高速铁路共振问题相关标准研究

周勇政

(中国铁路经济规划研究院,北京 100038)

目前，我国已初步建成世界范围内路网覆盖面积最大、科技攻关难题最多、地质条件最为复杂的高速铁路路网，通车里程达到2.2万km，建成了较为系统完善的高速铁路技术标准体系。

高速列车运行时，当激振频率与其作用的结构固有频率接近或相同时，相互间产生的振动即为共振。在持续的共振频率作用，而结构的阻力又不足以消耗相互激励的能量时，结构的振动是不稳定的，振动幅度将越来越大，直至损坏。

1 我国高速铁路共振分类及研究现状

高速铁路共振按结构质量、作用位置等可分为车桥系统、轮轨系统、弓网系统及其他部件等几个相对独立的系统，多年来原铁道部及铁路总公司立项开展了多项科研课题，较为全面地研究了高速铁路系统共振相关问题。

1.1 车桥系统

列车移动荷载对桥梁的竖向激振频率fl主要取决于车速v(m/s)和车长Lv(m)[1]。即：激振频率=速度/车长。轴距、定距、两车相邻转向架的中心距由于重复作用不连续，相对处于次要地位。列车以时速250～350 km运行时，其激振频率的范围为2.20～3.85 Hz。中国铁道科学研究院依托相关科研，提出了梁体不需进行车桥耦合动力分析的基频限值[2]。同时，为确保设计速度范围内动车组的运行品质，高速铁路常用跨度桥梁在动力性能仿真分析时均按照1.2倍设计速度进行，这与欧洲、国际铁路联盟做法也是一致的[3，4]。

1.2 弓网系统

影响弓网系统共振的因素主要包括接触网固有频率、列车运行速度、受电弓数量及间距、结构阻尼等。通过研究得出：线路最高行车速度应控制在接触线波动传播速度的70%以下，或接触线的波动传播速度不应小于线路最高行车速度的1.4倍[5]。上述结论通过了动态仿真评估和1.0～1.1倍线路最高行车速度的动态检测验证。

1.3 轮轨系统

高铁共振在轮轨系统方面主要存在构架横向异常振动、车体失稳和车轮多边形等问题。其中构架横向报警的主要原因是车轮磨耗与钢轨磨耗造成的轮轨匹配等效锥度过大，通过钢轨打磨[6]、优化踏面设计、提高车轮镟修质量、优化钢轨廓形等措施解决；车体失稳主要由于镟修后车轮与钢轨匹配等效锥度过低或轮轨异常激扰引起，通过轮轨廓形优化、动车组悬挂参数优化可以缓解；车轮多边形会引起轮轨间的高频振动，降低动车组部件和轨道构件的寿命，可通过优化镟床镟修工艺、提高车轮硬度、调整车辆与线路频率区间等措施解决。

1.4 其他部件

京沪高铁、京津城际、武广高铁等陆续发现300-1型轨道扣件弹条断裂现象[7]，通过现场动力学性能测试和分析得出，钢轨波磨和车轮多边形磨耗产生的高频激振频率与弹条的固有频率(500～650 Hz)接近，产生共振，弹条出现疲劳伤损甚至断裂。针对该问题，一方面通过采取适当措施控制钢轨波磨和动车组车轮多边形磨耗，另一方面调整扣件弹条固有频率，使其远离激振频率，避免产生共振条件。

2 我国高速铁路建设标准主要规定

我国在相关标准编制时，对高速铁路系统耦合振动高度重视，提出了明确要求。

2.1 《高速铁路设计规范》(TB10621—2014)[8]

第3章“总体设计”3.1.4条，高速铁路车、线、桥(或路基、隧道)、弓网等基础设计的动力性能，应满足行车安全性和乘坐舒适度的要求。

第7章“桥涵”中，7.3节“结构变形、变位与自振频率的限值”，明确了桥梁结构动力性能要求。

第11章“电力牵引供电”中，11.5节“接触网”明确要求“高速接触网的系统设计应进行接触网-受电弓系统的高速运行动态性能的仿真评估”，并提出了具体评估标准。

2.2 《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB10761—2013)[9]

