板式无砟轨道扣件缓冲层刚度衰减评估及现场施工控制技术.pdf

CONSTRUCTION MACHINERY 43SURVEYING专题论述板式无砟轨道扣件缓冲层刚度衰减评估及 现场施工控制技术杨江峰（中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016）摘要基于列车-轨道-路基全比尺三维有限元模型，模拟了高速行驶条件下扣件刚度衰减或增大时车-轨系统的动力响应，评估了行车安全性和舒适性以及扣件服役状态。最后，基于数值分析结果优化了新建西宁至成都铁路轨道施工及控制指标。研究表明：扣件刚度相对大小影响轮轨力波动方向，单点扣件不平顺和双侧扣件不平顺对轮轨力影响基本一致；提出了相对刚度离散系数，单点扣件完全失效不会造成显著的脱轨风险，刚度超286kN/mm时容易造成脱轨风险；单点扣件支撑不平顺引起的振动可几乎被完全过滤吸收，几乎不会引起乘车舒适性下降；扣件刚度不平顺容易引起周围扣件反力显著增加，增加线路长期的维修和养护成本。关键词扣件系统；刚度不平顺；相对刚度离散系数；施工工艺优化中图分类号U213.2 文献标识码A 文章编号1001-554X（2024）01-0043-06Evaluation of stiffness attenuation of buffer layer of slab ballastless track fasteners and on-site construction control technologyYANG Jiang-feng高速铁路承担着繁重的客运任务，是我国现代化公共交通基础设施中的重要组成部分。对于我国广泛使用的无砟轨道系统，扣件为钢轨提供足够的纵向阻力以防止其倾覆和纵向移动。同时，扣件系统为无砟轨道提供弹性支撑和阻尼，用以缓冲列车高速运行条件下的冲击荷载和噪声。然而，扣件结构处于周期性的拉压、剪切、弯曲及扭转的复合交变受力状态，其下方垫板受到列车反复的冲击荷载，极易导致扣件病害1。罗曜波等提出弹条的最大应力发生在与铁垫板接触的部位2。根据现场实测，扣件常出现弹条断裂损伤，其对钢轨的扣压力显著衰减3，4。在轨道转弯路段，弹条折断数量高达10%，带来严重的安全隐患5。扣件支撑刚度衰减导致线路支撑的平顺性劣化，加剧高速列车与轨道的振动响应，进而产生严重安全隐患6。朱剑月通过室内小比尺模型及数值求解方法研究有砟轨道1、2个扣件失效的动力影响，结果表明，轨下扣件失效破坏了轨道结构支承的连续性，轮轨间相互作用增强；同时扣件支承失效将影响其前后毗邻的正常轨道结构的动态特性，形成较长范围内线路不平顺，影响车辆运行平稳性与乘坐舒适度7。张斌运用数值分析方法，将失效扣件动刚度和阻尼量化为0，结果表明，扣件弹性失效使轮轨力等动力学指标成倍增长，且动力响应随着扣件数量增加而明显8。肖新标等通过数值分析计算的方法，并引入了“失效因子”，发现当连续5个扣件完全失效时对列车脱轨影响呈指数增长9。毛建红等采用数值计算方法分析了高架桥梁结构形式下1个和3个扣件失效对耦合系统垂向振动响应的影响，结果表明，扣件失效对车体振动加速度的影响很小，但对钢轨振动加速度影响较大；扣件失效会加速相邻扣件的破坏10。DOI:10.14189/ki.cm1981.2024.01.001收稿日期2023-08-07通讯地址杨江峰，陕西省西安经济技术开发区凤城二路12号44 建筑机械SURVEYING专题论述然而，无砟轨道螺栓型扣件受安装工艺、应力松弛或疲劳损伤等影响，其紧固扭矩可能存在较大的差异，且弹条局部失效仅仅导致支撑刚度的部分丧失。因此，考虑弹性垫板刚度时，直接将失效扣件节点刚度量化为0是不合理的，特别是因安装误差引起的单个扣件节点刚度激增的研究较少，其对车轨耦合系统的动力响应问题都亟待解决。本文基于列车-轨道-路基垂向耦合振动理论及弹性层状体系建立了列车-轨道-路基全比尺三维有限元模型，模拟了列车高速行驶条件下扣件刚度衰减或增大时车-轨系统的动力响应。