160 km/h梯形轨枕轨道安全性、平稳性及轮轨振动特性在线实测

曾向荣，高志升，徐飞虎，孙国杰

（安境迩（上海）科技有限公司，上海 200030）

1 技术背景

我国城市轨道交通的大规模建设及运营已有10多年，80～100 km/h速度级轨道减振技术的应用已十分成熟，经验丰富。但近年来越来越多在建线及规划线路开始采用120～160 km/h速度级设计标准，这一速度等级的减振轨道技术应用很少，缺乏足够的研究及试验。

设计速度提高后，轨道减振技术面临的主要问题在于使矛盾如何达到最佳平衡状态：一方面对轨道平顺性及动态变形的要求有所提高，另一方面轨道减振又不得不降低轨道支承刚度，相应地削弱了轨道结构的约束。

设计速度提高后，轨道减振的安全性、平稳性及可靠性比对减振效果更受关注。

梯形轨枕作为一项技术成熟、应用广泛的高等减振轨道技术，早在10余年前就有高速线路适应性相关理论研究，研究结果表明梯形轨枕可适应最高360 km/h线路的应用技术要求[1]，但缺乏在线实际铺设及测试验证。

2 梯形轨枕及其应用概述

梯形轨枕最早起源19世纪，在欧洲、苏联、美国等均有研究和应用，20世纪中后期在日本经过不断发展，形成目前的梯形结构型式（见图1）。

图1 梯形轨枕结构型式的演变Fig. 1 The evolution of the ladder-sleeper structure

梯形轨枕是由左右两块预制预应力混凝土纵梁及其连接钢管、减振垫及缓冲垫组成的一种框架式轨道结构（见图2），减振垫为梯形轨枕提供垂向弹性，缓冲垫为梯形轨枕提供侧面限位及缓冲，纵梁两侧各设一个限位凸台以防止梯形轨枕沿线路纵向爬行。梯形轨枕主要通过以下三个方面机理实现良好的减振效果（见图3）。

1）预制框架结构提供高精度轨道几何状态及高平顺性，维持较低的轮轨振动水平。

2）纵梁与减振垫组成质量—弹簧隔振系统，有效消减振动能量。

图2 梯形轨枕结构Fig. 2 Structure of the ladder-sleeper

图3 梯形轨枕减振特性曲线Fig. 3 Vibration damping characteristic curve of the ladder-sleeper

3）预应力纵梁与钢轨形成双弹性叠合梁，可增大轨道抗弯刚度，扩大轮轨力分布范围，降低基底轮轨动态力的峰值和变化幅度，进一步降低振动水平。

梯形轨枕在2005年引入国内后，根据国内城市轨道交通工程条件和技术要求进行了全面优化，在北京、上海、广州等20多个城市地铁工程中作为高等减振措施已铺设300 km，应用的最高设计速度为120 km/h，包括上海地铁16号线、东莞城市快轨R2线、青岛蓝色硅谷线等（见图4）。经过各种工程条件下多年的应用总结，建设部已颁布了相关的产品技术条件及施工质量验收规范[4-5]。

图4 梯形轨枕在国内的部分应用案例Fig. 4 Domestic application cases of the ladder-sleeper

3 测试方案[6]

3.1 测试线路条件

测试场地选在铁道科学研究院国家铁道试验中心国铁大环线（见图5），线路主要技术标准如下：

图5 铁科院环行试验线线路及既有有砟轨道Fig. 5 Loop test line of CARS and its existing ballast track

1）曲线半径R=1 432 m；纵坡i=0‰；

2）超高h=125 mm，对应平衡速度123 km/h；

3）60 kg/m钢轨；无缝线路；有砟轨道。

3.2 测试列车及速度等级

测试列车为8辆编组160 km/h动力集中电动车组，其配置为：动力车（轴重19.5 t/轴距2.8 m）+7辆非动力车（轴重 14 t/轴距 2.6 m）+仪器车（轴重15.25 t/轴距 2.6 m）。

测试速度级包括 100、120、140、160 km/h，实际最高测试速度 165 km/h，相应未平衡离心加速度0.66 m/s2。每一速度级采集5趟列车通过的数据并取平均，100 km/h及120 km/h主要考虑与该速度级已开通线路运行状态对照，140 km/h及160 km/h则主要是对速度提高后的运行状态及变化趋势进行考察及分析。

