上拱离缝对CRTS Ⅱ型板式无砟轨道动力特性的影响.pdf

第 卷第 期 年 月兰州交通大学学报 ，收稿日期：?学报网址：第一作者：张文强（），男，甘肃平凉人，硕士研究生，主要研究方向为高速铁路轮轨动力学。?：通信作者：李斌（），男，甘肃宁县人，教授，工学博士，主要研究方向为高速重载轨道结构及轮轨系统动力学。?：文章编号：（）：上拱离缝对 型板式无砟轨道动力特性的影响张文强，李斌，杨洋（兰州交通大学 土木工程学院，兰州 ；广西交通职业技术学院 路桥工程学院，南宁 ）摘要：型板式无砟轨道上拱离缝在线路中形成了局部不平顺，列车经过时会加剧轮轨之间相互作用，严重时影响行车安全。为研究上拱离缝对车辆?轨道系统动力特性的影响，利用有限元软件建立考虑上拱离缝的车辆?轨道耦合动力学模型，分析不同离缝幅值、离缝长度条件下系统动力响应。结果表明：随着上拱离缝幅值的增加，系统动力响应随之增大，在离缝幅值大于 时，车辆动力响应变化尤为明显。系统动力响应随上拱离缝长度的增加先增大后减小，在离缝长度为 时最大。列车进入上拱离缝区域后，对轨道结构的垂向加速度和垂向位移影响十分显著，会降低轨道系统的服役性能。关键词：无砟轨道；上拱离缝；车辆?轨道耦合动力学；动力响应中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，?，?，：；?；型板式无砟轨道以其高平顺、高稳定、少维修等突出优点，在京津城际铁路、京沪高铁、京石武高铁等线路中大规模使用 。目前运营中的 型板式无砟轨道，整体上具有良好的耐久第 期张文强等：上拱离缝对 型板式无砟轨道动力特性的影响性和少维修性。但因我国无砟轨道纵贯南北，其服役环境多变，受施工误差、列车动荷载、雨雪侵蚀等多种作用的影响，不可避免地会产生板下离缝、板间开裂或挤碎、支承层挤压斜裂等病害。其中最为普遍的是离缝现象，而由于轨道板上拱导致的上拱离缝病害尤为突出，现场上拱离缝如图 所示。图 现场上拱离缝?目前，对于 型板式无砟轨道上拱离缝的研究，主要集中在其形成原因及相关因素对上拱离缝的影响。卫军等 认为温度梯度的反复变化是导致轨道板翘曲变形以及形成轨道板与 砂浆层连接处离缝的主要原因。陈醉等 针对 型板式无砟轨道垂向稳定性问题，研究了不同初拱变形参数对轨道结构稳定性的影响规律。钟阳龙等 基于等效截面法和势能驻值原理，考虑钢轨作用下推导了轨道板安全升温幅度的计算公式。杨俊斌等 基于结构稳定性理论，采用能量准则下的不等波长模型，推导了轨道板上拱稳定性临界力的计算公式。文献?通过建立能表征型轨道板上拱稳定性的三维数值模型，分别研究了钢筋、钢轨和假缝等因素对轨道板上拱的影响规律。线路中产生上拱离缝后，形成的局部不平顺势必会对车辆和轨道结构的动力响应产生影响。文献?研究了不同离缝幅值对车辆动力响应的影响，文献?重点研究了不同离缝幅值对车辆和轨道结构动力响应的影响，并分别提出了检测方法和整治措施。赵国堂等 研究了上拱离缝对车辆动力响应、轨道板应力的影响，并提出了离缝条件下运营速度的建议值。综合上述可知，一些学者对上拱离缝条件下的车辆?轨道系统动力响应也做了相应研究，但是更多的是分析上拱离缝幅值对系统的动力影响，离缝长度对系统动力特性的影响分析还不够全面。因此，本文以 型板式无砟轨道为研究对象，使用有限元软件建立带有上拱离缝的车辆?轨道耦合动力学模型，分析不同离缝幅值和离缝长度对车辆?轨道系统动力响应的影响规律，以期为 型板式无砟轨道的养护维修提供理论参考。动力学模型的建立 仿真模型模型中车辆采用 型车，包括车体、轮对、转向架、一系悬挂和二系悬挂。其中，车体、轮对和转向架均采用刚体模拟，一系悬挂和二系悬挂采用弹簧单元模拟，车辆参数根据文献?选取。路基上的 型板式无砟轨道包括钢轨、扣件、轨道板、砂浆层和支承层。在模型中，扣件采用弹簧单元模拟，其余部件均采用实体单元模拟。其中，钢轨采用 钢轨，扣件间距 ；轨道板截面尺寸 ，弹性模量取 ；砂浆层截面尺寸 ，弹性模量取 ；支承层为等效 混凝土。