30 t轴重重载铁路路桥过渡段动力性能研究

高芒芒 郑晓龙 杨 飞

(1.中国铁道科学研究院， 北京 100081；2.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

30 t轴重重载铁路路桥过渡段动力性能研究

高芒芒1郑晓龙2杨 飞1

(1.中国铁道科学研究院， 北京 100081；2.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

文章以中南通道为工程背景，在75型钢轨、轨枕间距0.6m、轨下胶垫刚度140kN/mm及道床刚度150kN/mm的条件下，建立列车-过渡段-桥梁动力分析模型，结合理论分析和实测数据确定线桥过渡段有效深度和动刚度，通过列车、轨道结构和桥梁的动力响应考察不同过渡段长度对系统动力性能的影响。结果表明，设置过渡段对轨道和车辆的响应略有改善，但效果不甚明显，且过渡段长度从20m增加到50m，轨道和车辆的动力响应几乎无变化，过渡段的主要作用在于保证过渡段构造的稳定性和控制差异沉降。

重载铁路； 线桥过渡段； 路基动刚度； 行车安全性

由于路桥、路涵、路隧等不同结构物之间存在沉降差异和刚度变化，列车通过时易出现较大振动，需对过渡段予以加强。加强措施主要从变形控制和刚度均匀化两个方面进行。在工程中，多采用增大路基基床竖向刚度的方法，其优点在于不对轨道结构进行专门处理，全线轨道结构统一，便于养护维修。在《重载铁路设计规范(试用稿)》中，详细规定了路桥过渡段区域的设置方式和材料性能要求。本文以中南通道为工程背景，以路基基床过渡段方式为研究对象，主要考察在不计沉降差异的条件下，过渡段设置长度对车辆-轨道-桥梁动力性能的影响。

1 国外重载铁路研究

重载运输技术集中体现在两个方面:一是提高轴重。目前美国、加拿大等国的重载铁路轴重普遍达到32.5～35.7 t、瑞典、巴西重载列车轴重己提高到30 t，而俄罗斯已将重载货车轴重提高到27 t，并正加紧研究35 t轴重的轨道部件。二是提高列车牵引质量。目前重载列车牵引质量普遍在20 000 t左右。美国、加拿大等重载列车牵引重量普遍由15 000 t向18 000 t发展，南非、澳大利亚则己超过20 000 t。

1.1 澳大利亚

澳大利亚重载铁路采用300 LA铁路活载标准，活载图式由若干轴重为300 kN的货车组成，货车车辆长度为12～20 m，采用360 kN的集中荷载模拟机车活载。

钢轨采用68 kg/m钢轨，钢轨寿命在直线区段约为1 800 Mt。上世纪80年代末开始采用钢筋混凝土轨枕，承载轴重能够达到40 t。

1.2 南非

南非于1983年制定了用于重载铁路桥梁设计的《Bridge Code》，其采用的活载标准在UIC71活载图式的基础上，将集中力由250 kN增加到280kN、均布荷载由80 kN/m提高到100 kN/m，同时将荷载间距适当增加。重载铁路采用60 kg/m铬锰钢轨，轨距1 065 mm，预应力混凝土轨枕，轨枕间距为650 mm，道床厚30 cm。

2 重载铁路轨道部件刚度匹配

轨道结构中的每个部件，其使用性及耐久性不仅取决于自身的合理结构设计，也与其他部件以及整个轨道结构的状态密切相关。轨下胶垫刚度偏低会使轨道结构变形较大，影响线路的稳定性和行车平稳性，但其刚度增加又使得道砟及路基应力相应变大。大秦铁路现场调研表明，大轴重列车长期作用下，道床累积变形增加，枕下支承刚度增大，垫板压溃现象较为普遍。路基刚度偏低易造成路基表面防水层或铺装层开裂，并产生累积塑性变形，降低基床表层的寿命和功能，同时，还会造成上部轨道结构疲劳损坏以及线路平顺性差等。

