鋼墊梁架空維護高鐵線路期間提高列車限速的研究

郭宇良 孫軍 劉曉光 趙欣欣，4 楊全亮

1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心，北京100015；3.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；4.中國鐵道科學研究院集團有限公司，高速鐵路軌道技術國家重點實驗室北京100081；5.中國國家鐵路集團有限公司，北京100844

高速鐵路運營期間部分區段出現路基沉降、隧底上拱、軌道板開裂等病害，線路需要架空維護以保證列車正常運行。左照坤等［1］研究了適用于無砟軌道線路的臨時架空裝置，該裝置以鋼墊梁作為架空主體，使列車在無砟軌道線路架空維護期間滿足45 km/h的通行要求。姚宏安［2］提出了一種施工便梁結構方案，列車通過施工便梁的設計速度為60 km/h。郭相武［3］通過試驗分析了軌道結構、施工便梁以及施工便梁支墩的動力特性。宣言［4］分析了重載鐵路隧道內整治基床病害時架空線路的方法，研制出一種可在隧道內架空線路的專用便梁結構。Heinsen［5］使用有限元方法對鐵路臨時橋梁進行分析，探討可能使用跨度的合理組合，分析了臨時橋梁在緊急情況下的安全性。

現有架空技術研究都嘗試采用更高的列車限速，但我國高速鐵路架空維護期間列車限速都是采用普速鐵路限速標準45 km/h。本文選取新型鋼墊梁進行靜載試驗，分析鋼墊梁結構的受力和變形，采用多體動力學仿真軟件分析40～120 km/h運行速度下線路的安全性和舒適性。

1 新型鋼墊梁結構設計

我國現在多采用D型施工便梁、軌束梁、工字鋼梁等架設臨時線路［6-7］。針對高速鐵路CRTSⅡ型無砟軌道線路維修，2018年開始采用2根縱梁和6根橫梁的鋼墊梁，但是安裝時間長。2019年研制的新型鋼墊梁主要由2根縱梁、4根橫梁組成，見圖1。

圖1 新型鋼墊梁布置（單位：mm）

新型鋼墊梁總長6.3 m，兩個支座中心線相距5.2 m，支座中心線到梁端0.55 m?？v梁采用Q345qC鋼材，縱梁截面為變截面設計，梁兩端972 mm段寬530 mm，梁中間4 240 mm段寬730 mm，寬度過渡區采用直線過渡。腹板尺寸190 mm×24 mm保持不變?？v梁按一定間隔設置加勁肋，以提高新型鋼墊梁的穩定性和抗扭性能。橫梁同樣使用Q345qC鋼材，采用高強螺栓與縱梁相連，橫梁由2根端橫梁和2根中間橫梁組成。

2 新型鋼墊梁結構靜力仿真及靜載試驗

2.1 靜力仿真

采用有限元軟件建立新型鋼墊梁仿真模型，對荷載作用下鋼墊梁結構剛度指標（縱梁1/2處最大豎向位移、梁端轉角和最大橫向位移）進行分析。

新型鋼墊梁各部件均采用實體單元，主體結構材料采用Q345qC鋼材的參數，橫梁與加勁板使用TIE命令連接，支座尺寸與實際尺寸保持一致，支座上方橡膠承壓板剛度取2.5 MN/mm。

仿真結果表明：①在CRH3列車靜活載作用下新型鋼墊梁的縱梁1/2處最大豎向位移3.59 mm，未超出L/900（L為跨度5.2 m）的限值5.78 mm；梁端轉角為1.75‰rad，未超出3‰rad的限值。②在橫向搖擺力作用下新型鋼墊梁的縱梁部位最大橫向位移0.2 mm，未超出L/4 000的限值1.3 mm?？梢?，橫梁數量由6根減少為4根，從剛度方面來看可行。

2.2 靜載試驗

2.2.1 試驗概況

為驗證新型鋼墊梁實際力學性能，對其進行加載試驗。在加載點上放置分載梁，荷載由液壓加載器施加在分載梁上（圖2）。依據TB 10082——2017《鐵路軌道設計規范》設置荷載，荷載采用CRH3列車靜活載，按TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》布置。分6次加載，每次加載60 kN；每加一次荷載穩定10 min，最后加載至360 kN時穩定30 min。然后再分6次卸載，每次卸載60 kN；同樣每卸載一次穩定10 min，全部卸完后空載穩定30 min。

圖2 新型鋼墊梁加載示意

2.2.2 評價標準

按TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》中要求確定豎向變形限值：列車靜活載作用下梁體的豎向撓度不應大于L/900，即限值為5.78 mm。

按TB 10002—2017中要求確定橫向變形限值：在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度荷載作用下，梁體的水平撓度不應大于梁體計算跨度的L/4 000，即限值為1.3 mm。

按TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》中要求確定Q345qC鋼材的容許應力限值：彎曲容許應力為210 MPa。

