斜拉橋上動車組交會及制動、啟停試驗設計與實施

張明，瞿雄，沈洋，孟鑫，董振升，王巍，鄭慶東，梁曉東

（1.中國鐵路南昌局集團有限公司，江西南昌 330002；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

0 引言

動車組在大跨度橋梁上運行時會發生交會及制動、啟動等不同工況，由于動車組運行速度快，會對橋梁產生豎向、橫向、縱向的復雜荷載沖擊。不同結構類型橋梁的受力傳遞方式和受力特點各不相同，這些動力荷載傳遞至橋上線路、梁體、橋墩。由于“車-線-橋”耦合動力分析十分復雜，通常采用仿真計算或現場試驗方法研究其相互作用特征[1-4]。

列車牽引和制動均通過車輪踏面與鋼軌間的摩擦力實現，相應在鋼軌頂面產生縱向作用力。國內外理論和試驗研究表明：對于相同制動類型車輛，列車停止瞬間達到制動力的最大值，各個車輛制動力大小相同。列車制動初速度越高，所需制動距離及時間越長。列車制動停車前較短時間內迅速增大的制動力會造成梁體產生較大的縱向位移、橋墩底部彎矩瞬間增大[5-7]。

為研究列車制動力及其傳遞特征，列車制動試驗一般在普速、重載鐵路常規跨度橋梁上開展，試驗列車多為貨車。國內外很少在大跨度鐵路橋梁上開展動車組的交會及制動、啟停試驗。

元洪航道橋（132+196+532+196+132）m鋼桁梁斜拉橋前期完成了靜、動載試驗，靜載試驗主要測試豎向列車靜荷載作用下的結構剛度、應力等指標；動載試驗結合聯調聯試試驗開展，僅在一線通過試驗列車進行振動響應測試。靜、動載試驗尚未驗證縱向力作用下的橋梁力學性能以及雙線列車以不同速度在橋上交會時的動力響應等問題。開展橋上列車交會及制動、啟停試驗，對處于海洋強風環境下的動車組運行具有指導意義。

1 橋梁概況

平潭海峽公鐵兩用大橋是我國首座公鐵兩用跨海大橋，鐵路按I級雙線鐵路200 km/h、公路按高速公路6車道100 km/h標準設計。大橋地處復雜海域，列車運行安全和平穩需要重點考慮。3座通航孔橋均采用鋼桁梁斜拉橋結構，其中最大跨度的元洪航道橋主橋跨徑布置為（132+196+532+196+132）m，主橋塔梁間設置豎向及橫向約束，邊墩及輔助墩頂設置縱向活動支座以提供豎向及橫向約束。N3#橋塔與鋼桁梁間順橋向設置固定支座，限制主梁順橋向位移。N4#橋塔與鋼桁梁間使用帶限位功能的黏滯阻尼器，塔兩側共設置8套。主塔處主梁與主塔之間設置抗風支座加強橫向約束。

元洪航道橋位于人嶼島與長嶼島之間，全長1188m。斜拉橋主梁采用帶斜副桁的直桁截面，雙層橋面布置。其中，上層公路橋面除梁端6個節間為鋼桁混凝土結合橋面外，其余橋面均為正交異性鋼板為主的板桁組合整體橋面結構，下層鐵路橋面采用正交異性鋼板整體橋面結構，由縱肋（梁）、橫梁及其加勁的鋼橋面面板組成。主橋主梁頂寬35.6 m，桁高13.5 m，下弦桁寬15.0 m。

平潭海峽公鐵兩用大橋部分縱斷面示意見圖1。

圖1 平潭海峽公鐵兩用大橋部分縱斷面示意圖

2 試驗目的及依據

2.1 試驗目的

在新建大跨度鐵路鋼桁梁斜拉橋上開展動車組交會試驗，獲取不同速度等級下動車組交會時的“車-橋”動力響應，用于分析雙線行車時橋梁振動特性，與單線行車振動特征進行對比，分析運營狀態最大豎向加載和偏載作用下梁體的豎向和扭轉振動。根據綜合檢測列車測試數據，掌握交會時動車組運行的穩定性（安全性）、平穩性狀態。

