市域快轨钢弹簧浮置板轨道行车安全试验.pdf

NO.3(Ser.294)JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY第3期（总2 94）Mar2023报程学道铁2023年3月文章编号：1 0 0 6-2 1 0 6(2 0 2 3)0 3-0 0 33-0 6市域快轨钢弹簧浮置板轨道行车安全试验丁德云马蒙2王文斌3闫宇智11*米吴宗臻（1.北京九州一轨环境科技股份有限公司，北京1 0 0 0 7 1；2.北京交通大学，北京1 0 0 0 44；3.中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京1 0 0 0 8 1)摘要：研究目的：为研究钢弹簧浮置板轨道在不同车速下的动力学性能、分析其用于1 6 0 km/h车速市域快轨的安全性，铺设了8 块共2 0 0 m长的钢弹簧浮置板道床试验段，在试验段开行用于市域快轨的列车并由60km/h逐级提速至1 6 0 km/h，测试5个断面的轨道动位移和轮轨力，分析不同车速下的行车安全性。研究结论：（1）当试验列车车速逐渐增至1 6 0 km/h时，钢弹簧浮置板轨道各项安全性指标并未随着车速增加而显著增加；（2）浮置板轨道各测试断面板上垂向动位移均未超过3.0 mm，且随车速增加有降低趋势；（3）不同车速下脱轨系数均小于0.3,轮重减载率均小于0.4,轮轴横向力均小于2 0 kN，且均有较大的安全余量；（4）本文研究可为市域快轨高等级减振措施的设计和实施提供试验依据。关键词：市域快轨；钢弹簧浮置板轨道；行车安全性；试验研究中图分类号：U213.2文献标识码：AExperimental Study of Train Running Safety on Steel Spring Floating SlabTrack Used in Inner-city Rapid Rail TransitDING Deyun,MA Meng,WANG Wenbin,YAN Yuzhi,WU Zongzhen(1.Beijing Jiuzhouyigui Environmental Technology Co.Ltd,Beijing 100071,China;2.Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;3.Urban Rail Transit Centre,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing100081,China)Abstract:Research purposes:To investigate the dynamic behavior of steel spring floating slab track(SSFST)underdifferent train speed,and analyze the train running safety when it is used in inner-city rapid rail transit at 160 km/h,eight steel spring floating slab tracks with a total length of 200 m were installed in a test railway line.In the test section,a train speed increased step by step from 60 km/h to 160 km/h.The track dynamic displacement and wheel/rail forceswere tested on five sections,and the train running safety under different speeds was analyzed.Research conclusions:(1)When the train speed gradually increases to 160 km/h,all the safety indexes of steel springfloating slab track do not increase significantly with speed.(2)The vertical dynamic displacements on each steel springfloating slab track do not exceed 3.0 mm,and they decrease with the increase of train speed.(3)At different trainspeeds,the derailment coefficient is less than 0.3,the rate of wheel load reduction is less than 0.4,and the wheelsetlateral force is less than 20 kN.There is safety redundancy for all the above aspects.