軌枕空吊對有砟道床動力穩定性能的影響

杜帥 李俊鋒 劉淦中 劉浩 王平

1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；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

軌枕作為有砟軌道結構的主要部件之一，其主要功能是承受來自鋼軌的作用力，并均勻地傳遞給道床，有效保持軌道的幾何形位。由于鋼軌表面存在不平順、道床支承剛度不一等問題，在列車荷載長期作用下，道床產生不均勻沉降，軌枕與道床之間容易產生無接觸現象，形成軌枕空吊。由于軌枕空吊會改變道砟顆粒的受力特點及枕下的支承剛度，列車通過軌枕空吊區段時輪軌作用力及道床沉降增大，改變道床的動力響應，加劇軌枕、扣件系統及道砟的劣化，嚴重影響行車安全［1-2］。

軌枕空吊時道床的密實狀態較正常狀態有所不同，而密實狀態的不同對道床穩定性有較大的影響［3］。此外，軌枕空吊會顯著增大兩側相鄰軌枕枕盒及下方道砟顆粒的振動，加速道砟顆粒的劣化［4］。因此，有必要對軌枕空吊情況下有砟道床的穩定性能及動力性能進行研究。在實際運營線路中，軌枕空吊主要為局部空吊，空吊位置主要發生在軌枕端部、軌枕中部及承軌槽下方處，其中軌枕單側及軌枕中部空吊最為常見［5］，如圖1所示。相對軌枕中部空吊，軌枕單側空吊對行車安全的威脅更大，因此本文主要研究軌枕單側空吊。

圖1 常見軌枕空吊類型（單位：mm）

國內外學者針對有砟道床穩定性開展了大量的研究工作。劉浩等［6］采用離散元法研究了有砟道床在不同體積密度下的阻力情況，發現道床橫向阻力與其體積密度成線性關系。王衛東等［7］通過實測試驗對道床橫向、縱向阻力的相關性進行了研究，結果表明二者呈強正相關關系，建議采用道床橫向阻力代替道床橫向、縱向阻力來評價有砟道床的質量狀態。Fatemeh等［8］建立有砟道床離散元分析模型，對道床橫向阻力的影響因素進行了研究，發現道床空隙率是道床橫向阻力最直接的影響因素，道床空隙率減小10%時道床橫向阻力平均增加18%。

上述文獻從實測和仿真的角度得出道床橫向阻力與道床質量狀態正相關，可采用道床橫向阻力來評價道床質量，進而可通過道床橫向阻力來間接反映軌枕空吊狀態。如Jing等［9］研究表明軌枕空吊會導致道床橫向阻力明顯減小，道床橫向阻力可作為評價軌枕空吊狀態的指標。

動力測試能夠直接獲取被測物體的振動響應，通常采用動力測試系統及加速度傳感器等儀器完成這一測試。Liu等［10］采用IMC動測采集儀及道砟傳感器測試了軌枕及枕端、砟肩、枕盒處道砟顆粒的振動響應，發現有砟道床在受到高頻激勵時易引發枕盒表層的道砟飛濺，對軌道健康造成嚴重威脅。Hu等［11］采用IMC動測采集儀及加速度傳感器測試了橋梁-路基過渡段無砟軌道結構的動力響應特性，結果表明列車速度大于275 km∕h時軌道結構的動力響應顯著增大。Ma等［12］通過動力測試發現梯形軌枕有砟軌道結構比普通軌枕的減振效果好，且能有效控制低頻范圍內的環境振動。可見，動力測試能有效獲取軌道結構的動力響應。此外，由于落軸測試激勵顯著，且能在寬頻范圍內有效測試軌道結構的動力特性，是研究軌道結構振動特性常用的動力測試試驗［13］。

本文采用落軸沖擊的方法進行軌枕空吊的振動測試。采用液壓千斤頂對軌枕進行分級加載測試道床橫向阻力，研究軌枕空吊高度對有砟道床穩定性能的影響；采用落軸沖擊激勵有砟軌道，研究軌枕空吊高度對有砟道床動力性能的影響。