参考我国高速铁路工程动态验收技术规范高速铁路设计规范等评估行车安全性和舒适性，进一步分析了对临近扣件服役状态的影响。基于数值分析结果确定了新建西宁至成都铁路轨道施工保证线路基础支撑平顺性的施工工艺及控制指标。1 数值模型及工况由于高速列车行驶速度快，现场轨道结构工况组合复杂，难以在现场检测不同病害下车-轨系统的动力响应，而通常采用数值模型方法开展研究。本文重点分析高速行驶列车作用下，因局部扣件刚度衰减或过大引起的轨道结构和车辆振动响应，其本质是多层弹性体与分布式移动质量块的耦合动力学问题。同时，考虑到本文将研究轨道的横向刚度不平顺引起的系统振动反应，因此建立了三维列车-轨道-路基有限元模型。其中，列车、轨道和路基均采用了弹性体单元。车体和转向架之间、转向架和车轮之间以弹簧-阻尼单元连接，车体和车体之间简化为互相独立；轨道结构基于CRTS I型双块板式无砟轨道建模，由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、道床板、隔离层、限位凹槽、混凝土底座和路基等组成。其中扣件以弹簧-阻尼单元模拟，其他结构层采用弹性体单元，层间设置为直接接触且无水平向位移。模型边界约束侧向位移和转动，底部约束其垂向位移和转动，同时在模型边界设置较大的阻尼层以防止应力波反射造成的系统误差。本文基于福斯罗W300-1型扣件建立数值模型，其结构特征如图1所示，参数取值如表1所 示12，13。为了验证本文模型可靠性，取相同车速计算并对比静力作用下扣件反力分担情况，如图2所示，可见本文模型计算结果与文献13结果基本一致，可用于进一步数值计算。动力学分析中，列车车速取360km/h。本文扣件动刚度取值参考文献14的刚度-扭矩标准试验，对照组动刚度取36kN/mm；实验组刚度依次模拟了扣件部分失效到安装扭矩过大，为20 100kN/mm。同时，本文模拟了横向单点扣件和双侧扣件不平顺状况，共11组工况，如表2所示。Sa36螺旋道钉Sk1 15弹条Is 15绝缘垫片Sdu 绝缘套管Wdp 轨距挡板Zw 轨垫Zwp 弹性垫板Grp 底板图1 W300-1型轨道扣件表1 数值模型计算参数钢轨轨道板CA砂浆层混凝土底座基床表层基床 底层密度/（g/cm3）7.802.601.82.72.01.8弹性模量/MPa2060003600030024000180130泊松比0.250.170.40.1670.250.252 系统动力响应及振动评估2.1 车-轨动力接触作用及安全性评估扣件刚度变化对轮轨力的激励作用如图2所示，图中分别表示扣件刚度低于和高于正常扣件CONSTRUCTION MACHINERY 452024/01总第575期0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0文献参考值/mm本文数值模型计算值/mmY=X图2 轨道结构参数可靠性验证表2 数值模型计算工况编号实验组对照组1234567891011刚度/（kN/mm）20305070 100 20305070 10036横向平顺性单点扣件刚度不平顺 双侧扣件刚度不平顺 平顺刚度（36kN/mm）时同一车轮的轮轨力的时程曲线。可知，车轮在到达病害扣件前约24个扣件之前，其与轨道的接触力即发生明显波动。在经过刚度突变点后，轮轨力达到峰值，经过1116个扣件以后才又逐渐趋于平稳。经过刚度不平顺区域时，两种工况下轮轨力均经过了3个准周期运动后区域平缓，波动分别持续0.075s和0.1s。由于刚度的增减不同，车轮在达到刚度减少的扣件点前，由于钢轨变形的几何连续性，当下放扣件节点变为“软”支撑时，轮轨力表现为先卸载然后加载；同理，刚度突增情况下的轮轨力为先加载后卸载。图3为轨道横向刚度差异对轮轨接触力的影响，本文通过式（1）计算了单点刚度突变和两侧均突变条件下引起的同一车轮接触力的差值。