通過動車組制動、啟停試驗，掌握大跨度鐵路斜拉橋上動車組速度為80 km/h時緊急制動原始試驗數據，分析動車組制動力作用特征，用于驗證支座及阻尼器、鋼軌伸縮調節器及梁端伸縮裝置的工作狀態，分析梁軌縱向相對動位移、鋼軌應力、制動力大小及其對下部支座、橋墩影響，掌握橋梁結構在制動狀態下的動力響應。

2.2 試驗依據

根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》第4.3.11條，列車制動力或牽引力計算應符合下列規定：

（1）制動力或牽引力應按計算長度內列車豎向靜活載的10%計算；當與離心力或列車豎向動力作用同時計算時，制動力或牽引力應按計算長度內列車豎向靜活載的7%計算。

（2）雙線橋梁按一線的制動力或牽引力計算；三線或三線以上的橋梁按雙線的制動力或牽引力計算。

（3）設計車站內橋梁時，應根據結構型式考慮制動和啟動同時發生的可能性。

《鐵路橋梁檢定規范》（鐵運函〔2004〕120號）第11.3.1條制動試驗規定：試驗荷載以特定速度運行，在橋上進行緊急制動，以測定荷載制動時產生的構件應力和位移，據此檢驗結構物在制動力作用下的工作狀態。

2.3 計算分析

為掌握縱向制動力作用下橋梁結構的整體變形趨勢及受力狀態，開展鋼桁梁斜拉橋的仿真分析，用于指導現場試驗測點布置、方案設計。全橋結構計算分析采用空間板梁單元法進行有限元建模，整體模型和列車制動力作用下的全橋縱向位移見圖2。

圖2 整車模型和列車制動力作用下的全橋縱向位移

開展動車組牽引仿真分析，得到動車組加速、減速距離及不同制動模式下的制動距離，為合理設計交會及制動、啟停試驗方案提供技術支撐。動車組牽引仿真分析結果見圖3。

圖3 動車組牽引仿真分析結果

3 試驗組織及流程

3.1 試驗組織

（1）鐵路局集團公司負責組織、實施試驗。參加大綱編制，按試驗大綱編制的實施方案和列車運行計劃，負責行車組織、施工管理、設備運用維護、安全管理、應急救援；負責試驗機車車輛、動車組檢修；配合測試單位開展測試工作，協調解決試驗中相關問題。

（2）建設單位組織相關單位提供技術資料；配合組織、實施試驗；必要時組織施工單位進行設備調整工作；負責后勤保障工作。

（3）測試單位編制試驗大綱，參加列車運行計劃編制；負責按大綱完成全部試驗工作；在試驗過程中，負責對試驗設備的工作狀態和運行安全進行檢查，確保運用狀態良好和運行安全；進行相關試驗數據的處理分析、編寫試驗報告。

（4）為保證試驗順利進行，成立專門組織機構，制定日常工作辦法。共設置6個工作組負責綜合協調、技術測試、運輸組織、設備保障、后勤保障、安全保衛工作。

（5）由于試驗的不確定性，專項試驗指揮部編制設備故障、試驗列車故障、氣候影響、試驗超時等應急處理原則及相關處理預案。同時，還制定了試驗安全保障措施，包括：加強組織領導、加強施工管理、提升行車設備質量、嚴防列車超速運行、杜絕侵線、加強勞動安全管理、加強作業門管理等。

3.2 試驗流程

（1）鐵路局集團公司組織召開試驗方案研討會，對交會及制動、啟停試驗的可行性進行討論。

（2）測試單位研究制定試驗方案，根據試驗目的確定測點位置及數量，并現場操作實施。

（3）建設單位組織召開試驗方案專家評審會。參會專家對試驗方案開展討論、質詢，并對測點布置、試驗組織提出具體要求。

（4）相關各單位在元洪航道橋上實施動車組交會及制動、啟停試驗。

（5）測試單位處理分析試驗數據、總結相關規律并編寫試驗報告。

4 交會試驗設計與實施

4.1 試驗設計

交會試驗采用2列動車組，1列綜合檢測列車CRH2A-2010在下行線運行，1列16輛編組CRH2A重聯動車組在上行線運行。綜合檢測列車可實時提供軌道幾何狀態、動車組動力學響應、接觸網狀態等檢測參數，監控交會試驗期間動車組的運營安全。同時在鐵路沿線開展風速監測。