1 試驗原理

1.1 試驗工況

以不同空吊高度為試驗工況對軌枕單側空吊進行研究。取軌枕空吊高度最大約60 mm［14］，同時分別設置空吊高度h=0、30、90 mm進行對照試驗，研究有砟道床在不同軌枕空吊高度下的性能差異。

1.2 試驗模型

在實驗室內采用一級道砟、Ⅲ型混凝土枕、CHN60鋼軌、彈條Ⅱ型扣件系統等搭建有砟軌道足尺室內試驗模型。其中，道床厚度為0.35 m，道床邊坡為1∶1.75，砟肩堆高0.15 m。道床搭建完成后，對其進行搗固-壓實-穩定處理，并采用灌水法測得道床體積密度在1.70 g∕cm3以上。

在設置軌枕單側空吊時，先從枕端位置向下開挖，將枕底道砟挖出，至各工況的空吊高度后，再將空吊區域用等體積的冰塊填充，防止振搗過程中道砟顆粒進入空吊區域。在冰塊融化之前，將枕端位置的道砟填平，通過搗固-壓實-穩定處理，確保道床體積密度在1.70 g∕cm3以上。待冰塊完全融化且水分完全蒸發后，再進行試驗。

對試驗模型中的軌枕分別設置4種工況的空吊高度。為減小模型邊界對試驗的影響，選取中間4根軌枕為研究對象，如圖2所示。

圖2 試驗模型示意（單位：mm）

1.3 試驗方式

道床橫向阻力是衡量道床穩定性的重要指標，是保持線路穩定的關鍵因素［15］。為研究軌枕空吊對有砟道床穩定性的影響，分別對各試驗工況進行道床橫向阻力測試，分析不同工況下落軸激勵前后道床穩定性的差異。

進行道床橫向阻力測試時，采用液壓千斤頂對2#軌枕（參見圖2）進行分級加載，并在軌枕另一端安裝千分表以測量軌枕的橫向位移。每一級加載后及時補加千斤頂壓力，保持軌枕所受推力穩定，并讀取千分表示數。當軌枕位移持續增加而軌枕推力基本不變時停止加載。每種工況分別進行3次試驗。每次測試完成后，采用搗固機和穩定機整搗道床，確保每次試驗前道床體積密度保持在1.70 g∕cm3以上，如圖3所示。

圖3 道床橫向阻力測試示意（單位：mm）

如圖4所示，進行落軸測試時，先將反力架支座固定在道床兩側的混凝土地面上，通過高強度電磁鐵將輪對吸附至距鋼軌20 mm的垂向高度，再用高強度AB膠將加速度傳感器底座粘貼于待測軌枕上表面中心點處。待粘貼穩定后，將加速度傳感器安裝在底座上，然后用數據線將IMC與傳感器連接。試驗過程中，當電磁鐵關閉時，輪對將垂直落下激勵有砟軌道，軌枕的加速度信號即可由8通道IMC進行采集。其中，為充分激發軌道各部分的振動，將落軸高度設置為20 mm［16］；輪對質量為1 120 kg，加速度傳感器量程為20g，采樣頻率為20 000 Hz。采集數據時，若左輪接觸左邊鋼軌與右輪接觸右邊鋼軌的時間差小于3 ms，則記為一次有效落軸沖擊［17］。

圖4 軌枕振動響應測試示意（單位：mm）

2 軌枕空吊對有砟道床穩定性能的影響

為減小邊界效應對道床橫向阻力的影響，以2#軌枕為研究對象進行道床橫向阻力測試。試驗完成后，將各工況下的3組試驗數據進行均值處理［18］，并對各工況下落軸激勵前后道床橫向阻力的變化情況進行分析。定義道床橫向阻力變化率為