利用NUCARS软件建立货车-轨道耦合系统动力学分析模型，分析结果表明，在同一轨道平顺状态下，钢轨垂向力、垂向位移及垫板压力主要取决于垫板刚度，而钢轨垂向加速度、轨枕位移、轨枕加速度和道床压力则同时受到垫板刚度和道床刚度的影响。以轮轨力、垫板、道床压力、钢轨位移、轨枕位移、钢轨加速度和轨枕加速度7个动力参数为基准，以考虑各参数敏感系数后，轨道动力综合效应最小为目标，建立目标函数，确定轨道结构部件刚度合理匹配方案为垫板刚度140 kN/mm，道床刚度150 kN/mm，该方案的整体刚度为90 kN/mm。

3 重载铁路线桥过渡段动力分析模型

3.1 轨道动力分析模型

重载铁路采用有砟轨道，由钢轨、扣件、钢筋混凝土轨枕、道床及路基等组成。为充分反映轨道结构各部分的振动状态及其对行车性能的影响，轨道结构采用连续分布参数多层离散点支承梁来模拟，即钢轨被视为连续弹性离散点支承上的无限长Euler梁，轨下基础沿纵向被离散，离散以各轨枕支点为基元，每个基元的钢轨与轨枕以及轨枕与道床之间通过弹簧与阻尼连接[1-2]。对桥梁两侧的有砟轨道，道床按轨枕间距离散成质量块，道床与路基之间通过弹簧与阻尼连接。对桥上的有砟轨道，道床的质量并入桥梁的二期恒载中考虑，但道床的弹性和阻尼特性对轨枕的影响计入模型[3-5]。有砟轨道动力学模型如图1所示。桥上轨道动力学模型如图2所示。

图1 有砟轨道动力学模型

图2 桥上有砟轨道动力学模型

3.2 路桥过渡段的处理

由于土为半无限线弹性体，如果把路基处理成通常的结构物，则必须考虑足够大的体积并采用弹性边界条件以模拟周围土体的影响，而此边界条件的具体数值难以准确判定，因此，通常把路基处理成道床下的弹性约束，具体数值则根据实测和经验值判定。鉴于路桥过渡段是对地基的特殊处理措施，因此采用与地基相同的处理办法，即视为道床下的弹性约束，只是路桥过渡段区域内边界弹簧数值与路基段不同。重载铁路设计规范规定的台尾路堤过渡段设置方式如图3所示。

图3 台尾路堤过渡段设置方式

3.2.1 过渡段有效深度

为确定路基及路桥过渡段的支承弹性，首先需要确定路基内位移的传递深度，在此深度之下的土体，尽管还存在一定程度的应力水平，但已基本无压缩变形[6-8]。考虑到有砟轨道路基动应力衰减速率明显大于无砟轨道，且在低速条件下两相邻转向架通过时几乎无应力叠加，因此最终以基床深度，即3.0 m为路基和线桥过渡段的弹性支承层厚度。

3.2.2 过渡段路基动刚度

朔黄铁路170号桥路桥过渡段的现场测试和理论分析，提出路基K30控制指标为90 MPa，且距桥台后15～20 m范围内是钢轨位移、加速度变化的敏感区域，因而过渡段长度不宜小于20 m。同时为减小基床表层动位移和加速度，基床表层刚度和填料刚度应高于150 MPa。因此，动力分析结合《重载铁路设计规范(试用版)》中对过渡段和路基刚度的相关要求以及根据秦沈铁路实测得到的动静刚度比，最终选取，刚度如下：

(1)基床表层刚度：190 MPa；

(2)基床底层刚度：130 MPa；

(3)路桥过渡段区域内级配碎石刚度：150 MPa；

(4)动静刚度比：1.295(根据秦沈铁路实测数据反推)，过渡段与路基交错区域，刚度线性变化处理。

3.3 桥梁结构动力分析模型

为进行动力分析，设计了常用的32 m简支梁桥，其中列车竖向静活载采用《客货共线和货运铁路桥梁活载标准研究总报告》中提出的中-活载(2005)设计图式(如图4所示)，针对货运专线提出的ZH活载，其中分级系数取为Z=1.2。