(4)The present research canprovide experimental support for the design and implementation of high-level vibration reduction measures for inner-city rapid rail transit.Key words:inner-city rapid rail transit;steel spring floating slab track;train running safety;experimental study*收稿日期：2 0 2 1-1 2-2 2米米作者简介：丁德云，1 98 0 年出生，男，正高级工程师。2023年3 月报程学铁道34随着我国新基建的启动，轨道交通向着更高速度方向发展，作为一种快速、大运量、公交化的轨道交通方式，市域（郊)铁路近年来受到广泛关注并得到快速建设发展1.2 。特别是在2 0 2 0 年1 2 月，国务院办公厅转发国家发展改革委等单位关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展的意见（国办函【2 0 2 0 1 1 6 号）的通知后，市域(郊)铁路建设正在掀起新一轮建设黄金高潮。网络化的市域（郊）铁路建设不可避免地穿越医院、学校、居民区等诸多环境敏感点，给沿线的环境振动与噪声控制提出了更新和更高的要求。市域快线设计速度大于1 0 0 km/h,其列车轴重与地铁和干线铁路列车存在差异，若照搬常规地铁中应用的减振轨道产品，会因为轨道动力特性、不平顺等要素的不匹配引发不可预知的安全问题。在目前运行8 0 km/h车速的地铁线路中，浮置板轨道作为特殊减振措施受到国内外学者的广泛关注和深人研究，而针对市域快轨，浮置板轨道也被认为是一种较优的选择。但车速提高后，行车平稳性和安全性都可能受到影响，且轨道振动和环境振动响应都会随车速提高而变化，因此浮置板轨道应用于市域快轨的效果和行车安全性近年来也受到学者们的关注。Huang等3 计算分析了直线段和曲线段铺设钢弹簧浮置板轨道分别在2 0 0 km/h和1 6 0 km/h车速下的行车安全性。田德仓等4 利用车辆轨道耦合动力学模型分析了时速1 2 0 1 6 0 km市域铁路钢弹簧浮置板轨道的安全平稳性及减振效果，并据此确定钢弹簧刚度的合理取值。张肖等5 分析了时速1 6 0 km轨道交通线路钢弹簧浮置板轨道动力学特性，计算表明不同刚度及行车速度下车辆的脱轨系数及轮重减载率都符合限值要求，且行车的舒适性、车体的垂向稳定性Sperling指标均符合限值要求。郑翔等6 、李平等7 、杨尚福等8 也通过理论计算认为：传统上用于低速线路的预制钢弹簧浮置板式轨道可以用于市域快轨且满足安全性和稳定性要求。上述研究可以看出，当浮置板轨道应用于设计车速大于1 0 0 km/h的市域快轨时，减振效果和行车安全是广泛关注的重点。但目前所有相关研究仍停留在仿真分析阶段，当车速大于1 0 0 km/h时浮置板轨道的行车安全性测试结果还未见报道。为此，本文在一段新铺设的钢弹簧浮置板轨道试验段上开展了现场测试工作，测得列车速度由6 0 km/h逐步提升至1 6 0 km/h时轨道结构振动、轨道动位移和轮轨力，分析了钢弹簧浮置板轨道在行车大于1 0 0 km/h下的安全性，为其应用于市域（郊）铁路提供试验数据支撑。1测试概况1.1试验段及测试工况试验地点选在国家铁道试验中心环形试验线，为本试验专门铺设了2 0 0 m钢弹簧浮置板轨道试验段。试验段钢弹簧浮置板轨道为现浇混凝土结构，单块板长为2 5m，共8 块板。每个钢弹簧刚度为9kN/mm，共设计了两种钢弹簧布置形式：标准布置形式和加密布置形式。其中，标准布置形式为间隔2 个扣件间距和3个扣件间距交替进行（简称“2 3布置”）；加密布置形式间隔均为2 个扣件间距（简称“2 2 布置”）。8 块板中，板-2 板-4为“2-3布置”，板-5板-7 为“2-2 布置”。考虑浮置板区段刚度与相邻有碓、无轨道的刚度差异显著，故板-1 和板8设计为弹性过渡板，将其端部隔振器进行了特殊设计布局；为确保行车稳定性和安全性，将加密区延长至8m范围。与板-1 相邻布置了6 0 m普通整体道床作为对照组。因原环形试验线为有诈道床，故在普通整体道床和板-8 两段又设置了长度2 0 m的过渡段（图1)。上述布置中，钢弹簧加密布置和整体道床的设计更多是考虑试验段可服务于多工况下浮置板轨道减振效果试验。20断面1断面260断面3断面4断面5有作道床2525225元2525元25.25.,201过渡段11有谁道床过渡段图1浮置板轨道试验段测试断面（单位：m）试验列车采用8 节编组的市域D型车，编组方式为6 动2 拖，列车设计时速1 6 0 km，最大轴重1 7 t。试验段线路曲线半径为1 432.2 m，曲线超高1 2 5mm，在此条件下的车辆匹配速度为1 1 0 km/h。为了分析不同车速下钢弹簧浮置板的行车安全性，试验时列车由60km/h到1 6 0 km/h逐级提速运行，对应车辆行驶状态由过超高逐渐转变为欠超高。试验时，列车通过试验段的车速工况分别为6 0 km/h、8 0 k m/h、90 k m/h、100 km/h、1 1 0 k m/h、1 2 0 k m/h、1 30 k m/h、1 40 k m/h、150km/h和1 6 0 km/h。每一级车速分别行驶5趟试验列车（图2）。1.2测点布置共布置5个测试断面，分别布置在普通整体道床、板-1、板-3、板-6、板-8 等各块轨道板里程中心位置（图1）。测试内容包括动位移和轮轨力。