模型中仅考虑轨道板与砂浆层之间存在的上拱离缝病害，忽略板间由于黏结、结构、材料等因素带来的差异，将轨道结构在纵向上视为一体 。车辆运行速度设置为 ，建模使用的轨道随机不平顺采用中国高速铁路无砟轨道不平顺谱，如图 所示。目前，上拱离缝多数采用半波正弦或者半波余弦函数来模拟，本文参考文献 用半波正弦函数来模拟轨道板与砂浆层之间的上拱离缝。离缝区域面与面之间的切向接触属性采用罚接触，法向接触属性采用硬接触。半波正弦函数如公式（）所示：（）（）式中：为轨道板在线路方向的上拱离缝幅值，为线路方向上最大离缝幅值，为距离起始离缝的纵向长度，为纵向离缝范围。含上拱离缝的车辆?轨道?路基耦合模型如图 所示。模型验证为验证本文模型的正确性，计算了无离缝条件下车辆和轨道结构的动力学响应，将仿真结果与文献 进行对比，如表 所列。可以看出本模型仿真结果与文献结果整体具有较好的一致性，且动力响应最大值量级相当，因此用于研究上拱离缝对车辆?轨道系统动力特性的影响是可行的。兰州交通大学学报第 卷?距离?垂向不平顺?横向不平顺左轨右轨?左轨右轨?距离?垂向不平顺?横向不平顺?图 中国高速铁路不平顺样本?钢轨扣件轨道板砂浆层支承层路基二系悬挂一系悬挂转向架轮对车体上拱离缝图 含上拱离缝的车辆?轨道耦合模型?表 本文仿真结果与文献对比 钢轨位移 钢轨加速度（）轨道板位移 轮轨垂向力 本文 文献 离缝幅值对车辆?轨道系统动力响应的影响本节将离缝长度选取为 ，分析离缝幅值对车辆和轨道结构的动力影响。根据调研发现上拱离缝的幅值通常在 ，因此将模型中的离缝幅值分别取 （正常轨道）、和 进行对比研究。车辆动力响应部分工况的车体垂向加速度时程曲线如图 所示，不同离缝幅值下车辆各动力学指标最值变化如图 所示。?时间?车体垂向加速度?图 部分离缝幅值下车体垂向加速度对比?车体垂向加速度车体垂向加速度?离缝幅值?离缝幅值?轮重减载率?轮重减载率第 期张文强等：上拱离缝对 型板式无砟轨道动力特性的影响?离缝幅值?轮轨力?离缝幅值?脱轨系数?脱轨系数?轮轨横向力?轮轨垂向力?轮轨横向力轮轨垂向力图 不同离缝幅值对车辆动力响应的影响 从图（）中可以看出，车体垂向加速度受离缝幅值的影响明显，在离缝幅值为 时，车体垂向加速度达到 ，已经超过了允许限值 ，严重影响了行车的平稳性。从图 （）和图 （）中可以看出，离缝幅值为 及以下时，轮重减载率增幅平缓，离缝幅值超过 后，轮重减载率迅速变大，当离缝幅值为 时，轮重减载率已经超过规范 中允许限值 ，对行车的安全性有很大威胁；离缝幅值从 线性增加至 的过程中，脱轨系数从 增加至 ，增大幅度为 ，但未超过允许限值 ，离缝幅值大于 后脱轨系数变化显著。从图 （）中可以看出，轮轨垂向力随着离缝幅值的增加而明显增大，在 时达到最大值 ，是正常轨道的 倍；由于轨道中考虑了横向不平顺的影响，因此在上拱离缝条件下，轮轨横向力也发生了变化，随着离缝幅值的增加而增大，从 增加至 ，增大幅度为 ，在离缝幅值 及以上时变化尤为剧烈。轨道结构动力响应当列车以时速 驶入离缝区域后，不同离缝幅值下各轨道结构（钢轨、轨道板、支承层）的动力性能变化如图 所示。从图 （）（）可以看出，随着上拱离缝幅值的线性增加，各轨道结构的垂向加速度明显增大。其中，钢轨的垂向加速度由 增加至 ，增大幅度为 ；轨道板的垂向加速度由 增加至 ，是无离缝时的 倍；支承层的垂向加速度由 增加至 ，是无离缝时的 倍。可见离缝幅值对轨道板和支承层的垂向加速度影响大于钢轨。由图 （）可知，随着离缝幅值的增加，各轨道结构的动力响应均呈现增大趋势，其中钢轨和轨道板的垂向位移变化很大，随着上拱幅值呈线性增加，由此说明行车过程中板下离缝处于闭合状态，支承层的垂向位移变化与二者相比较小。?离缝幅值?钢轨垂向加速度钢轨垂向加速度?离缝幅值?轨道板垂向加速度轨道板垂向加速度?兰州交通大学学报第 卷?离缝幅值?支承层垂向加速度?