列車-CRTSⅡ型板式無砟軌道-路基系統加速度響應大型振動臺試驗研究

曹禮聰，童心豪，張志方，張建經，李曉斌，楊長衛

(1. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2. 中國鐵路總公司 科技管理部，北京 10084)

地震是一種常見且對鐵路行車安全產生極大危害的突發性自然災害。地震往往能在極短時間內造成巨大的財產損失和嚴重人員傷亡，列車速度越快，輪軌之間作用力越大[1]，因此當列車運行速度達到或超過200 km/h時，地震對路基、橋梁、軌道等結構的沖擊及高速列車與下部結構物之間的相互作用都可能危害列車運行的安全性、引起重大事故[2]。例如，2004年10月23日，日本新瀉發生了里氏6.8級地震，從東京開往新瀉的1列有10節車廂的新干線列車其中的8節發生脫軌[3]；2008年5月12日汶川發生里氏8.0級地震后，致使寶成線、成昆線、成渝線等鐵路多處塌方，導致31列客車、149列貨車在途中滯留，沿線部分車站、設備遭到不同程度的損壞，寶成線21043次貨運列車脫軌[4]；2010年3月4日，臺灣高雄發生里氏6.7級地震，臺灣高鐵因地震停運，造成1列北上高速列車的1節車廂脫軌[5]。然而已有的地震歷史資料表明，我國的地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣，50%以上的國土面積位于Ⅶ度以上的地震高烈度區，而“八縱八橫”高速鐵路網也有近萬公里穿越高地震烈度區域，因此開展高速鐵路地震預警具有重要的現實意義。

目前，我國高速鐵路地震預警系統處于研究階段，地震預警閾值主要參考日本預警系統，地震時警報值為40 Gal，地震后限速值為80 Gal，地震后停車值為120 Gal[6-8]。而對于高速鐵路在地震作用下的動力響應研究，目前多集中在數值計算方面[9-11]，將車輛模型、軌道模型和輪軌關系做了大量的簡化，同時針對于輪軌接觸也未取得有效突破，這就造成計算結果與實際情況有差別，因此函待地震作用下高速鐵路動力響應的試驗研究。本文據此背景，開展國內第一臺列車-CRTSⅡ型板式無砟軌道-路基系統大型振動臺試驗，本文詳細的介紹了試驗模型中路基、鋼軌、底座板、軌道板、軌下墊板、轉向架及列車的制作，其中部分重要零部件由工廠定制，部分現場預制，模型的制作嚴格按照相似比設計而成，模型路基中、鋼軌、輪對、轉向架及列車上均布置三向加速度傳感器。根據試驗數據，本文探究了列車-CRTSⅡ型板式無砟軌道-路基系統在地震作用下水平向和豎向加速度的傳播規律，分析了不同輪對及鋼軌之間的響應差異、加載不同地震波幅值時列車及轉向架的振動形式，為后續深入研究提供一定參考。

1 工程概況

本試驗路基原型為京滬高鐵京徐施工段Ⅱ型板式無砟軌道標準路基，路基機床由表層和底層組成，表層與無砟軌道混凝土支承層或混凝土底座總厚度不小于70 cm，表層厚度為0.4 m，采用級配碎石填筑；基床底層厚度為2.3 m，采用A、B組土或改良土填筑。基床以下填筑A、B、C(不含細粒土、粉砂及易風化軟巖)組填料或改良土。直線地段路基面無砟軌道混凝土基座范圍內設向外0.5%的坡度，兩側支承層邊緣至路肩為向外4%的排水坡，表面采用厚10 cm瀝青混凝土封閉。雙線之間填筑級配碎石表面用混凝土封閉。(備注：A、B、C填料詳見TB 10621—2014《鐵路路基設計規范》[14])

2 振動臺試驗介紹

2.1 振動臺概況

試驗在重慶大學MTS多功能地震模擬振動臺試驗大廳進行，該振動臺具有6個自由度，臺面尺寸為6 m×6 m，最大載重量600 kN，最大位移：X向±0.25 m，Y向±0.25 m，豎向±0.25 m；最大速度：X向±1.20 m/s，Y向±1.20 m/s，豎向±1.00 m/s；臺面最大加速度：X向±1.5g，Y向±1.2g，豎向±1.0g；工作頻段0.1～50 Hz，采用電液伺服和數值控制，數據采集、監測信號和在線分析同步進行。試驗模型見圖1。

