高速铁路有砟与无砟轨道过渡段优化设计研究

高志国

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142）

高速铁路有砟与无砟轨道过渡段优化设计研究

高志国

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142）

以大（同）西（安）高铁有砟轨道与CRTSⅠ型双块式无砟轨道过渡段为研究对象，开展轨道过渡段动力性能仿真计算，并以钢轨挠度变化率为评价指标分析过渡段有、无道砟粘结措施时的轮轨动力响应结果，从动力学角度对过渡段是否可以取消道砟粘结措施提出建议。

高速铁路；有砟无砟过渡段；道砟胶；钢轨挠度变化率

1　工程概况

大西高铁太原至运城段行经太原盆地、临汾盆地和运城盆地，盆地内分布有地裂缝，地裂缝的活动变形不是人力可以控制、阻止的，但是可以采取工程措施协调地裂缝的变形以满足工程需要，最大限度地延长工程的使用寿命和养护维修周期。因此对于地裂缝活动较为强烈、影响区范围较大，且与高速铁路小角度斜交的地段采用有砟轨道。大西高铁太原至运城段有两处地裂缝地段采用了有砟轨道结构。

东观地裂缝对应线路里程为DK337+481.070—DK338+021.750，线路长度540.7 m。

东六支地裂缝对应线路里程为DK344+907.290—DK345+298.050，线路长度390.8 m。

2　有砟与无砟轨道过渡段一般措施

我国高速铁路对有砟与无砟过渡段一般采取如下措施：

1）过渡段在有砟轨道一定范围内设置道砟胶，道砟胶按分段粘结方式进行过渡，即全部粘结区、枕下和砟肩粘结区、枕下粘结区；

2）过渡段设置辅助轨，辅助轨采用25 m定尺长60 kg/m钢轨，其中无砟轨道地段长5 m，有砟轨道地段长20 m；

3）无砟轨道支承层向有砟轨道延伸一定长度，若在桥台位置可设置钢筋混凝土搭板；

4）过渡段有砟轨道的轨道刚度通过调整扣件弹性垫层分级过渡。

3　仿真分析模型

为对列车通过有砟轨道与CRTSⅠ型双块式无砟轨道过渡段时的轮轨动力性能进行分析，建立如图1所示的列车-有砟轨道-CRTSⅠ型双块式无砟轨道过渡段动力学模型。

图1所示的列车-有砟轨道-CRTSⅠ型双块式无砟轨道过渡段动力学模型中，将车辆视为由车体、构架及轮对组成的多刚体系统，考虑各部分的横向、垂向、侧滚、摇头、点头等自由度。

图1　列车-有砟轨道-CRTSⅠ型双块式无砟轨道过渡段动力学模型

有砟轨道为传统的轨道结构形式，主要由钢轨、扣件、钢筋混凝土轨枕及碎石道床等部分组成。在有砟轨道结构中，轨道部件都将参与振动。其中，将钢轨视为弹性点支承基础上的Bernoulli-Euler梁，并考虑左、右股钢轨的垂向、横向及转动自由度。轨枕考虑其垂向、横向运动及转动自由度，钢轨与轨枕以及轨枕与道床之间通过线性弹簧和黏性阻尼连接。道床考虑垂向振动。

CRTSⅠ型双块式无砟轨道主要由钢轨、扣件、双块式轨枕和混凝土道床板组成。钢轨的模型与上述相同。由于双块式轨枕与混凝土道床板完全联结在一起，为考虑其振动，将道床板按扣件间距离散成质量块，块与块之间通过线性弹簧和黏性阻尼连接，基础对其的支承弹性和阻尼通过道床板质量块下方的线性弹簧和黏性阻尼体现。

4　仿真计算条件

4.1列车计算条件

CRH3型车，行车速度300 km/h。

4.2轨道计算条件

图2为有砟轨道与CRTSⅠ型双块式无砟轨道过渡段示意图。图中有砟轨道和双块式无砟轨道的详细计算参数见表1、表2。

图2　有砟轨道与CRTSⅠ型双块式无砟轨道过渡段示意（单位：m）

表1　有砟轨道计算参数

由于上述线路沿纵向由不同轨下基础组成，主要体现为轨道刚度动态变化（轨道刚度不平顺），而轨道随机不平顺属于几何不平顺。因此，分析中不考虑轨道随机不平顺的影响。

表2　双块式无砟轨道计算参数

5　轨道过渡段动力性能的评价指标

轨道过渡段区域轨下基础刚度差属于动力不平顺，应该采用动力学的方法进行分析评估。当车辆通过轨道过渡段时，应满足行车安全性和舒适性的要求，同时应尽可能减轻轨道结构动力作用水平。根据相关文献，钢轨挠度变化率（车轮下方钢轨动挠度对运行里程的一阶导数）可作为有效评价由轨下基础刚度动态变化引起的轮轨动力作用的综合指标，并且从减轻轮轨动力作用和改善行车平稳性的角度，钢轨挠度变化率应该控制在0.3 mm/m以下。

6　仿真计算结果及分析

利用列车-有砟轨道-CRTSⅠ型双块式无砟轨道过渡段动力学模型进行分析计算，得到行车速度为300 km/h，在有、无道砟粘结措施的情形下，列车通过轨道过渡段时的钢轨挠度、钢轨挠度变化率分别如图3、图4所示。

图3　列车通过轨道过渡段时的钢轨挠度

图4　列车通过轨道过渡段时的钢轨挠度变化率

有道砟粘结措施时，有砟轨道与无砟轨道过渡段处钢轨挠度变化率最大值为0.07 mm/m，无道砟粘结措施时，钢轨挠度变化率最大值为0.15 mm/m，两者均满足＜0.3 mm/m的限值要求。

7　结论

本文通过建立列车-有砟轨道-CRTSⅠ型双块式无砟轨道过渡段动力学模型，分析计算了行车速度为300 km/h，有、无道砟粘结措施的情形下，CRH3动车通过轨道过渡段时的轮轨动力响应，得到结论如下：

1）列车通过轨道过渡段时，无道砟粘结措施时钢轨挠度变化率明显大于有道砟粘结措施时。

2）有道砟粘结措施时，钢轨挠度变化率最大值为0.07 mm/m，无道砟粘结措施时，钢轨挠度变化率最大值为0.15 mm/m，两者均满足＜0.3 mm/m的限值要求。

3）从动力学角度考虑，有、无道砟粘结措施，均可保证CRH3动车以300 km/h安全通过，因此大西高铁有砟无砟过渡段不采用道砟粘结措施能够满足行车安全。

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Optimization Design Study on Transition Section Between Ballast Track and Ballastless Track of High Speed Railway

GAO Zhiguo
（The 3rd Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China）

T aking the transition section between the ballast track and CRT SⅠdouble-block ballastless track of Datong-Xi'an high speed railway as the research object，the dynamic performance simulate calculation of track transition section was carried out，the wheel/rail dynamic response results of transition section with ballast glue measures or not were analyzed by considering the rail deflection change rate as the evaluation index，and whether the ballast glue measures should be canceled or not was discussed from the perspective of dynamics.

High speed railway；T ransition section between the ballast track and ballastless track；Ballast glue；Rail deflection change rate

U213.2+41

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.29

1003-1995（2016）09-0118-03

（责任审编孟庆伶）

2016-02-26；

2016-06-15

高志国（1986—），男，工程师，硕士。