2.2.3 結果分析

新型鋼墊梁位移和應力見圖3。可見：①在0～360 kN加載過程中，新型鋼墊梁的縱梁以及中間橫梁豎向位移和應力整體上均呈線性變化；②靜活載作用下新型鋼墊梁的縱梁跨中、梁端最大豎向位移分別為3.51、0.77 mm，小于限值5.78 mm，最大拉應力、壓應力分別為25.34、21.21 MPa，小于限值210 MPa；新型鋼墊梁的中間橫梁下翼緣最大拉應力為3.22 MPa，小于限值210 MPa。

圖3 新型鋼墊梁豎向位移和應力

CRH3列車靜活載作用下梁體豎向撓度試驗值與仿真值對比見圖4?？梢姡孩傩滦弯搲|梁縱梁1/2處的豎向撓度均小于限值5.78 mm；②試驗值略大于仿真值。這是由于試驗時新型鋼墊梁支撐條件與仿真時略有差異，而且仿真時列車靜活載以集中力施加，存在一定程度的應力集中現象。

圖4 梁體豎向撓度試驗值與仿真值對比

3 新型鋼墊梁動力仿真分析

架空維護期間列車限速提高后，列車通過時梁體所受到的沖擊力將會加大，其橫向、豎向剛度可能會不足。因此，使用多體動力學仿真軟件，分析40～120 km/h運行速度下線路的安全性和舒適性，從而驗證高速鐵路臨時架空維護期間列車限速提高的可行性。

3.1 車輛模型

建立整車模型，見圖5。車輛的輪對、轉向架以及車體均設置為剛性體，不同部件之間均采用彈簧和阻尼器連接。假定車輛勻速運行，車輪與軌道始終接觸，輪對、轉向架以及車體的振動均為小位移振動。車輛關鍵參數見表1。

圖5 車輛模型

表1 車輛關鍵參數

3.2 輪軌接觸

采用等效彈性法計算輪軌接觸幾何參數；采用Hertzian法計算輪軌接觸的法向力；采用Fastsim法計算輪軌接觸的切向力，假設接觸斑呈橢圓形，設置初始接觸斑的離散度為11。

3.3 新型鋼墊梁模型和軌道不平順激勵

新型鋼墊梁采用實體單元模擬，其模型見圖6。采用軌道不平順激勵，計算時不平順樣本序列全長100 m。軌向、高低不平順樣本見圖7。

圖6 新型鋼墊梁模型

圖7 軌向、高低不平順樣本

3.4 結果分析

列車以120 km/h通過時新型鋼墊梁縱梁1/2處豎向位移時程曲線見圖8。不同車速下新型鋼墊梁位移見表2。

圖8 列車以120 km/h通過時新型鋼墊梁縱梁1/2處豎向位移時程曲線

表2 不同車速下新型鋼墊梁位移

由圖8、表2可知：①列車以120 km/h通過時縱梁1/2處、梁端垂向位移最大，其值分別為2.619、0.644 mm，未超出限值5.78 mm；縱梁1/2處的橫向位移也最大，其值為0.023 mm，未超出限值1.3 mm。②車橋之間未產生明顯共振現象，但新型鋼墊梁在列車通行過程中出現上跳現象。說明隨著速度的提升，車輪的反復沖擊以及鋼軌的作用，可能引起了新型鋼墊梁的梁端位置偏移。建議架空維護期間利用天窗對新型鋼墊梁的梁端位置進行恢復，保證限速提升后的安全。

車輛動力學性能指標和平穩性指標見表3。可知：①不同車速下脫軌系數均未超出限值0.80。列車的輪重減載率隨著車速增大而增大，車速80 km/h時輪重減載率小于限值0.65，車速120 km/h時輪重減載率超出限值。車體最大垂向、橫向加速度分別為0.610、0.386 m/s2，小于TB 10002—2017中1.3、1.0 m/s2的限值。②根據GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》中平穩性指標W的判定方法，五個車速下豎向平穩性指標最大為2.761，屬于3級（2.75＜W＜3.00），判定為合格；橫向平穩性指標最大為2.609，屬于2級（2.50＜W＜2.75），判定為良好。

表3 車輛動力學性能指標和平穩性指標分析結果

4 結論

針對我國鐵路鋼墊梁架空維護期間列車限速低（45 km/h）的問題，研究采用新型架空技術將限速提高。

通過靜力仿真和靜載試驗，新型鋼墊梁的位移和應力均滿足相關規范要求。從剛度方面來看，橫梁減少2根可行。通過多體動力學仿真分析，列車以80 km/h的速度通過時，新型鋼墊梁的位移以及列車的動力學性能指標均滿足規范要求；列車以120 km/h的速度通過時，新型鋼墊梁位移和列車的脫軌系數、車體加速度、平穩性指標均滿足規范要求，但輪重減載率超出限值。可見，新型鋼墊梁滿足80 km/h列車通行條件，因此建議高速鐵路鋼墊梁架空維護期間列車限速由45 km/h提高到80 km/h。