圖1 試驗模型

2.2 相似設計及模型制作

在此次大型振動臺試驗中，涉及到很多物理量，通過分析整理，共有17個獨立的物理量，具體如下：幾何尺度L；重力加速度g(Cg=1)；黏聚力C；動彈模E；內摩擦角φ；動泊松比μ；重度γ；剪切波速Vs；輸入加速度A；持續時間Td；頻率ω；角位移θ；線位移s(應保證Cs=CL)；響應速度V；響應加速度a；應力σ；應變ε。

通過π定理[12-13]求解14個導出的相似常數量，具體結果見表1。本次試驗以原型為研究對象，在相似體系中，尺寸、加速度和密度作為控制參數進行推導，根據原型及試驗設施等條件，確定本次試驗的尺寸相似比為10，密度相似比為1，重力加速度相似比為1。則整個模型相似比可通過推導獲得，具體見表1。

表1 場地試驗模型相似常數

(1) 路基

根據TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》[14]，基床模型土采用高速鐵路標準基床填料(A、B組填料或改良土)，填料粒徑級配應符合壓實性能要求，壓實系數≥0.97，不均勻系數Cu不應小于15，地基系數K30≥190 MPa/m，基床邊坡坡度采用標準高速鐵路基床邊坡坡度1∶1.5，基床模型尺寸參考TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》[14]根據相似比進行簡化。模型中基巖底層采用黏土與碎石子混合而成，基巖表層采用黏土、石膏、碎石子混合而成，模型制作中土體進行分層夯實，包括機械夯實和人工夯實，夯實后對土體進行環刀取樣密度測試，并取土樣送至實驗室進行土體常規參數測試，試驗中為確保夯實效果，以K30作為控制指標。

試驗中采用K30指標監測路基土體的壓實效果，壓實標準以TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》[14]中要求為基準，K30值是一個能反映路基強度與變形參數的承載力指標。K30測試結果見圖2，基床表層的K30為196 MPa/m，可知基床底層的K30為179 MPa/m，滿足試驗要求。

圖2 K30測試曲線

(2) 底座板、軌道板及軌下墊板

底座板采用混凝土材料進行預制，尺寸為9 600 mm×315 mm×30 mm(長度×寬度×高度)，平鋪路基表面中間，底座板地面嵌入土體1.5 cm，做模及澆筑與軌道板過程一致。原型列車軌道板采用標準工廠預制高速鐵路CRTS-Ⅱ型軌道板。在無砟軌道原型中，軌道板把來自鋼軌和扣件的輪載均勻地傳遞給水泥瀝青砂漿墊層，并且把軌道縱向荷載和橫向荷載傳遞給混凝土凸形定位柱。在模型中，模型軌道板用混凝土板模擬，布于路基中間。本試驗中，由于列車靜止停放在鋼軌上，軌道板不需設置定位柱，結合原型尺寸和相似比，試驗用軌道板的尺寸為645 mm×255 mm×20 mm(長度×寬度×高度)，軌道板與底座板之間通過AB膠強力固結。

原型中軌下墊板采用鋼材，鐵軌和軌下墊板之間的連接采用螺栓緊固件，見圖3，模型中采用硬聚氯乙烯(硬PVC)，密度為1.45 g/m3，軌下墊板與模型鋼軌之間采用螺栓扣件連接，軌下墊板在工廠預制時預留螺栓孔，軌下墊板與軌道板之間的連接通過AB膠強力固結。

為保證試驗模型與原型一致，底座板、軌道板及軌下墊板在安裝中均使用標準定位施工，同時使用水平尺確保橫縱向的絕對水平。

(3) 鋼軌

原型鋼軌采用60鋼軌，理論質量60 kg/m，經過相似比為10換算后，模型鋼軌理論質量6 kg/m，模型鋼軌尺寸根據原型鋼軌尺寸經過相似比進行縮尺，模型鋼軌頂部為弧形，模型鋼軌間距取14.35 cm，模型鋼軌及安裝好的鋼軌見圖4。鋼軌安裝完畢使用水平尺等校驗以滿足水平及尺寸等實驗要求。

(4) 列車

列車模型采用標準CRH380BL型動車組，原型動車組車廂尺寸(寬度×高度)為3.26 m×3.89 m，車廂長為24.825 m，軸重為16 t。本次試驗采用的幾何相似比為10，考慮到模型制作的方便及材料的相似條件，整體模型列車采用頂部開孔長方體，列車底板材料采用鋼材，板厚10 mm，車體兩邊壁采用鋼材，壁厚為10 mm，模型車廂尺寸(寬×高×長)分別為0.32 m×0.39 m×2.50 m。兩個原型轉向架的中心距離為17.375 m，考慮到實際試驗工況，模型輪對軸距取1.74 m。同一原型轉向架下輪軸軸距為2.5 m，模型轉向架軸距為0.25 m，見圖5。鋼材密度為7.85×103kg/m3，模型車體質量為47.5 kg。原型列車總重3 800 kN，為8節車廂，因此原型列車單節車廂重475 kN，具體情況見表2。