式中：T為道床橫向阻力變化率；A為落軸后的道床橫向阻力；B為落軸前的道床橫向阻力。

落軸前后各工況下道床橫向阻力隨軌枕橫向位移的變化曲線見圖5。

圖5 落軸前后道床橫向阻力曲線

由圖5可知：

1）在落軸激勵前，無空吊軌枕的道床橫向阻力最大，為5.41 kN；h=30、60、90 mm空吊軌枕的道床橫向阻力偏小，分別為3.66、3.75、3.51 kN。軌枕無空吊時，軌枕與道砟顆粒間的接觸更為充分，試驗中在橫向推動軌枕的外力作用下，軌枕與道砟的摩擦力更大，進而其橫向阻力更大；存在軌枕空吊時，枕下空吊處與道砟接觸面積較小，導致道床橫向阻力較小。

2）在落軸激勵后，道床橫向阻力均有所增大，即在落軸激勵后，道床質量狀態及道床穩定性均有一定的提升。相較于落軸激勵前，落軸激勵后無空吊軌枕的道床橫向阻力增幅最小，為4.25%；h=30 mm空吊軌枕的道床橫向阻力增幅最大，為37.43%；h=60、90 mm空吊軌枕的道床橫向阻力增幅分別為12.25%和18.23%。考慮到落軸激勵前后無空吊軌枕的道床橫向阻力增幅小于5%，因此可忽略不計，這說明沖擊荷載對穩定的道床影響較小。存在軌枕空吊時，其道床體積密度較小，穩定性較低，在落軸激勵后，道床體積密度增大，使橫向阻力明顯增大，道床穩定性明顯提高。

綜上，存在軌枕空吊時，道床橫向阻力明顯減小，道床穩定性明顯降低；同時，存在空吊軌枕的道床在受到落軸激勵作用時，道床質量狀態發生較大變化，道床穩定性明顯提高。為減少軌枕空吊現象的產生并防止道床狀態發生較大變化，鐵路工務部門應及時對有砟道床進行搗固、夯實，提高枕下道床密實度，確保鐵路線路安全、穩定運營。

3 軌枕空吊對有砟道床動力性能的影響

3.1 軌枕振動時域分析

為減小邊界效應對軌枕振動響應的影響，以2#軌枕為研究對象。提取2#軌枕各工況下加速度傳感器的時程曲線，截取其中的起振至振動結束區段，見圖6。可知：輪對對軌道有兩次明顯的沖擊作用，這是因為輪對與鋼軌均有一定的彈性，造成了二次沖擊。在落軸激勵作用下，h=90 mm空吊軌枕的振動加速度幅度最大，最大幅度為27.12g；無空吊軌枕的振動加速度幅度最小，最大幅度為23.96g。這是因為軌枕空吊高度越大，枕底道砟越少，軌枕振動時受到道砟的減振效果較弱。

圖6 不同空吊高度下軌枕振動加速度時域曲線

可見，隨著軌枕空吊高度增加，軌枕振動響應幅度逐漸增大；當輪載長時間作用于空吊軌枕上時，軌枕的劇烈振動更容易造成道砟質量劣化，加劇道床質量狀態的下降，對行車安全造成隱患。

3.2 軌枕振動頻域分析

通過快速傅里葉變換將軌枕振動時域信號轉換為頻域信號。為消除傳感器在采集信號時的微小波動，采用IIR高通濾波器并選用Butterworth方法［19］對軌枕振動時域信號進行濾波處理，結果見圖7。

圖7 軌枕振動加速度頻域曲線

由圖7可知：在0～1 000 Hz內，各工況下軌枕的振動加速度幅頻曲線均存在2個明顯的峰值。其中，無空吊軌枕的第一個峰值頻率為98 Hz，而h=30、60、90 mm空吊軌枕的第一個峰值頻率分別出現在90、79、73 Hz處；各工況第二個峰值頻率均出現在670 Hz處，該頻率為軌枕的振動主頻。