交會試驗位置在主橋中跨跨中處（K1 872+500），交會允許50 m偏差，上行線和下行線動車組分別以160、180、200 km/h的速度進行交會，每個速度等級下交會次數分別為2、2、4次，共計8次。在交會試驗前，上行和下行動車組分別開展了各速度等級的正、反向標尺測試，為機務人員操作提供準確時刻。

根據廠家提供的動車組技術資料開展牽引仿真計算，并編制具體操縱方案和試驗計劃。正式試驗前，機務人員在試驗現場開展相關調研，進一步完善操縱方案，以提高動車組行車控制精度。

4.2 測點布置

（1）測試動車組交會作用下梁體、橋墩、橋塔橫向和豎向振動，與單線行車振動對比分析。分析動車組運營狀態加載和偏載作用下梁體的扭轉振動。

（2）測試動車組交會作用下梁體控制截面的動應變，評定桿件的工作狀態。

（3）測試動車組交會作用下活動支座及阻尼器動位移、梁端伸縮裝置動位移、端橫梁動撓度，評定結構局部變位是否過大。

（4）測試動車組通過時的脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力等指標，評價行車穩定性。

元洪航道橋鋼桁梁斜拉橋交會試驗測點布置見圖4。測試參數包括橋梁各控制斷面的動位移、動應力、振幅、加速度、列車車速、列車運行穩定性指標（地面測試）等[8-10]。

圖4 元洪航道橋鋼桁梁斜拉橋交會試驗測點布置

4.3 試驗實施要點

（1）試驗根據確定的交會最高速度200 km/h，在機務人員現場調研和牽引計算分析的基礎上，在目標交會位置前后區域預留20 km的行車距離，在動車組實際行車時間滯后于標尺測試時間的情況下，可采用單列或雙列動車組調整行車速度的方法提高交會試驗成功概率。當動車組從0 km/h提速到交會速度后，至少預留5個時間校準點，每個點間距離至少2 km，以保證有充足時間調整行車速度。如果交會最高速度提高，目標交會位置前后預留行車距離要相應增加。在標尺測試前，必須短接整個試驗區域內的接觸網分相以確保動車組速度穩定，確認LKJ數據以準確掌握動車組具體位置。

（2）當進行每個速度級的標尺測試時，需要在車頭至少配備2名記錄人員，負責記錄車速、里程、時刻等相關信息。2名記錄人員核對時間無誤后，按照其中1人計時數據指揮行車。

（3）記錄人員應事先做好培訓，提前做好各項準備工作：熟悉使用可延續計時的秒表、進行調速計算、明確測試分工與協助任務、根據試驗制作記錄表格、熟悉工作流程、制定應急處理預案等。

（4）條件允許時，在動車組兩側車頭配備固定的司機進行操作，每趟列車行駛時司機的操作手法盡量保持一致。由于車輛性能和司機操作存在差異，交會試驗中當前2個校準點與標尺測試存在0～1 s差異時，可暫不作調整。后續校準點調整車速不宜過快，調整車速的范圍宜為±3 km/h?，F場實踐表明，行車操作差異為1～2 s，記錄人員記錄差異為0～0.5 s。

（5）當需要上、下行動車組聯動控制速度時，保持G網手機暢通，實時溝通2車各自與標尺校準點的差異，依據試驗前制定的試驗規程指導司機操作。

（6）當動車組運行速度可以略微超出交會速度運行時，實際交會位置與目標交會位置可控制在±15 m內；當未超出目標交會速度運行時，實際交會位置與目標交會位置可控制在±50 m內。

5 制動、啟停試驗設計與實施

5.1 試驗設計

在上、下行各選擇1列16輛編組CRH2A型重聯動車組進行試驗，試驗分單線制動和雙線啟停試驗。為驗證支座及阻尼器、鋼軌伸縮調節器及梁端伸縮裝置的工作狀態，制動動車組第1軸停車位置在N4#橋塔處和N6#墩處（距離梁端35 m）。每個位置的制動及啟停試驗共進行9次。試驗前與動車組司機溝通制動需求，保證按試驗要求進行制動操作。