第3章“基本规定”中，规定了要对轨道几何状态、车辆动力学响应、路基、桥梁、隧道、牵引供电等进行综合检测，验证工程的主要功能和性能是否满足相关技术标准和实际运营列车的运行稳定性、平稳性要求。

第6章“桥梁”中，明确了桥梁动态验收时的检测参数、指标、数据处理等要求。

第8章“电力牵引供电”中，8.2节“接触网”明确了接触网动态验收时的检测项目、指标、方法以及数据处理等要求。

2.3 其他规范[10-11]

铁路桥涵、电力牵引供电等专业设计规范均有类似要求。

2.4 标准设计(通用参考图)

2.4.1 桥梁通用图设计情况

时速350 km高速铁路常用跨度简支箱梁通用图设计中，预制梁的梁体刚度(梁端转角控制)、基频和残余徐变拱度的设计参数与规范参数比值分别为53%、101%～108%和59%～62%；现浇梁相应的三者比值分别为70%、106%～114%和71%～73%。即与梁体刚度、残余徐变上拱限值相比，梁体基频限值控制梁体的设计[12]，即：梁体基频限值为控制指标。

目前实际设计中，一般按照最大二期恒载条件下梁体基频与规范值基本相当原则进行考虑[13]，各梁型自振频率均满足规范要求，如32 m简支箱梁理论计算自振频率为4.78～5.32 Hz，大于规范中4.67 Hz的要求。而工程中由于实际弹性模量均高于理论值，实测梁体结构基频均在6.0 Hz以上[14]，高于设计值。

同时，常用跨度简支箱梁设计时，动力检算速度分为250～350 km/h和375～420 km/h两个速度段，计算用车型包括德国ICE、法国TGV、日本500系、国产高速车，简支箱梁跨中竖、横向振动加速度均满足要求，跨中横向振幅均满足桥检规安全限值；在250～350 km/h范围乘坐舒适度均达到良好以上，在375～420 km/h范围乘坐舒适度达到合格以上；所有工况的车体加速度均合格[15]。

2.4.2 接触网通用图设计情况

《时速350 km高速铁路接触悬挂安装图(隧道外)》(通化[2016]1302)通用参考图采用全补偿弹性链形悬挂，铜合金接触线张力≥28.5 kN，线密度13.5N/m。张力30 kN的接触线波动传播速度为536.7 km/h，列车运行时速350 km约为接触线波动传播速度的65.2%<70%，满足规范要求。

3 国外高速铁路共振研究和标准相关情况

通过对国外高速铁路共振研究和标准相关规定的初步调研，可得以下主要结论。

3.1 车桥方面

3.1.1欧盟规范(EN1991-2：2003)[16]

欧盟规范规定了动力分析可按实际运营荷载及相关参数进行，并明确了动力分析的流程、检算内容以及不同跨度、不同桥梁恒载条件下不需要进行动力检算桥梁的最小基频限值。为设计方便，欧盟规范规定了跨度在40 m以下的简支梁不需进行动力检算的“激振波长v/no”(v为车速；no为简支梁竖向自振频率)最大限值。

3.1.2德国规范(DS804)[17]

德国新版规范DS804在大量车桥动力仿真的基础上，制订了设计查询表格，根据桥梁质量、跨度、阻尼比、运行速度、抗弯刚度等选择设计荷载及效应。

3.1.3日本规范[18]

日本在进行大量的“车-线-桥”动力计算分析和试验的基础上，根据不同车辆类型制定了动力系数查询图。

3.2 弓网方面

3.2.1 欧盟规范

欧盟及其各国要求按EN50119[19]，通过计算机仿真模拟，对高铁弓网系统的动态特性进行评估。仿真方法按《受电弓与接触网间动态交互作用的模拟》EN 50318：2002[20]，弓网动态验证则按《弓网动态检测的要求与评估》EN50317：2012[21]。

3.2.2 日本规范

日本《接触网与受电弓特性》(铁道综合技术研究所)[22]与欧盟标准相近。

3.3 轮轨方面

构架横向报警、车体失稳的根本原因是轮轨接触及轮轨匹配等效锥度的问题。轮轨匹配等效锥度作为评价指标可以提高动车组运行的稳定性，国际铁路联盟和欧洲TSI已经制定有等效锥度评判指标，确定了不同速度等级下的等效锥度设计值[23]。