离缝幅值?轨道结构垂向位移?支承层垂向加速度?轨道结构垂向位移?钢轨垂向位移轨道板垂向位移支承层垂向位移图 不同离缝幅值对轨道结构动力响应的影响 离缝长度对车辆?轨道系统动力响应的影响 型板式无砟轨道产生的上拱离缝沿线路纵向范围较广，在分析离缝长度对车辆和轨道结构的动力影响时，选取离缝幅值为 ，纵向离缝长度分别为 、以及 四种工况进行对比性分析。车辆动力响应不同离缝长度下车体垂向加速度时程曲线如图所示，不同离缝长度下车辆各动力学指标的最值变化如图 所示。从图 （）（）中可以看出，随着离缝长度的增加，车辆的动力响应呈先增大后减小的规律，各项指标的峰值均出现在 处。车体垂向加速度最大值为 ，轮重减载率和脱轨系数的最大值分别为 和 ，轮轨垂向力和轮轨横向力的最大值分别为 和 ，但各指标均未超过其允许限值。产生这样的变化，主要原因是：当离缝长度较小时，周围未产生离缝的轨道结构对离缝区域的约束作用比较强，当列车驶入离缝区域后，轨道板与 砂浆层之间的离缝并未闭合，轨道结构的垂向变化幅度较小，所以车辆的动态响应变化也较小；当离缝长度非常大时，上拱离缝导致的线路不平顺越发平缓，当列车车轮驶入离缝区域而尚未到达离缝区域中心即上拱幅值最大处时，轨道板与 砂浆层之间的离缝就已经闭合，所以当车轮经过离缝区域中心时，轨道结构的垂向动位移变化量就比较小，从而导致车辆的动力响应变化也比较小；之所以产生峰值，是介于两种情况之间导致的。?车体垂向加速度?时间?图 不同离缝长度下车体垂向加速度对比 车体垂向加速度?离缝长度?车体垂向加速度?离缝长度?轮重减载率?轮重减载率第 期张文强等：上拱离缝对 型板式无砟轨道动力特性的影响?离缝长度?脱轨系数?离缝长度?轮轨力?脱轨系数?轮轨横向力?轮轨垂向力?轮轨横向力轮轨垂向力图 不同离缝长度对车辆动力响应的影响 轨道结构动力响应当列车以时速 驶入离缝区域后，不同离缝长度下各轨道结构（钢轨、轨道板、支承层）的动力响应变化如图 所示。?钢轨垂向加速度钢轨垂向加速度?离缝长度?离缝长度?离缝长度?离缝长度?轨道板垂向加速度轨道板垂向加速度?支承层垂向加速度支承层垂向加速度?轨道结构垂向位移轨道结构垂向位移?钢轨垂向位移轨道板垂向位移支承层垂向位移图 不同离缝长度对轨道结构动力响应的影响 根据图 （）（）可以看出，随着离缝长度的增加，各轨道结构的垂向加速度和垂向位移都呈现先增大后减小的变化趋势，峰值均出现在 处。从图 （）发现，当离缝长度为 时，各轨道结构的垂向位移明显小于其他工况，这是由于列车通过时板下离缝并未闭合；在离缝长度为 时，各轨道结构的垂向位移会迅速变大，然后随着离缝长兰州交通大学学报第 卷度的增加呈微幅减小，其原因在于离缝纵向较长时上拱离缝导致的不平顺变化平缓，车辆经过时轨道板与 砂浆层之间的离缝闭合。结论通过建立带有上拱离缝的车辆?轨道耦合动力学模型，分析了上拱离缝条件下，不同离缝幅值和离缝长度对车辆及轨道结构动力学响应的影响。基于本文研究工况及相关动力学响应结果，可得出以下结论：）随着上拱离缝幅值的增加，车辆和轨道结构的动力响应逐渐增大。离缝幅值在 以上时车辆动力响应变化更加明显，离缝幅值为 和 时轮重减载率和车体垂向加速度分别超过了限值，严重威胁行车的平稳性和安全性。）随着上拱离缝长度的增加，车辆和轨道结构的动力响应呈先增大后减小的趋势，在离缝长度为 时系统动力响应最大。）列车驶入上拱离缝区域后，极大地加剧了轨道结构的动力响应，降低了轨道系统的服役性能，因此，线路中产生上拱离缝病害后应及时维修。参考文献：赵国堂 高速铁路无碴轨道结构 北京：中国铁道出版社，卫军，班霞，董荣珍 温度作用对 型无砟轨道结构体系的影响及损伤分析 武汉理工大学学报，（）：?陈醉，肖杰灵，张雯皓，等 初拱变形对 型轨道板上拱的影响研究 铁道标准设计，（）：?钟阳龙，蔡小培，侯博文 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