同时，为了定量化描述刚度差异性，本文定义了相对刚度离散系数，如式（2）所示sdFFF （1）100mrrrGGgG （2）其中 Fs为单点扣件刚度变化时轮轨接触力（kN）；Fd为对侧扣件刚度变化时轮轨接触力（kN）；Gm为变化后的扣件刚度值（kN/mm）；Gr为正常的扣件刚度值（36kN/mm）。可见，在平顺阶段的轮轨力差值几乎为0，而两者最大差异发生在刚度变化的扣件附近。在本文所有的计算工况内，单点扣件和对侧扣件刚度变化引起的轮轨力差异最大仅为376N，仅为平顺条件下的0.45%，说明横向的扣件刚度差异形式对轮轨接触力影响不大。扣件刚度差异对轮轨力影响如图4所示，其中相对刚度离散系数表明纵向支撑刚度的不平顺性。对于波动过程中的轮轨力最大值和最小值，两者均随着刚度的不平顺程度增加而偏离初始值，且轮轨力的最小值对扣件刚度变化更敏感。轮轨力最大值和最小值与相对刚度离散系数拟合结果如表3所示。根据我国中国高速铁路设计规范（TB 10621-2014），定义轮重减载率为车轮载荷减少量与平均静态车轮载荷之比，并使用0.65作为评价列车脱轨的风险阈值11。根据表3的拟合结果，当刚度离散系数gr为6.9时，即扣件刚度大于286kN/mm时将引起脱轨风险；而当单点扣件失效时，其刚度离散系数gr=16.9，因此不会带来脱轨风险。然而，考虑到刚度不平顺会加剧轨道系统的振动，进而引起轨道结构的持续弱化，平顺性控制仍对扣件节点施工连续性和稳定性提出了更高的要求。8082848688900.650.700.750.807075808590轮轨接触力/kN 刚度平顺组 单节点(20kNmm-1)单节点(30kNmm-1)对侧节点(20kNmm-1)对侧节点(30kNmm-1)单节点(50kNmm-1)单节点(70kNmm-1)单节点(100kNmm-1)对侧节点(50kNmm-1)对侧节点(70kNmm-1)对侧节点(100kNmm-1)刚度突变点轮轨接触力/kN时刻/s 图3 轮轨力时程曲线图46 建筑机械SURVEYING专题论述0.40.50.60.70.80.91.00100200300400轮轨接触力/(10-3kN)时间/s 20kN/mm 30kN/mm 50kN/mm 70kN/mm 100kN/mmFmax=376N图4 单点与双侧扣件刚度不平顺时轮轨力差异表3 相对刚度差异系数与轮轨力最值拟合结果工况拟合公式拟合优度轮轨力最小值/kNF=-7.80gr+83.140.98轮轨力最大值/kNF=2.72gr+85.120.612.2 车体振动及舒适性评估对于列车模型，车体、转向架和车轮节点通过弹簧-阻尼单元构成了二级悬挂体系。其中，部件振动加速度是评价列车运营舒适性的重要指标。本文分析了不同扣件刚度对车体-转向架-车轮体系的振动影响。限于篇幅，本文以转向架结构为例，列出了车辆通过刚度不平顺区域时的垂向振动加速度时程曲线，如图5所示。可见，车体振动加速度与轮轨力方向一致，在经过不平顺扣件后达到最大值，经过约5个准周期波动后逐渐趋于平缓。图6为列车各部件振动加速度最大值随扣件刚度变化规律，相对于平顺状态，各部件振动强度随刚度离散型增加而增大，且双侧扣件刚度变化引起车体部件的振动加剧至2倍以上，即扣件支撑刚度的横向平顺性对控制列车行车舒适性至关重要。车轮-转向架-车之间通过二级悬挂体系连接。图7为单点扣件刚度不平顺时车体各部件振动随刚度取值的变化情况。可见，随着行车方向扣件刚度不平顺增大，车体各部件的振动更加显著。单点扣件刚度不平顺时振动加速度随该悬挂体系的衰减曲线如图8所示。可见，高速行驶列车通过不平顺扣件引起的车轮强烈振动经过第一级悬挂体系后显著衰减了94%95%，转向架和车体之间的二系悬挂体系进一步消耗95%98%的振动能量。最后，传递至车体的振动加速度仅为10-3数量级，远小于我国列车舒适性控制值（1.5m/s2）。