160 km/h梯形軌枕軌道安全性、平穩性及輪軌振動特性在線實測

曾向榮，高志升，徐飛虎，孫國杰

（安境邇（上海）科技有限公司，上海 200030）

1 技術背景

我國城市軌道交通的大規模建設及運營已有10多年，80～100 km/h速度級軌道減振技術的應用已十分成熟，經驗豐富。但近年來越來越多在建線及規劃線路開始采用120～160 km/h速度級設計標準，這一速度等級的減振軌道技術應用很少，缺乏足夠的研究及試驗。

設計速度提高后，軌道減振技術面臨的主要問題在于使矛盾如何達到最佳平衡狀態：一方面對軌道平順性及動態變形的要求有所提高，另一方面軌道減振又不得不降低軌道支承剛度，相應地削弱了軌道結構的約束。

設計速度提高后，軌道減振的安全性、平穩性及可靠性比對減振效果更受關注。

梯形軌枕作為一項技術成熟、應用廣泛的高等減振軌道技術，早在10余年前就有高速線路適應性相關理論研究，研究結果表明梯形軌枕可適應最高360 km/h線路的應用技術要求[1]，但缺乏在線實際鋪設及測試驗證。

2 梯形軌枕及其應用概述

梯形軌枕最早起源19世紀，在歐洲、蘇聯、美國等均有研究和應用，20世紀中后期在日本經過不斷發展，形成目前的梯形結構型式（見圖1）。

圖1 梯形軌枕結構型式的演變Fig. 1 The evolution of the ladder-sleeper structure

梯形軌枕是由左右兩塊預制預應力混凝土縱梁及其連接鋼管、減振墊及緩沖墊組成的一種框架式軌道結構（見圖2），減振墊為梯形軌枕提供垂向彈性，緩沖墊為梯形軌枕提供側面限位及緩沖，縱梁兩側各設一個限位凸臺以防止梯形軌枕沿線路縱向爬行。梯形軌枕主要通過以下三個方面機理實現良好的減振效果（見圖3）。

1）預制框架結構提供高精度軌道幾何狀態及高平順性，維持較低的輪軌振動水平。

2）縱梁與減振墊組成質量—彈簧隔振系統，有效消減振動能量。

圖2 梯形軌枕結構Fig. 2 Structure of the ladder-sleeper

圖3 梯形軌枕減振特性曲線Fig. 3 Vibration damping characteristic curve of the ladder-sleeper

3）預應力縱梁與鋼軌形成雙彈性疊合梁，可增大軌道抗彎剛度，擴大輪軌力分布范圍，降低基底輪軌動態力的峰值和變化幅度，進一步降低振動水平。

梯形軌枕在2005年引入國內后，根據國內城市軌道交通工程條件和技術要求進行了全面優化，在北京、上海、廣州等20多個城市地鐵工程中作為高等減振措施已鋪設300 km，應用的最高設計速度為120 km/h，包括上海地鐵16號線、東莞城市快軌R2線、青島藍色硅谷線等（見圖4）。經過各種工程條件下多年的應用總結，建設部已頒布了相關的產品技術條件及施工質量驗收規范[4-5]。

圖4 梯形軌枕在國內的部分應用案例Fig. 4 Domestic application cases of the ladder-sleeper

3 測試方案[6]

3.1 測試線路條件

測試場地選在鐵道科學研究院國家鐵道試驗中心國鐵大環線（見圖5），線路主要技術標準如下：

圖5 鐵科院環行試驗線線路及既有有砟軌道Fig. 5 Loop test line of CARS and its existing ballast track

1）曲線半徑R=1 432 m；縱坡i=0‰；

2）超高h=125 mm，對應平衡速度123 km/h；

3）60 kg/m鋼軌；無縫線路；有砟軌道。

3.2 測試列車及速度等級

測試列車為8輛編組160 km/h動力集中電動車組，其配置為：動力車（軸重19.5 t/軸距2.8 m）+7輛非動力車（軸重 14 t/軸距 2.6 m）+儀器車（軸重15.25 t/軸距 2.6 m）。

測試速度級包括 100、120、140、160 km/h，實際最高測試速度 165 km/h，相應未平衡離心加速度0.66 m/s2。每一速度級采集5趟列車通過的數據并取平均，100 km/h及120 km/h主要考慮與該速度級已開通線路運行狀態對照，140 km/h及160 km/h則主要是對速度提高后的運行狀態及變化趨勢進行考察及分析。