由于常規制動所需制動距離較長，動車組會以常規制動狀態經過橋梁梁端的鋼軌伸縮調節器及梁端伸縮裝置，為降低制動試驗風險，將動車組常規制動的初始速度確定為60 km/h。單線制動選擇在下行線進行，1列重聯動車組正向采用2種制動方式：速度60 km/h常規制動和速度80 km/h緊急制動，分別將動車組第1軸停在N4#橋塔處和N6#墩處（距離梁端35 m）。

雙線啟停試驗采用2列重聯動車組，其中1列動車組A車在下行線制動，同時另外1列動車組B車在上行線進行啟動操作。在試驗開始前，上行B車車尾最后1軸停在上行線N4#橋塔處。下行A車以80 km/h的速度正向行車，采用緊急制動的方式停車，將A車第1軸停在N4#橋塔處；在下行A車停車的同時，上行B車全速啟動。同樣的方式在N6#墩處（距離梁端35 m）進行啟停試驗，每個工況進行3次。2列動車組制動、啟停試驗次數統計見表1。

表1 列車制動、啟停試驗次數統計

5.2 測點布置

（1）測試車體縱向加速度，分析動車組對橋梁的縱向作用特征。

（2）測試主橋與引橋梁端的縱向相對位移，分析制動力作用下梁縫位移變化大小和同步情況。

（3）測試支座和阻尼器的縱向位移變化，驗證阻尼器工作狀態，分析二者位移變化的異同。

（4）測試鋼軌與主梁的縱向相對位移，分析橋梁和線路的受力狀態。

（5）測試主梁、橋塔的縱向振動響應，分析制動力作用下主梁縱向工作狀態。

（6）在鋼軌相應位置對鋼軌縱向力、縱向振動加速度進行測試，分析鋼軌受力狀態及振動特征。

制動、啟停試驗測點布置見圖5。測試參數包括車體縱向振動、鋼軌振動、鋼軌縱向力，以及橋梁各控制斷面的梁軌相對位移、動位移、縱向振動、桿件應變等[11-12]。

圖5 兩列動車組制動、啟停試驗示意圖

5.3 試驗實施要點

（1）在試驗指揮人員、機務人員現場調研和制動計算分析的基礎上，參試人員在試驗現場共同確認動車制動操作的具體位置。實際制動停車位置與制動目標位置可控制在-15 m～+5 m內。

（2）機務人員在制動過程中應一次操作到位，不允許反復制動，在啟動時滿級牽引。

（3）制動試驗期間，工務段、動車段派檢查人員攜帶有關工具添乘動車組，根據需要下車檢查線路、動車組輪對設備。當日試驗結束后，工務部門按規定申請天窗上線檢查線路。

（4）制動、啟動試驗同步進行期間，A車在制動即將停止的時刻向B車下達啟動指令，B車按照指令進行滿級牽引啟動。

（5）根據試驗需要，試驗指揮人可臨時安排增加試驗序列，由試驗指揮人通知行車指揮人轉報列車調度員。

（6）測試人員注意記錄車型、自質量等車輛信息，同時記錄制動距離、制動時間等。采用力平衡加速度計（0 Hz起）記錄車體縱向加速度，在安裝時注意與車輛牢固連接，采集期間注意分析波形是否與行車狀態吻合，確保數據準確有效。還可以在鋼軌上安裝測量列車速度的傳感器，與力平衡加速度計相互校核。

6 試驗總結

在福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋大跨度鋼桁梁斜拉橋上成功開展了動車組交會及制動、啟停試驗，獲取最高交會速度200 km/h時的“車-橋”動力響應數據，掌握橋上動車組80 km/h緊急制動原始試驗資料。對試驗設計與實施總結如下：

（1）根據仿真分析結果及現場調研資料，對試驗進行整體規劃和設計，編制可操縱的實施方案和試驗計劃。經實踐檢驗，動車組實際交會位置、制動停車位置與試驗預設目標位置基本吻合。說明試驗設計科學、合理，為動車組交會及制動、啟停試驗積累了可借鑒的經驗。

（2）條件允許時，動車組實際車頭交會位置與目標交會位置可控制在±15 m內。動車組實際制動停車位置與制動目標位置可控制在-15 m～+5 m內。

（3）對動車組交會及制動、啟停試驗組織、關鍵測試參數、實施要點等進行疏理，為今后同類試驗提供參考。