表2 列車的相似關系

圖5 轉向架

輪軌接觸關系是耦合動力學分析的關鍵，車輛正常運行情況下，輪軌狀態為動態單點接觸，在地震等極端條件下，輪軌勢必會有多點接觸，但對于多點接觸目前的理論分析或數值計算仍存在諸多問題。在模型試驗中，車輪及鋼軌等均嚴格按原型縮尺，包括車輪踏面、輪緣等精加工而成，保證模型試驗中的輪軌接觸與原型一致，能克服數值模擬中輪軌接觸人為設定帶來的問題，因此模型試驗結果更能實際反應原型的響應。

2.3 測點布置

圖6 試驗測點布置示意

本次振動臺試驗的的加速度傳感器(A)布置見圖6。模型中加速度傳感器共使用26個，其中路基中18個，分層布置，鋼軌上4個，位于1號、4號輪對左右兩側下方鋼軌處，轉向架上1個，位于1號輪對左上處，車廂底部3個，靠近1號輪對為A21，靠近4號輪對為A23，A22位于車廂中間，用來監測模型的動力響應，采用江蘇東華DH302及日本進口型號。

2.4 地震波輸入及加載方式

為研究高速鐵路動車模型在地震作用下的動力響應特性，地震波類型選用由中國地震局提供的鄭州黃河大橋橋址區域地震波(ZHQ)，原波EW向峰值為0.042 3g，Z向峰值為0.028 1g，持時49.28s，原波按相似比進行壓縮處理，處理后地震波持時為15.58 s，歸一化的時程曲線及傅里葉譜見圖7。對模型Y、Z向輸入加速度時程曲線，Y向輸入加速度峰值為0.05g、0.07g、0.10g、0.12g、0.14g、0.16g、0.18g、0.20g、0.23g、0.25g、0.27g、0.30g、0.35g、0.40g，Z向幅值按Y∶Z向加速度幅值比1∶0.664(來源原波數據)換算得到。歸一化的時程曲線及傅里葉譜見圖7，試驗加載工況見表3。每個地震波工況加載前均對模型加載時間長度為50 s、幅值為0.03g的高斯白噪聲激勵WN。

圖7 鄭州黃河橋橋址區域地震波時程及傅里葉譜

序號地震波幅值/g水平豎直序號地震波幅值/g水平豎直1WN-10.0300.03015WN-80.0300.0302ZHQ-10.0500.03316ZHQ-80.2000.1333WN-20.0300.03017WN-90.0300.0304ZHQ-20.0700.04618ZHQ-90.2300.1535WN-30.0300.03019WN-100.0300.0306ZHQ-30.1000.06620ZHQ-100.2500.1667WN-40.0300.03021WN-110.0300.0308ZHQ-40.1200.08022ZHQ-110.2700.1799WN-50.0300.03023WN-120.0300.03010ZHQ-50.1400.09324ZHQ-120.3000.19911WN-60.0300.03025WN-130.0300.03012ZHQ-60.1600.10626ZHQ-130.3500.23213WN-70.0300.03027WN-140.0300.03014ZHQ-70.1800.12028ZHQ-140.4000.266

3 水平向加速度響應

3.1 時程及頻譜特性

圖8 測點的水平向加速度時程及其傅里葉譜

現行Q/CR 633——2018《高速鐵路地震預警監測系統技術條件》中規定地震后停車閾值為120 Gal，以0.120g黃河大橋橋址區域地震波(ZHQ-4)為例，加載ZHQ-4時模型在時頻域內水平向的加速度響應,見圖8。測點A1基底、A4基頂分別位于模型中路基不同高程處，其水平向加速度峰值分別為0.123g、0.225g，加速度沿路基高程向增加82.9%，可見高程能顯著增大路基水平向地震波幅值。而軌道板處(A27)水平向加速度峰值與路基頂部A4相比，略微減小，鋼軌處(A25)水平向加速度峰值為0.251g，較軌道板處峰值增加20.8%，這與試驗中列車輪對與鋼軌激烈碰撞造成鋼軌響應變強現象一致。轉向架作為車體重要結構，安裝了彈簧使之具有良好減震特性，轉向架處(A19)水平向加速度峰值為0.193g，相較于鋼軌處減小23.1%，體現了轉向架的減震功能。列車作為主要承重，其水平向響應較強，峰值達0.253g。

