜剛度比：1.295(根據(jù)秦沈鐵路實(shí)測數(shù)據(jù)反推)，過渡段與路基交錯區(qū)域，剛度線性變化處理。

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)動力分析模型

為進(jìn)行動力分析，設(shè)計了常用的32 m簡支梁橋，其中列車豎向靜活載采用《客貨共線和貨運(yùn)鐵路橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)研究總報告》中提出的中-活載(2005)設(shè)計圖式(如圖4所示)，針對貨運(yùn)專線提出的ZH活載，其中分級系數(shù)取為Z=1.2。

圖4 設(shè)計采用的活載計算圖(m)

動力分析時按10跨簡支T梁連續(xù)布置計算，不計橋墩影響。

4 計算工況

過渡段長度對列車和軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，計算工況和參數(shù)如表1所示。

表1 列車-過渡段-橋梁動力分析工況

計算中鋼軌采用75型軌，軌枕間距0.6 m，軌下膠墊剛度140 kN/mm，道床剛度150 kN/mm。

5 過渡段動力性能分析

5.1 橋梁動力響應(yīng)

計算結(jié)果顯示過渡段設(shè)置后對橋梁動力響應(yīng)的影響不明顯，橋梁響應(yīng)主要取決于車速和軸重。為車速70 km/h時橋梁跨中的動撓度時程曲線和加速度時程曲線如圖5和圖6所示。

圖5 橋梁跨中動撓度時程曲線(車速70 km/h)

圖6 橋梁跨中加速度時程曲線(車速70 km/h)

5.2 鋼軌響應(yīng)分析

鋼軌的輸出結(jié)果包括垂向位移和加速度，其中不設(shè)過渡段和過渡段長度為20 m工況的鋼軌輸出位置相同，其余工況由于過渡段長度增大導(dǎo)致鋼軌輸出點(diǎn)隨之變化。鋼軌動撓度計算結(jié)果如表2所示，鋼軌加速度計算結(jié)果如表3所示。

由表2、表3可知，不設(shè)過渡段條件下鋼軌的動力響應(yīng)略大于設(shè)置過渡段的情況，但過渡段長度由20 m增加至50 m，鋼軌的動力響應(yīng)無顯著變化。

表2 鋼軌動撓度計算結(jié)果

表3 鋼軌加速度計算結(jié)果

5.3 車輛動力響應(yīng)分析

車輛的動力響應(yīng)計算結(jié)果如表4所示。分析可知，盡管不同車速下減載率有明顯差異，但不同的過渡段長度并未造成顯著區(qū)別，一是由于選取的軌道不平順相對較差，因此在一定程度上掩蓋了過渡段的影響；二是由于過渡段路基剛度與普通路基剛度差距不大，也使得動力分析結(jié)果相近。出橋時減載率明顯大于進(jìn)橋時，而過渡段長度由20 m增加到50 m的影響則微乎其微。

表4 車輛動力響應(yīng)計算結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 出橋時剛度突變對車輛振動的影響大于進(jìn)橋。

(2) 設(shè)置過渡段對軌道和車輛的響應(yīng)有所改善，橋梁響應(yīng)幾乎不受過渡段影響，過渡段長度由20 m增加至50 m，軌道和車輛的動力響應(yīng)無顯著變化，因而從剛度勻順過渡的角度而言，我國《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》的相應(yīng)規(guī)定能夠保證不因線橋結(jié)構(gòu)的剛度差異對軌道和車輛振動造成沖擊。

(3) 根據(jù)不同橋臺后路堤高度設(shè)置不同長度的過渡段，主要作用在于保證過渡段構(gòu)造的穩(wěn)定性和控制差異沉降。

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Dynamic Performance Study of Track-bridge Transition Section for 30 t Axle Load Heavy Haul Railway

GAO Mangmang1ZHENG Xiaolong2YANG Fei1

(1.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081,China;2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., Chengdu 610031, China)

Taking South-central Railway as the engineering background, under the condition of 75 kg rail, 0.6 m as sleeper spacing, 140 kN/mm as stiffness of pads under rail and 150 kN/mm as stiffness of ballast bed, the train-transition section-bridge dynamic analysis model is built, effective depth and dynamic stiffness of transition section are determined by theoretical analysis and actual data, and the influence of different transition section lengths on system dynamic performance is studied through the dynamic response of train, track structure and bridge. The results show that the length of transition section increased from 20 m to 50 m will slightly improve the dynamic response of train and track, but the effect is not obvious, the main function of transition section is assurance of structure stability and decreasing of differential settlement.

heavy haul railway; transition section of track and bridge; dynamic stiffness of subgrade; running safety

2016-05-23

高芒芒(1970-)，女，研究員。

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項(xiàng)目(2015G004-A)

1674—8247(2016)05—0071—04

U21

A