3.3 梯形轨枕测试段及对比测试断面轨道结构

共设二段梯形轨枕测试段，长度各180 m，二段主要区别是梯形轨枕厚度及扣件类型（见图6）：

图6 测试段梯形轨枕无砟轨道断面Fig. 6 Cross section of the ladder-sleeper track in test section

1）梯形轨枕厚0.17 m，采用WJ-2A型小阻力扣件，这一配置通常用于高架线。

2）梯形轨枕厚0.22 m，采用ω弹条分开式扣件，这一配置通常用于地下线。

对比测试断面为既有有砟轨道结构，采用国铁定型的弹条Ⅱ型扣件及新Ⅱ型预应力枕。

3.4 测试内容及评判标准

测试内容包括轨道安全性、轨道变形稳定性、车体平稳性、轮轨振动特性及梯形轨枕强度等，梯形轨枕轨道测得的结果一是与规范标准对比，二是与有砟轨道进行对比，三是不同速度条件下对比，具体测试指标及评判标准如下：

1）轨道安全性：测试指标包括脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力等3项，评判标准为《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB 5599—85）及《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》（TB/T 2360—93）。

2）轨道变形稳定性：测试指标包括钢轨及梯形轨枕的垂横向动态位移，目前并无针对160 km/h速度级的评判标准，故参考了适用于最高速度级350 km/h的《高速铁路工程动态验收技术规范》（TB 10716—2013）。

3）车体平稳性：测试指标为车体垂横向加速度，评判标准为《铁路线路维修规则》（铁运[2006]146号）。

4）轮轨振动特性：测试指标包括钢轨垂横向振动加速度，这一指标尚无针对性评判标准，主要通过梯形轨枕与有砟轨道以及梯形轨枕的枕中与枕端横向对比差异加以判断。

5）梯形轨枕强度：通过测试列车通过时梯形轨枕上下表面的最大应变，得到混凝土应力变化值，从而得知其叠加应力水平（见图7、图8）。评判标准为《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010），如表1所示。

图7 梯形轨枕轨道测试现场Fig. 7 Test site of the ladder-sleeper

图8 梯形轨枕轨道测点设置位置Fig. 8 Test position of the ladder-sleeper

表1 梯形轨枕测试项目及评判标准与限值[7-11]Tab. 1 Test list, evaluation standards and limit values

4 测试结果及分析

4.1 轨道安全性

由表2测试结果可知，梯形轨枕轨道的安全性良好。梯形轨枕轨道的脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力最大值均远小于限值，与既有有砟轨道比较接近，对速度的变化不敏感。

表2 各测试断面安全性指标测试最大值Tab. 2 Maximum test value of the safety index in each test section

4.2 轨道变形稳定性

由表3测试结果可知，梯形轨枕轨道变形稳定性良好。两种梯形轨枕轨道的钢轨垂向动位移随着速度的提高呈增大的趋势，最大值分别小于无砟轨道限值、介于高速铁路无砟轨道限值2.0 mm与有砟轨道限值2.5 mm之间，这对于160 km/h速度级来说达到要求。另外，通过垂向位移的量级亦可大致估判其良好的减振效果。

表3 各测试断面轨道变形稳定性指标测试最大值Tab. 3 Maximum test value of the deformation stability index in each test section mm

两种梯形轨枕轨道的钢轨横向动位移最大值均低于高速铁路无砟轨道及有砟轨道的限值2.0 mm，但略大于既有有砟轨道，这主要是因为梯形轨枕采用的是分开式扣件，其钢轨横向偏转通常大于既有有砟轨道的不分开式扣件，钢轨横向动位移对速度变化不敏感。

梯形轨枕横向动位移最大值低于高速铁路无砟轨道板限值1.0 mm及有砟轨枕限值2.0 mm。

4.3 车体平稳性

车体加速度是通过设在动车组司机室地板上的专用检查仪测试。由表4可知，动车组通过整个环行道的车体垂向加速度最大值0.11 g有2处，分别位于既有有砟轨道范围及170 mm梯形轨枕距过渡段5 m处，车体横向加速度最大值0.07 g有3处，均位于既有有砟轨道范围，上述车体垂横向加速度最大值均略超1级标准，状态良好；梯形轨枕轨道优于既有有砟轨道。

表4 整个环行道测得的车体垂横向加速度最大值Tab. 4 Maximum test value of the vertical and lateral acceleration of the vehicle around the whole loop test line