0.00.40.81.21.62.07075808590 轮轨力最小值 轮轨力最大值轮轨力/kN相对刚度离散系数0.040.160.10轮重减载率图5 相对刚度离散系数与轮轨力关系0.600.650.700.750.800.85-0.4-0.20.00.20.4转向架垂向振动加速度/(m/s2)时间/s单点扣件(20kN/mm)单点扣件(30kN/mm)对侧扣件(20kN/mm)对侧扣件(30kN/mm)0.600.650.700.750.800.85-1.0-0.50.00.51.0转向架垂向振动加速度(m/s2)时间/s单点扣件(50kN/mm)单点扣件(70kN/mm)单点扣件(100kN/mm)对侧扣件(50kN/mm)对侧扣件(70kN/mm)对侧扣件(100kN/mm)图6 列车悬挂系-转向架振动加速度时程曲线由于在离散扣件支撑体系下钢轨系统属于超静定体系，列车荷载作用下单个扣件的刚度变化必然引起周围节点压缩量发生改变。考虑到扣件节点的支撑力取决于节点刚度和节点压缩量，则单点刚度不平顺必然影响周围扣件点的服役状态。本文计算了不平顺区域里双轮轴范围内扣件的反力分布情CONSTRUCTION MACHINERY 472024/01总第575期0.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.00.20.40.60.81.01.22040608010024681012悬挂系节点最大垂向振动加速度/(m/s2)车 体单点扣件双侧扣件转向架对照组刚度值扣件刚度/(kN/mm)车 轮图7 扣件刚度对车体振动影响车轮转向架车体车体0.000.010.020.030.040.0502468101214最大垂向振动加速度(m/s2)悬挂系节点 20kN/mm 30kN/mm 50kN/mm 70kN/mm 100kN/mm一级悬挂二级悬挂图8 车体振动沿悬挂系的垂向衰减况，如图9所示，其中编号i为刚度不平顺的扣件节点位置。由于两轮轴之间的钢轨会产生上拱效应，进而抵消部分竖向荷载缠上的压缩量。因此，中间扣件压缩变形量低于轴载附近扣件，而刚度不平顺引起的车轮冲击作用导致该位置的反力远大于前 轮轴。根据本文的计算结果，不平顺扣件节点的垂向压缩量与其刚度负相关，20kN/mm时的压缩量为100kN/mm的2.12倍，而对应的扣件反力仅占后者的42.8%。通过与平顺状态下扣件反力分布对比，扣件节点刚度的不平顺会使前后各约3个扣件的受力发生明显波动。在单个扣件刚度突增情况下，刚度不平顺性越明显，其波动越大。然而，扣件反力的增大易使周围扣件处于不利的荷载作用下而发生弹条断裂或垫板破损、老化等。因此，扣件刚度平顺显著影响后期轨道结构的养护维修投入。i-3 i-2 i-1ii+1 i+2 i+3 i+4 i+5 i+60102030405060扣件反力/kN扣件节点编号 20kN/mm 30kN/mm 50kN/mm 70kN/mm 100kN/mm0.000.120.240.360.480.600.72扣件反力与半轴重相对值图9 扣件节点应力分布图3 现场平顺性控制技术基于上述计算结果，本文在新建西宁至成都铁路工程中优化轨道板及扣件施工方法。轨枕组装施工前，由吊车配合轨枕吊具卸枕，将轨枕捆摆放在线路中间。轨枕使用前使用扫把将轨枕表面及承轨台清理干净，并检查轨枕外观质量，重点检查承轨台及挡肩有无破损、桁架钢筋有无扭曲变形、开焊或松焊等问题，如有及时进行更换，问题严重的轨枕不得使用。扣件系统提前运送至现场，分类码放整齐，同时检查扣件部件有无缺失。轨枕摆放完成后，人工配合龙门吊，平稳、缓慢地将与道床板长度匹配的排架放置于清理干净后的轨枕承台上，确保轨头与第一根轨枕中心距离符合设计要求。扣件安装过程中，应注意弹性垫板和铁垫板的螺栓孔中心须与预埋套管中心对正。扣件安装后道钉先不要紧固，根据设计要求调整一侧轨枕间距，然后用方尺方正另外一侧。轨枕间距全部合格后，使用电动扭矩扳手按照250Nm扭矩拧紧螺旋道钉。