3.3 梯形軌枕測試段及對比測試斷面軌道結構

共設二段梯形軌枕測試段，長度各180 m，二段主要區別是梯形軌枕厚度及扣件類型（見圖6）：

圖6 測試段梯形軌枕無砟軌道斷面Fig. 6 Cross section of the ladder-sleeper track in test section

1）梯形軌枕厚0.17 m，采用WJ-2A型小阻力扣件，這一配置通常用于高架線。

2）梯形軌枕厚0.22 m，采用ω彈條分開式扣件，這一配置通常用于地下線。

對比測試斷面為既有有砟軌道結構，采用國鐵定型的彈條Ⅱ型扣件及新Ⅱ型預應力枕。

3.4 測試內容及評判標準

測試內容包括軌道安全性、軌道變形穩定性、車體平穩性、輪軌振動特性及梯形軌枕強度等，梯形軌枕軌道測得的結果一是與規范標準對比，二是與有砟軌道進行對比，三是不同速度條件下對比，具體測試指標及評判標準如下：

1）軌道安全性：測試指標包括脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力等3項，評判標準為《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（GB 5599—85）及《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》（TB/T 2360—93）。

2）軌道變形穩定性：測試指標包括鋼軌及梯形軌枕的垂橫向動態位移，目前并無針對160 km/h速度級的評判標準，故參考了適用于最高速度級350 km/h的《高速鐵路工程動態驗收技術規范》（TB 10716—2013）。

3）車體平穩性：測試指標為車體垂橫向加速度，評判標準為《鐵路線路維修規則》（鐵運[2006]146號）。

4）輪軌振動特性：測試指標包括鋼軌垂橫向振動加速度，這一指標尚無針對性評判標準，主要通過梯形軌枕與有砟軌道以及梯形軌枕的枕中與枕端橫向對比差異加以判斷。

5）梯形軌枕強度：通過測試列車通過時梯形軌枕上下表面的最大應變，得到混凝土應力變化值，從而得知其疊加應力水平（見圖7、圖8）。評判標準為《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010），如表1所示。

圖7 梯形軌枕軌道測試現場Fig. 7 Test site of the ladder-sleeper

圖8 梯形軌枕軌道測點設置位置Fig. 8 Test position of the ladder-sleeper

表1 梯形軌枕測試項目及評判標準與限值[7-11]Tab. 1 Test list, evaluation standards and limit values

4 測試結果及分析

4.1 軌道安全性

由表2測試結果可知，梯形軌枕軌道的安全性良好。梯形軌枕軌道的脫軌系數、輪重減載率及輪軸橫向力最大值均遠小于限值，與既有有砟軌道比較接近，對速度的變化不敏感。

表2 各測試斷面安全性指標測試最大值Tab. 2 Maximum test value of the safety index in each test section

4.2 軌道變形穩定性

由表3測試結果可知，梯形軌枕軌道變形穩定性良好。兩種梯形軌枕軌道的鋼軌垂向動位移隨著速度的提高呈增大的趨勢，最大值分別小于無砟軌道限值、介于高速鐵路無砟軌道限值2.0 mm與有砟軌道限值2.5 mm之間，這對于160 km/h速度級來說達到要求。另外，通過垂向位移的量級亦可大致估判其良好的減振效果。

表3 各測試斷面軌道變形穩定性指標測試最大值Tab. 3 Maximum test value of the deformation stability index in each test section mm

兩種梯形軌枕軌道的鋼軌橫向動位移最大值均低于高速鐵路無砟軌道及有砟軌道的限值2.0 mm，但略大于既有有砟軌道，這主要是因為梯形軌枕采用的是分開式扣件，其鋼軌橫向偏轉通常大于既有有砟軌道的不分開式扣件，鋼軌橫向動位移對速度變化不敏感。

梯形軌枕橫向動位移最大值低于高速鐵路無砟軌道板限值1.0 mm及有砟軌枕限值2.0 mm。

4.3 車體平穩性

車體加速度是通過設在動車組司機室地板上的專用檢查儀測試。由表4可知，動車組通過整個環行道的車體垂向加速度最大值0.11 g有2處，分別位于既有有砟軌道范圍及170 mm梯形軌枕距過渡段5 m處，車體橫向加速度最大值0.07 g有3處，均位于既有有砟軌道范圍，上述車體垂橫向加速度最大值均略超1級標準，狀態良好；梯形軌枕軌道優于既有有砟軌道。

表4 整個環行道測得的車體垂橫向加速度最大值Tab. 4 Maximum test value of the vertical and lateral acceleration of the vehicle around the whole loop test line