图4 设计采用的活载计算图(m)

动力分析时按10跨简支T梁连续布置计算，不计桥墩影响。

4 计算工况

过渡段长度对列车和轨道结构动力响应的影响，计算工况和参数如表1所示。

表1 列车-过渡段-桥梁动力分析工况

计算中钢轨采用75型轨，轨枕间距0.6 m，轨下胶垫刚度140 kN/mm，道床刚度150 kN/mm。

5 过渡段动力性能分析

5.1 桥梁动力响应

计算结果显示过渡段设置后对桥梁动力响应的影响不明显，桥梁响应主要取决于车速和轴重。为车速70 km/h时桥梁跨中的动挠度时程曲线和加速度时程曲线如图5和图6所示。

图5 桥梁跨中动挠度时程曲线(车速70 km/h)

图6 桥梁跨中加速度时程曲线(车速70 km/h)

5.2 钢轨响应分析

钢轨的输出结果包括垂向位移和加速度，其中不设过渡段和过渡段长度为20 m工况的钢轨输出位置相同，其余工况由于过渡段长度增大导致钢轨输出点随之变化。钢轨动挠度计算结果如表2所示，钢轨加速度计算结果如表3所示。

由表2、表3可知，不设过渡段条件下钢轨的动力响应略大于设置过渡段的情况，但过渡段长度由20 m增加至50 m，钢轨的动力响应无显著变化。

表2 钢轨动挠度计算结果

表3 钢轨加速度计算结果

5.3 车辆动力响应分析

车辆的动力响应计算结果如表4所示。分析可知，尽管不同车速下减载率有明显差异，但不同的过渡段长度并未造成显著区别，一是由于选取的轨道不平顺相对较差，因此在一定程度上掩盖了过渡段的影响；二是由于过渡段路基刚度与普通路基刚度差距不大，也使得动力分析结果相近。出桥时减载率明显大于进桥时，而过渡段长度由20 m增加到50 m的影响则微乎其微。

表4 车辆动力响应计算结果

6 结论

(1) 出桥时刚度突变对车辆振动的影响大于进桥。

(2) 设置过渡段对轨道和车辆的响应有所改善，桥梁响应几乎不受过渡段影响，过渡段长度由20 m增加至50 m，轨道和车辆的动力响应无显著变化，因而从刚度匀顺过渡的角度而言，我国《重载铁路设计规范》的相应规定能够保证不因线桥结构的刚度差异对轨道和车辆振动造成冲击。

(3) 根据不同桥台后路堤高度设置不同长度的过渡段，主要作用在于保证过渡段构造的稳定性和控制差异沉降。

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Dynamic Performance Study of Track-bridge Transition Section for 30 t Axle Load Heavy Haul Railway

GAO Mangmang1ZHENG Xiaolong2YANG Fei1

(1.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081,China;2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., Chengdu 610031, China)

Taking South-central Railway as the engineering background, under the condition of 75 kg rail, 0.6 m as sleeper spacing, 140 kN/mm as stiffness of pads under rail and 150 kN/mm as stiffness of ballast bed, the train-transition section-bridge dynamic analysis model is built, effective depth and dynamic stiffness of transition section are determined by theoretical analysis and actual data, and the influence of different transition section lengths on system dynamic performance is studied through the dynamic response of train, track structure and bridge. The results show that the length of transition section increased from 20 m to 50 m will slightly improve the dynamic response of train and track, but the effect is not obvious, the main function of transition section is assurance of structure stability and decreasing of differential settlement.

heavy haul railway; transition section of track and bridge; dynamic stiffness of subgrade; running safety

2016-05-23

高芒芒(1970-)，女，研究员。

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2015G004-A)

1674—8247(2016)05—0071—04

U21

A