动位移测点布置如下：普通整体道床（断面1）在马王文斌等：市域快轨钢弹簧浮置板轨道行车安全试验蒙第3期丁德云35图2列车通过浮置板轨道试验段两股钢轨的垂向与横向布置4个位移测点，如图3（a)所示，钢弹簧浮置板轨道（断面2 断面5）在两股钢轨和道床板的垂向与横向布置6 个位移测点，如图3(b)所示。由于测试钢轨位移时，位移计布置在道床板或浮置板上，因此后续分析的钢轨动位移均为相对位移。轮轨力测点通过在钢轨上粘贴应变片的方式实现，其中每个断面横向和垂向各布置8 个应变片，共16片。各测试断面的横向与垂向轮轨力测试按照轮钢轨垂向钢轨垂向钢轨横向一钢轨横向(a)普通整体道床测试断面动位移测点钢轨垂向钢轨垂向钢轨横向钢轨横向道床垂向道床横向(b)钢弹簧浮置板道床测试断面动位移测点（c）钢轨动位移测点照片（d）浮置板动位移测点照片图3动位移测点布置轨横向力和垂向力地面测试方法（TB/T2489一2016)的要求进行。轮轨力测点布置如图4所示。A1,A3A5,A7A1(A5)A3(A7)A2,A4A6,A8A2(A6)6A4(A8)相邻两支点之间中心线支点中心支点中心A7A4A5A2E。A6A1A8A3（a）测试轮轨垂向力贴片（A1A8)及桥组B1,B3B2,B4B5,B7B6,B8u支点中心相邻两支点之间中心线支点中心B7B4B5B2EB6B1B8B3（b）测试轮轨横向力贴片（B1B8）及桥组2023年3月程铁报学道36（c）轮轨力测点照片图4轮轨力测点布置2测试结果分析2.1轨道动位移图5为车速为6 0 km/h80km/h、1 0 0 k m/h、1 2 0 k m/h、140km/h和1 6 0 km/h时测试得到的断面3典型轨道位移时程曲线。可以看出，钢轨内、外轨相对垂向位移幅值最大接近0.8 mm，而浮置板垂向位移幅值最大约3mm。0.80.460 km/h00.80.480 km/h00.8100km/hu/0.400.8120 km/h0.400.8-140 km/h0.400.80.4160 km/h0051015202530时间/s(a）钢轨外轨相对垂向位移0.80.4AALMMUMMMLALA60km/h00.880 km/h0.400.8100km/h0.400.8120 km/h0.400.80.4-140 km/h00.8160 km/h0.40051015202530时间/s(b）钢轨内轨相对垂向位移-60 km/h80 km/h-100 km/h33120 km/h-140km/h160 km/h0510152025时间/s（c）浮置板垂向位移图5典型垂向位移时程图6 为各测点位移随车速变化规律。所有数据包括5趟试验列车的平均值和最大、最小值。可以看出，随着行车速度的增加，各断面外轨相对垂向动位移和内轨相对横向动位移呈逐渐增加趋势，外轨相对横向动位移和内轨相对垂向动位移呈逐渐减小趋势。钢弹簧浮置板4个测试断面的道床垂向动位移基本呈逐渐减小趋势，而横向动位移呈先减小后增加趋势，这与试验工况由6 0 km/h提升至1 6 0 km/h过程中，车辆行驶状态由过超高逐渐转变为欠超高有关。因目前国内尚无1 6 0 km/h速度下浮置板轨道动态响应相关技术标准，参考浮置板轨道技术规范（CJJ/T 1 91 2 0 1 2）中的规定：钢轨竖向位移不应大于4mm，浮置板垂向位移不应大于3mm。可以看出，断面3浮置板垂向位移最大，最大样本值超过3mm,而其他断面测试样本均小于3mm。由于断面2、断面5为过渡段，断面4为加密段，其刚度都大于断面3，因此测试结果客观反映了实际钢弹簧布置方式差异。2.2行车安全性指标行车安全性指标包括脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力，本次测试通过地面测试的方式进行。根据机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范（GB/T5599一2 0 1 9）、地铁车辆通用技术条件（CB/T79282003）和城市轨道交通车辆组装后的检查与试验规则（GB/T148942005）的规定，评判限值如表1 所示。根据以上各标准要求，评判限值确定为：脱轨系数不超过0.8，轮重减载率不超过0.6，轮轴横向力不超过1 5+Po/3=43.3kN。马王文斌等：市域快轨钢弹簧浮置板轨道行车安全试验蒙丁德云37第3期1.21.2面面面面注：注：1.01.0断面4;断面4：断面5断面50.80.8u/u/0.60.60.40.40.20.20060801001201401606080100120140160车速/(kmh-1)车速/(kmh-1)（a）钢轨外轨相对垂向位移(b）钢轨外轨相对横向位移1.61.6注：注：一断面1;1.4一断面2；1.4一断面3；1.2一断面4;1.2断面5断面51.0u/T1.00.80.80.60.60.40.4工0.20.20060801001201401606080100120140160车速/(kmh-1)车速/(kmh-1)（c）钢轨内轨相对垂向位移（d）钢轨内轨相对横向位移3.50.4注：断面2；注：断面2;断面3；断面3;断面4;断面4;3.0断面50.3断面5.