4.4 輪軌振動特性

從圖9、圖10測試結果看，梯形軌枕軌道的鋼軌垂向振動加速度在25～1 250 Hz頻段略大于普通有砟軌道，其余頻段二者接近；梯形軌枕軌道的鋼軌橫向振動加速度與普通有砟軌道基本相當。梯形軌枕軌道的鋼軌垂橫向振動加速度未出現異常峰值，表明不會引起輪軌共振。

圖9 160 km/h時各測試斷面的外軌垂向加速度頻譜Fig. 9 Vertical acceleration spectra of the outer rail of each test section at the speed of 160 km/h

圖10 160 km/h時各測試斷面的外軌橫向加速度頻譜Fig. 10 Transverse acceleration spectra of the outer rail of each test section at the speed of 160 km/h

從圖11、圖12看，梯形軌枕軌道的鋼軌垂橫向振動加速度隨速度增加而略增，但增幅較小，表明梯形軌枕的速度穩定性良好。

圖11 梯形軌枕軌道不同速度下外軌垂向加速度頻譜Fig. 11 Vertical acceleration spectra of the ladder-sleeper at different speeds

圖12 梯形軌枕軌道不同速度下外軌橫向加速度頻譜Fig. 12 Transverse acceleration spectra of the ladder-sleeper at different speeds

從圖13看，梯形軌枕的枕中部與枕端部鋼軌垂向振動及速度在各頻段均十分接近，表明梯形軌枕的分塊式布置對輪軌關系無不良影響。

圖13 梯形軌枕的枕中與枕端外軌垂向加速度頻譜Fig. 13 Vertical acceleration spectra of the outer rail at the middle and end of the ladder-sleeper

4.5 梯形軌枕強度

從表5測試結果看，兩種梯形軌枕在軸重19.5 t動力車通過時，220 mm梯形軌枕的應力變化值小于170 mm梯形軌枕，應力最大變化值均不超過2 MPa，考慮到梯形軌枕截面由預應力鋼絞線產生的混凝土法向應力約為–7 MPa，與列車通過時的應力變化值疊加后的組合應力約[–5，–9]MPa，表明梯形軌枕強度具有很大的富余量，可完全滿足160 km/h速度級的強度要求。

表5 測試車通過時兩種梯形軌枕的應力最大變化值Tab. 5 Maximum stress changes in the two types of ladder-sleepers when the test train is passing MPa

5 結論

梯形軌枕軌道在鐵道科學研究院國家鐵道試驗中心R1432m曲線環行道上100～160（165）km/h速度條件下的實測結果表明，軌道安全性、軌道變形穩定性、車體平穩性及輪軌振動特性等各項指標良好，滿足160 km/h速度級線路相關規范標準的要求，可為該速度級的軌道減振技術提供借鑒與參考，具體結論如下：

1）軌道安全性方面，梯形軌枕軌道的脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力低于規范限值較多，與既有有砟軌道一致，對速度變化不敏感，僅輪重減載率隨未平衡超高增加而略有增加。

2）軌道變形穩定性方面，梯形軌枕軌道的鋼軌橫向動位移低于規范限值，略大于既有有砟軌道，主要是梯形軌枕采用了分開式扣件所致，鋼軌橫向動位移對速度變化不敏感；梯形軌枕軌道的鋼軌垂向動位移介于高速鐵路無砟軌道與有砟軌道限值之間，鋼軌垂向動位移的量級表明梯形軌枕的減振效果良好；梯形軌枕垂橫向動位移介于高速鐵路無砟軌道板與有砟軌枕的限值之間，對160 km/h速度級而言，完全可接受。

3）車體平穩性方面，梯形軌枕軌道僅鄰近過渡段的個別點，160 km/h時的車體垂橫向加速度略超規范中的Ⅰ級標準，梯形軌枕軌道優于既有有砟軌道。

4）輪軌振動特性方面，梯形軌枕軌道的鋼軌垂向振動加速度部分頻段略大于既有有砟軌道，基本屬于離散分布范圍，鋼軌橫向振動加速度與既有有砟軌道一致；梯形軌枕軌道的鋼軌垂橫向振動加速度在整個頻段未出現異常峰值，表明不會引起輪軌異常共振；梯形軌枕的枕中與枕端鋼軌垂橫向振動加速度基本一致，表明梯形軌枕的分塊式布置對輪軌關系無不良影響。

5）梯形軌枕強度方面，列車通過時的應力變化值與預應力鋼絞線施加的混凝土法向應力疊加后的組合應力遠低于規范限值要求，表明梯形軌枕強度具有很大富余量。