模型測點的水平向傅里葉譜特征見圖8，圖8中可以看出路基對30～40 Hz較大的放大效應(見測點A1、A4)。結構部分，鋼軌與軌道板處傅里葉譜特性一致，轉向架處對30～40 Hz頻段削弱明顯，同時對1.72 Hz有一定的放大，體現出了轉向架的高頻過濾特性，列車處5～15 Hz頻段得到放大。

3.2 水平加速度放大特性

定義加速度放大系數為模型中測點整個時域內水平加速度峰值與路基最底部測點A18水平加速度峰值的比值。不同加載地震波幅值時輪對下鋼軌處加速度放大系數的變化情況見圖9。由圖9可見，當加載地震波幅值不大于0.14g時，鋼軌處水平加速度放大系數隨加載地震波幅值增加而增加，這意味著輪對與鋼軌之間的水平向相互作用越來越強；0.14g以后放大系數起伏不定，但均值仍大于0.14g以前。同時圖9中可以看出，4號輪對左下鋼軌處響應最為強烈，0.14g時放大系數達到7.8，1號輪對右下鋼軌處響應較為平緩，放大系數維持在1.59～2.45之間，4號輪對右下鋼軌與1號左下鋼軌加速度放大系數規律較為一致，以上分析可以看出列車的振動以1號輪對右下接觸點為基準，對角處4號輪對左下接觸點振動最為劇烈，另一對角處接觸點振動基本一致。上述分析也與試驗中所觀察到4號輪對振動最為劇烈這一現象一致。

圖9 輪對下方鋼軌水平加速度放大系數隨加載幅值變化

不同加載地震波幅值時轉向架、列車1孔、列車2孔和列車3孔加速度放大系數的變化規律見圖10。可見當加載地震波幅值小于0.12g時，轉向架與列車1孔加速度放大系數相差不大，列車沿路基縱向加速度放大系數明顯增大；加載地震波幅值大于0.12g時，列車1孔放大系數明顯大于轉向架處，同時列車上3處的放大系數均較大，變化幅度小于0.05g～0.10g時的列車放大系數。以上分析可以看出列車的加速度放大規律與輪對鋼軌下的加速度放大規律一致，沿路基縱向振動變強。

圖10 列車及轉向架水平加速度放大系數隨加載幅值變化

4 豎直向加速度響應

4.1 時程及頻譜特性

圖11 測點的豎向加速度時程及其傅里葉譜

同3.1節中，以0.120g黃河大橋橋址區域地震波(ZHQ-4)為例，模型ZHQ-4時模型在時頻域內豎直向的加速度響應見圖11。由圖11可見，路基對豎向加速度呈現出略微的放大作用，路基頂部測點A4豎向加速度峰值(0.124g)較底部測點A1豎向加速度峰值(0.115g)增大7.8%，軌道板處豎向峰值為0.118g，略微減小，而鋼軌處由于輪對與鋼軌的相互作用，豎向加速度峰值增至0.419g，較軌道板處增大約255%，地震波傳至轉向架時，轉向架處的豎向加速度峰值增至0.637g，可見豎向轉向架響應強烈，列車上A21測點豎向加速度峰值減小為0.587g，減小幅度約7.8%，可見轉向架豎向減震不明顯。

由圖11可知，豎向傅里葉頻譜特征顯示，路基及軌道板豎向加速度頻譜變化不大，鋼軌處對20～23 Hz頻段有略微放大，豎向地震波傳至轉向架時，30～40 Hz頻段在轉向架處得到明顯增加，列車處30～40 Hz頻段傅里葉幅值減小。

4.2 豎向加速度放大特性

同3.2節，豎向加速放大系數為模型中測點整個時域內豎向加速度峰值與路基最底部測點A18豎向加速度峰值的比值。不同加載地震波幅值時輪對下鋼軌處豎向加速度放大系數的變化情況見圖12，可見當加載地震波幅值不大于0.14g時，鋼軌處豎向加速度放大規律與水平加速度放大規律一致，豎向加速度放大隨加載地震波幅值增加而增加，0.14g以后放大系數起伏不定，4號輪對左下鋼軌響應最強，0.14g時放大系數達14.1，1號輪對右與1號輪對左加速度響應規律一致，但總體上右側下鋼軌放大系數大于左側下鋼軌，4號輪對右下鋼軌響應最弱，加載幅值小于0.3g時，放大系數維持在1.09～1.86之間，0.35g和0.4g時放大系數增大至4.43、4.56，但仍弱于其他輪對下鋼軌響應。