工u/2T2.50.22.00.11.5060801001201401606080100120140160车速/(kmh-1)车速/(kmh-1)（e）浮置板垂向位移(f）浮置板横向位移图6位移随车速变化规律表1安全评判限值标准脱轨系数轮重减载率P/P轮轨横向力 1.0(250 m 0.65(R 400 m)160 km/h)GB/T 5599H15+Po/30.8(R 0.8(u400 m)160 km/h)GB/T 79280.8GB/T 148940.80.6注：P是轮重减载量；P是减载和增载侧车轮的平均轮重;P。为静轴重;R为曲线半径；u为车速。图7 图9为各项行车安全性指标随车速变化关系。可以看出，随着车速的增加，脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力轨道安全性指标无明显规律性变化，但均满足评判标准要求，且具有足够的安全裕量。其中,脱轨系数小于0.3,轮重减载率小于0.4,轮轴横向力小于2 0 kN。To P.44)2023年3 月程报学道铁381.00.8注：一断虾虾断虾面1；面2；0.6面3；面4；面5；0.4限值0.26080100120140160车速/(kmh-l)(a）外轨脱轨系数1.00.8注：断面1;断面2；0.6断面3；断面4；断面5;0.4限值0.206080100120140160车速/(kmh-)(b)内轨脱轨系数图7不同车速下的脱轨系数0.80.6注：一面2；面3；一0.4面4；面5；限值0.206080100120140160车速/(kmh-l)图8不同车速下的轮重减载率3结论（1）当试验列车车速由6 0 km/h增至1 6 0 km/h时，钢弹簧浮置板轨道各项安全性指标并未随着车速增加而显著增加。605040断面注：一斤面2；30断面5;20限值1006080100120140160车速/(kmh-l)图9不同车速下的轮轴横向力（2）浮置板轨道各测试断面板上垂向位移均未超过3.0 mm，且随车速增加有降低趋势。（3）不同车速下脱轨系数均小于0.3，轮重减载率均小于0.4,轮轴横向力均小于2 0 kN。（4)本文只测试了有限趟数列车在短时间内的行车安全性，建议开展覆盖轮、轨养护维修全寿命周期的长期监测，分析1 6 0 km/h车速下轮、轨磨耗状态发展变化对行车安全性的影响。参考文献：1秦永平我国市郊铁路规划和建设中的主要问题与建议J铁道工程学报，2 0 1 4（3）：6-1 3.Qin Yongping.Main Problems and Proposals forSuburban Railway Planning and Construction in SomeChinese Cities J.Journal of Railway EngineeringSociety,2014(3):6-13.2李洪强.市域快速轨道交通规划及建设相关问题探讨J铁道工程学报，2 0 2 0（1 2）：59-6 3.Li Hongqiang.Discussion on Planning and Constructionof Regional Rapid Rail Transit J.Journal of RailwayEngineering Society,2020(12):59-63.3Huang X,Li P,Luo X,etc.Performance Analysis ofPrefabricated Steel-Spring Floating-Slab Track andIts Application to Urban Express Rail Transit J.Advances in Civil Engineering,2020:4515319.4田德仓，赵春长，宋卓西，等.市域铁路钢弹簧浮置板轨道刚度的合理选取J.铁道标准设计,2 0 2 2（4）：1 0-15.Tian Decang,Zhao Chunchang,Song Zhuoxi,etc.Reasonable Selection of Rail Stiffness of Steel SpringFloating Slab in Suburban Railway J.RailwayStandard Design,2022(4):10-15.（下转第44页From P.38)上接第38 页2023年3月报程铁学道44程的安全性及实桥受力的准确性。参考文献：1张双洋，赵人达，贾毅，等.大跨度高速铁路劲性骨架混凝土拱桥模型试验研究J.西南交通大学学报，2 0 1 7(12):1088-1096.Zhang Shuangyang,Zhao Renda,Jia Yi,etc.Model TestStudy on Long-Span Railway Concrete Arch Bridgewith Rigid Skeleton J.Journal of Southwest JiaotongUniversity,2017(12):1088-1096.2易伦雄，张哗芝，徐树蕾，等.客运专线刚架系杆拱桥受力状态研究J.湖南大学学报，2 0 1 0（7）：1 2-1 7.Yi Lunxiong,Zhang Yezhi,Xu Shulei,etc.MechanicalBehavior of Rigid Frame Tied-arch Bridge onPassenger Dedicated Railway J.Journal of HunanUniversity,2010(7):12-17.3杨克鉴，李凤芹，张亚丽大跨度上承式钢管混凝土拱桥设计研究J.