依據車輛-軌道耦合動力學系統，軌枕的一階剛性振動模態頻率為［20］

式中：f1為軌枕一階剛性振動模態頻率；m為軌枕質量；k為枕下支承剛度。

由式（2）可得，軌枕的一階剛性振動模態頻率與單自由度無阻尼系統自振頻率相同。為研究軌枕自振頻率對其受迫振動的影響，按照TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》［21］，取軌枕質量300 kg，枕下支承剛度120 kN∕mm，可得軌枕的一階剛性振動模態頻率約為101 Hz，與無空吊軌枕的第一峰值頻率98 Hz接近，說明軌枕的一階剛性振動模態頻率對無空吊軌枕的影響較為顯著；由于空吊軌枕改變了道床厚度、枕下支承剛度等參數，其一階剛性振動模態頻率均會發生改變，因而空吊軌枕在98 Hz處沒有出現明顯的峰值。

3.3 軌枕振動傳遞特性分析

為研究軌枕空吊對有砟道床振動傳遞特性的影響，以1#和2#軌枕為研究對象。將2#軌枕的振動視為系統的輸入，1#軌枕的振動視為輸出，定義軌枕的振動加速度傳遞率［22］為

式中：R為軌枕振動加速度傳遞率；H（An，A）為輸出An和輸入A傳遞函數的幅值。

通過式（3）可分別獲取各工況下2#軌枕與1#軌枕間的加速度傳遞率，見圖8。

圖8 軌枕振動加速度傳遞率

由圖8可知：①在0～1 000 Hz內，無空吊軌枕的振動加速度傳遞率均小于0，這說明無空吊軌枕在0～1 000 Hz內的減振效果較為明顯。②空吊軌枕的振動加速度傳遞率在0～450 Hz以內小于0，說明在該頻率范圍內各空吊高度下的軌枕振動幅度沿道床縱向均存在一定程度上的衰減；當頻率大于450 Hz時，空吊軌枕的振動加速度傳遞率顯著增大，道床減振性能降低。

當軌枕出現連續空吊時，雖然道床在0～450 Hz的低頻范圍內具有良好的減振性能，但450～1 000 Hz的高頻激勵不能被道床吸收，反而會使振動加劇，道砟劣化速度加快，故不建議采用軌枕空吊或架空軌枕等方式來降低有砟軌道的低頻振動。此外，除了軌枕空吊，道床劣化亦會導致道床橫向阻力降低［23］，因此僅通過道床橫向阻力變化不足以判斷有砟道床是否存在空吊現象。而有砟道床在軌枕連續空吊時的減振性能在低頻與高頻范圍內有明顯的差異，故建議通過道床橫向阻力與軌枕振動響應相結合的方式判斷有砟道床是否存在空吊。

4 結論

在實驗室內搭建有砟軌道軌枕空吊的試驗模型，采用液壓千斤頂對各工況下的軌枕進行分級加載測試其道床橫向阻力，研究軌枕空吊對有砟道床穩定性能的影響；通過IMC動測采集儀獲取各工況下軌枕在落軸激勵時的振動時域信號，研究軌枕空吊對有砟道床動力性能的影響。主要結論如下：

1）軌枕空吊時道床穩定性顯著下降；在落軸激勵后，30、60、90 mm空吊軌枕道床橫向阻力增幅分別為37.43%、12.25%和18.23%，無空吊軌枕的道床橫向阻力基本保持不變。

2）軌枕在670 Hz處出現其振動主頻峰值，101 Hz的一階剛性振動模態頻率對無空吊軌枕的影響較為顯著。

3）當軌枕連續空吊時，0～450 Hz頻率范圍內有砟道床的減振性能優于高頻范圍內有砟道床的減振性能，但不建議采用軌枕空吊或架空軌枕等方式來降低有砟軌道的低頻振動。

4）道床劣化與軌枕空吊均會導致道床橫向阻力降低，僅通過道床橫向阻力降低無法判斷軌枕是否存在空吊現象。軌枕連續空吊時，道床的減振性能在低頻與高頻范圍內有明顯的差異，因此可考慮通過道床橫向阻力與軌枕振動響應相結合的方式判斷有砟道床是否存在空吊。