同时，轨枕与钢垫板、钢垫板与橡胶垫板必须密贴，且弹条的中圈环必须与轨距挡板前端突起部分接触，采用塞尺逐个检查，间隙不得大于0.5mm。混凝土浇筑前再次专人检查弹条紧固情况，防止浇筑完成后轨枕脱空。现场分枕平台及轨枕扣件组装如图10所示。4 结束语本文通过建立列车-轨道-路基三维有限元模型模拟了轨道单点或双侧扣件刚度不平顺时车-轨48 建筑机械SURVEYING专题论述图10 现场分枕平台及轨枕扣件组装耦合系统的动力响应，通过详细分析轮轨力、轮重减载率、车体振动加速度和周围扣件节点反力，主要得到了以下结论：（1）扣件刚度相对大小影响列车经过时轮轨力波动方向，刚度弱化引起轮轨力先卸载后加载；刚度增加则使轮轨力先加载后卸载，系统经过4个准周期波动后均趋于稳定。（2）通过引入相对刚度离散系数评估了不平顺程度对轮轨力激励的影响，并基于脱轨风险提出了安全阈值6.9。单点扣件完全失效（节点支撑刚度为0）时不会造成显著的脱轨风险；而当单点扣件刚度达286kN/mm时容易造成脱轨风险，因此必须保证扣件弹性垫层的缓冲状态。（3）由于列车具有良好的二级悬挂体系，因单点扣件支撑不平顺引起的振动几乎被完全过滤吸收，几乎不会引起乘车舒适性降低。（4）单点扣件刚度不平顺容易引起周围扣件反力显著增加，就轨道长期服役状态而言，将显著增加线路的维修和养护成本，因此应及时维修或更换损坏的扣件结构。（5）基于扣件平顺性要求优化了现场施工工艺，提出了分枕平台-轨道板-扣件-钢轨成套施工方法，具有一定的工程指导意义。参考文献1余自若，袁媛，张远庆，等.高速铁路扣件系统弹条疲劳性能研究J.铁道建筑，2014，36（07）：90-94.2罗曜波，伍曾，魏中臣，等.WJ-7型扣件在列车冲击下动力仿真分析J.低温建筑技术，2016，38（09）：61-63.3GAO X G，WANG A B，HE Y，etal.Structural Im-provement of the-type High-speed ail Clip Based on a Study of Its Failure MechanismJ.Shock and Vibration，2019（01）：1-14.4肖新标，金学松，温泽峰.钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响J.交通运输工程学报，2006，6（01）：10-15.5肖宏，马春生，郭骁，等.e型扣件弹条断裂原因频谱分析J.同济大学学报（自然科学版），2017，45（07）：1000-1008.6韩义涛.考虑轨道刚度不平顺时轮轨系统的动力特性分析D.成都：西南交通大学，2006.7朱剑月.轨下扣件支承失效对轨道结构动力性能的影响J.振动工程学报，2011，24（02）：158-163.8张斌.地铁弹性扣件失效对轨道结构振动特性的影响J.华东交通大学学报，2013，30（03）：55-60.9肖新标，金学松，温泽峰.钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响J.交通运输工程学报，2006（01）：10-15.10 毛建红，张金喜，罗俊.扣件失效对车-线-桥系统频率响应的影响J.铁道建筑，2018，58（11）：146-149.11 铁道第三勘察设计院有限公司，中铁第四勘察设计院集团有限公司，中国铁通科学研究院.TB 10621-2014高速铁路设计规范S.北京：中国铁道出版社，2014.12 许帅，敖江忠，杨元治，等.路基不均匀沉降对高速列车动力学性能影响分析J/OL.铁道标准设计：1-8.13 蒋红光，刘舜，李宜欣，等.自重荷载下非均匀支撑板式无砟轨道静态响应J.湖南大学学报（自然科学版），2021，48（09）：61-69.14 蒋红光.高速铁路板式轨道结构路基动力相互作用及累积沉降研究D.杭州：浙江大学，2014.