4.4 轮轨振动特性

从图9、图10测试结果看，梯形轨枕轨道的钢轨垂向振动加速度在25～1 250 Hz频段略大于普通有砟轨道，其余频段二者接近；梯形轨枕轨道的钢轨横向振动加速度与普通有砟轨道基本相当。梯形轨枕轨道的钢轨垂横向振动加速度未出现异常峰值，表明不会引起轮轨共振。

图9 160 km/h时各测试断面的外轨垂向加速度频谱Fig. 9 Vertical acceleration spectra of the outer rail of each test section at the speed of 160 km/h

图10 160 km/h时各测试断面的外轨横向加速度频谱Fig. 10 Transverse acceleration spectra of the outer rail of each test section at the speed of 160 km/h

从图11、图12看，梯形轨枕轨道的钢轨垂横向振动加速度随速度增加而略增，但增幅较小，表明梯形轨枕的速度稳定性良好。

图11 梯形轨枕轨道不同速度下外轨垂向加速度频谱Fig. 11 Vertical acceleration spectra of the ladder-sleeper at different speeds

图12 梯形轨枕轨道不同速度下外轨横向加速度频谱Fig. 12 Transverse acceleration spectra of the ladder-sleeper at different speeds

从图13看，梯形轨枕的枕中部与枕端部钢轨垂向振动及速度在各频段均十分接近，表明梯形轨枕的分块式布置对轮轨关系无不良影响。

图13 梯形轨枕的枕中与枕端外轨垂向加速度频谱Fig. 13 Vertical acceleration spectra of the outer rail at the middle and end of the ladder-sleeper

4.5 梯形轨枕强度

从表5测试结果看，两种梯形轨枕在轴重19.5 t动力车通过时，220 mm梯形轨枕的应力变化值小于170 mm梯形轨枕，应力最大变化值均不超过2 MPa，考虑到梯形轨枕截面由预应力钢绞线产生的混凝土法向应力约为–7 MPa，与列车通过时的应力变化值叠加后的组合应力约[–5，–9]MPa，表明梯形轨枕强度具有很大的富余量，可完全满足160 km/h速度级的强度要求。

表5 测试车通过时两种梯形轨枕的应力最大变化值Tab. 5 Maximum stress changes in the two types of ladder-sleepers when the test train is passing MPa

5 结论

梯形轨枕轨道在铁道科学研究院国家铁道试验中心R1432m曲线环行道上100～160（165）km/h速度条件下的实测结果表明，轨道安全性、轨道变形稳定性、车体平稳性及轮轨振动特性等各项指标良好，满足160 km/h速度级线路相关规范标准的要求，可为该速度级的轨道减振技术提供借鉴与参考，具体结论如下：

1）轨道安全性方面，梯形轨枕轨道的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力低于规范限值较多，与既有有砟轨道一致，对速度变化不敏感，仅轮重减载率随未平衡超高增加而略有增加。

2）轨道变形稳定性方面，梯形轨枕轨道的钢轨横向动位移低于规范限值，略大于既有有砟轨道，主要是梯形轨枕采用了分开式扣件所致，钢轨横向动位移对速度变化不敏感；梯形轨枕轨道的钢轨垂向动位移介于高速铁路无砟轨道与有砟轨道限值之间，钢轨垂向动位移的量级表明梯形轨枕的减振效果良好；梯形轨枕垂横向动位移介于高速铁路无砟轨道板与有砟轨枕的限值之间，对160 km/h速度级而言，完全可接受。

3）车体平稳性方面，梯形轨枕轨道仅邻近过渡段的个别点，160 km/h时的车体垂横向加速度略超规范中的Ⅰ级标准，梯形轨枕轨道优于既有有砟轨道。

4）轮轨振动特性方面，梯形轨枕轨道的钢轨垂向振动加速度部分频段略大于既有有砟轨道，基本属于离散分布范围，钢轨横向振动加速度与既有有砟轨道一致；梯形轨枕轨道的钢轨垂横向振动加速度在整个频段未出现异常峰值，表明不会引起轮轨异常共振；梯形轨枕的枕中与枕端钢轨垂横向振动加速度基本一致，表明梯形轨枕的分块式布置对轮轨关系无不良影响。

5）梯形轨枕强度方面，列车通过时的应力变化值与预应力钢绞线施加的混凝土法向应力叠加后的组合应力远低于规范限值要求，表明梯形轨枕强度具有很大富余量。