圖12 輪對下方鋼軌豎向加速度放大系數隨加載幅值變化

不同加載地震波幅值時轉向架、列車1孔、列車2孔和列車3孔豎向加速度放大系數的變化規律見圖13，可見其豎向加速度變化規律與水平向差別較大，當加載地震波幅值小于0.12g時，列車1孔和列車2孔放大系數基本一致，小于列車3孔的放大系數，轉向架的放大系數最大；當加載地震波幅值大于0.12g時，列車中部2孔響應最弱，列車3孔響應強于列車1孔，轉向架響應最強。同時對比水平與豎向加速度響應，可知豎向響應明顯強于水平向。

圖13 列車及轉向架豎向加速度放大系數隨加載幅值變化

5 現行停車閾值(120 Gal)時脫軌分析

現行高速鐵路地震預警系統中地震停車值為120 Gal，為分析該工況下模型可能的脫軌情況，試驗時中測試了各輪對的位移響應，其相對路基頂部的相對位移峰值及殘余位移見表4，由表中數據可以看出，120 Gal工況下輪對側向位移峰值明顯小于鋼軌的側向寬度，加載工況結束后無殘余位移，可見此工況下列車不會脫軌，這說明現行停車閾值設置安全。

同時應該注意到，根據第4節分析可以看到，列車-CRTSⅡ型板式無砟軌道-路基系統的動力響應非常復雜，同一節車廂不同位置在不同幅值地震波作用下響應存在差別，雖然現行停車閾值安全，但列車的水平向加速度放大系數甚至達到4，豎向放大系數達到9，對于列車安全仍有很大的潛在危險。

表4 輪對位移峰值及殘余位移

6 結論

本文基于中國高速鐵路地震預警尚缺乏抗震方面試驗研究這一背景，特開展首臺國內高速鐵路大型振動臺試驗，文章詳細的介紹了試驗模型中軌道底板、CRTSⅡ型板式軌道板、鋼軌扣件、鋼軌及列車的設計制作過程，并以中國地震局提供的鄭州黃河大橋橋址地震波為激勵，研究了模型在該地震波作用下的加速度動力響應規律，試驗結果表明：

(1) 在現行規范中規定地震后停車閾值為120 Gal，模型加載0.12g地震波時，路基高程能顯著增大水平向地震波幅值，但豎向加速度峰值變化較小；鋼軌水平向加速度峰值較軌道板處增幅大于豎向加速度峰值增幅，鋼軌與輪對相互作用豎向響應明顯強于水平向。由輪對位移可知，此工況下列車不會脫軌，現行停車閾值設置安全。

(2) 轉向架水平向減震效果明顯，轉向架豎向加速度增加，列車水平向響應較強，加速度大于轉向架，列車豎向響應與轉向架接近，轉向架水平減震效果強于豎向，但豎向響應更強。

(3) 水平加速度傅里葉譜分析顯示路基對30～40 Hz較大的放大效應，轉向架處30～40 Hz頻段削弱明顯；豎向加速度傅里葉譜分析顯示路基及軌道板豎向加速度頻譜變化不大，轉向架處30～40 Hz頻段增加明顯。

(4) 當加載地震波幅值不大于0.14g時，鋼軌處水平及豎向加速度放大系數隨加載地震波幅值增加而增加，不同輪對響應差別大，0.14g以后放大系數起伏不定，但均值仍大于0.14g以前，水平向4號輪對右下鋼軌與1號左下鋼軌加速度放大系數規律較為一致，豎向1號輪對右與1號輪對左加速度響應規律一致，但總體上右側下鋼軌放大系數大于左側下鋼軌，4號輪對右下鋼軌響應最弱。

(5) 列車的水平加速度放大規律與輪對鋼軌下的加速度放大規律一致，沿路基縱向振動變強；豎向在加載地震波幅值小于0.12g時，轉向架的放大系數最大，列車3孔放大系數大于列車其他位置；當加載地震波幅值大于0.12g時，列車中部2孔響應弱與列車其他位置，轉向架響應最強。水平與豎向加速度響應對比可知豎向響應明顯強于水平向。

(6) 現行停車閾值下列車雖不會脫軌，但列車水平向及豎向加速度放大系數很大，仍有較大潛在危險，路基對于地震波具有一定放大效應，可考慮鋼軌隔震措施，同時對于列車需考慮更進一步的減震設計。