调研发现，德国ICE系列的车轮镟修周期为30～40万km，日本各系列的车轮镟修周期为20～30万km，法国TGV系列的车轮镟修周期为25～35万km，略高于我国15～30万km的车轮镟修周期。

4 国内外相关标准规定对比

4.1 车桥系统方面

我国《高速铁路设计规范》(TB10621—2014)提出了不需进行动力分析的简支梁自振频率限值。对于时速350 km的32 m简支箱梁，自振频率限值为4.67 Hz，而欧盟限值为5.07 Hz，日本限值为4.60 Hz[2]。

4.2 弓网系统方面

欧盟及其各国、日本等接触网-受电弓系统波动传播理论、规范与我国类似。

4.3 轮轨系统方面

我国暂无轮轨匹配等效锥度的管理规范。

5 试验验证

在高速铁路开通前的综合试验以及运营过程中，对车和基础设施动力性能进行了验证。

5.1 车桥系统

京沪高速铁路综合试验中，选取成区段等跨布置的简支梁桥，对动力性能控制效果进行了试验验证：(1)高速动车组行车在90孔等跨布置简支梁桥上脱轨系数和轮重减载率无明显变化，平稳性指标为优，如图1、图2所示；(2)高速动车组通过第1、2、3、21、22、23孔32 m简支梁桥时的梁体竖向振动响应基本一致。试验表明梁体未发生共振现象。

图1 脱轨系数测试结果

图2 轮重减载率测试结果

5.2 弓网系统

武广等高速铁路综合试验中，对全部正线弓网动态性能均进行了试验验证。试验表明性能良好，弓网未发生共振现象。

5.3 轮轨系统

针对部分高铁运营中出现的构架横向变形和车体失稳等情况，研究采取了一系列措施。通过武广、京津、京沪、哈大、兰新等高速铁路实测，采取措施以后相关问题得到了较好的控制[24]。

5.4 其他部件

2015年8月，贵广高铁钢轨出现波磨现象，部分扣件弹条断裂，测试表明激振频率为488 Hz和566 Hz。同期动车组车轮存在24边形磨耗，时速245 km，产生高频激振频率612 Hz。同区段铺设的WJ-8型扣件，弹条固有频率为700～850 Hz，高频激振频率未接近WJ-8型扣件弹条的固有频率，弹条未发生断裂伤损。

6 结论

(1)目前我国高速铁路主要标准对共振相关问题进行了较为详细的规定，试验证明，依照这些规定，我国高速铁路共振系统中，车桥系统和弓网系统均不会产生共振现象，轮轨系统和其他部件在采取相关措施以后，也不会出现共振现象。

(2)结合国内外高速铁路主要标准中对共振相关问题规定的梳理，对比了各共振系统的主要指标。通过对比发现，我国与国外主要共振标准中，车桥系统和弓网系统的有关规定大体相当，在轮轨系统方面我国缺少相关管理标准。

7 建议

通过对我国高速铁路共振问题相关标准的研究，建议如下。

7.1 标准仍需完善

我国已建立基本完善的高速铁路规范标准体系，为高速铁路建设和运营提供了强有力的技术支撑。但随着高速铁路的快速发展，发现仍缺少部分标准，如缺少等效锥度的管理规范等。

7.2 基础理论研究尚需深化

高速铁路建设初期，我们就研究了高速铁路系统共振相关问题，但多是在德国、日本等国研究成果基础上开展的，基础理论研究仍不足。如桥梁设计标准中采用包络的动力系统，而日本采用近似运营列车的N、P、H活载图式和运营动力系数进行结构的设计，经济性更优。国内外高铁接触网共振理论“列车运行速度应控制在接触线波动传播速度的70%以下”是基于非主动控制受电弓，采用电脑控制的主动控制受电弓后，对接触线的激振源发生较大变化，需进一步研究。

7.3 系统配套研究需进一步加强

高速铁路建设与运营中，很多研究是针对遇到的问题开展的，系统性的、综合性的研究不足。如轨道结构及部件预防产生共振的技术措施，包括不同轨道结构、动车组的固有振动特性以及轮轨间的固有耦合振动特性，钢轨波磨和动车组车轮多边形磨耗产生的机理等，需系统总结梳理。