铁道工程学报，2 0 0 8（1 2）：6 6-7 1.Yang Kejian,Li Fengqin,Zhang Yali.Research on theDesign of Large Span Deck Steel Tube Concrete ArchBridge J.Journal of Railway Engineering Society,2008(12):66-71.4罗甲生，李跃，王建辉，等.大跨度拱桥边拱钢拱肋与刚性系杆连接区域试验研究J.桥梁建设，2 0 0 7（1）：3942.Luo Jiasheng,Li Yue,Wang Jianhui,etc.Test Study ofConnection Area Between Side Steel Arch Rib and Rigid5张肖，蔡小培，王启好，等时速1 6 0 km轨道交通线路钢弹簧浮置板轨道动力学特性研究J.铁道勘察，2 0 2 1(4):1-6.Zhang Xiao,Cai Xiaopei,Wang Qihao,etc.Researchof Dynamic Characteristics of Steel Spring Floating SlabTrack for 160 km/h Rail Transit Line J.RailwayInvestigation and Surveying,2021(4):1-6.6郑翔，罗信伟，李平，等市域快线预制钢弹簧浮置板轨道振动特性研究J.振动工程学报，2 0 2 1（5）：951-958.Zheng Xiang,Luo Xinwei,Li Ping,etc.VibrationPerformance of a Prefabricated Steel-Spring Floating-Slab Track for Urban Express Rail Transit J.Journal of Vibration Engineering,2021(5):951-958.Tie Member of Long-Span Arch Bridge J.BridgeConstruction,2007(1):39-42.5姜军，蒲黔辉，勾红叶.大跨度连续刚构拱组合桥梁拱墩结合块模型试验研究J.公路交通科技，2 0 1 0(7)：6 9-7 4.Jiang Jun,Pu Qianhui,Gou Hongye,etc.ExperimentalTest on Model of Beam,Arch and Pier CombinationArea of Long-span Continuous Rigid Frame CompositeArchBridgeJ.Jo u r n a lo f H ig h w a yandTransportation Research and Development,2010(7):69-74.6黄玲玉.大跨度V形墩连续钢构拱组合桥结合部模型试验研究D.成都：西南交通大学,2 0 0 9.Huang Lingyu.Model Test Study on the Joint of Long-span V-pier Continuous Steel Arch Composite BridgeD.Chengdu:Southwest Jiaotong University,2009.7章开东.永修特大刚架系杆拱桥刚架拱稳定性和极限承载力分析D.长沙：中南大学，2 0 0 9.Zhang Kaidong.Analysis on Stability and UltimateBearing Capacity of Rigid Frame Tied Arch Bridge ofYongxiu Super Large Rigid Frame D.Changsha:Central South University,2009.8勾红叶.大跨度预应力混凝土V形刚构拱组合桥受力行为研究D.成都：西南交通大学,2 0 1 0.Gou Hongye.Study on Mechanical Behavior of Long-span Prestressed Concrete V-shaped Rigid Frame ArchComposite Bridge D.Chengdu:Southwest JiaotongUniversity,2010.7李平，罗信伟，朱文海.市域快线现浇钢弹簧浮置板轨道动力性能研究J.振动.测试与诊断，2 0 2 1（1）：1 42 一149.Li Ping，Lu o Xi n w e i,Zh u We n h a i.D y n a m i cPerformance of Cast-in-Place Steel Spring FloatingSlab Track in Urban Express Rail Transit J.Journalof Vibration,Measurement&Diagnosis,2021(1):142-149.8杨尚福，李秋义，韩志刚.市域铁路钢弹簧浮置板轨道振动特性研究J.铁道标准设计，2 0 2 2（3）：6 2-6 7.Yang Shangfu,Li Qiuyi,Han Zhigang.Research onVibration Characteristics of Steel Spring Floating SlabTrack of Suburban Railway J.Railway StandardDesign,2022(3):62-67.