桥上复合轨枕无砟轨道垂向动力性能研究

沈毓婷,闫 雪,耿 浩

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

无砟轨道提高行车平稳性与舒适性，减少维修工作量，在高速铁路与客运专线上优势明显。无砟轨道弹性主要由扣件提供，对扣件性能要求较高；混凝土枕密度较大，提高了下部基础修建控制标准。复合轨枕是以废旧塑料等复合高分子材料为主料，加入玻璃纤维等增强材料并辅以化学添加剂制成的一种新型轨枕。复合轨枕施工操作简单，易于养护维修，较混凝土枕弹性好、质量轻，较木枕强度高、耐久性好、匀质环保。分析复合轨枕无砟轨道的垂向动力性能，对于在保证行车安全性的基础上减少振动、降低对下部结构的影响具有重要意义。

国内外学者针对复合轨枕材料性能及其轨道应用方面开展了一些研究。材料性能方面，RM Bajracharya[1]等采用不同比例聚乙烯与聚丙烯制成再生复合材料，测得试验强度与弹性模量，证明其性能类似木材，探讨了这种环保材料应用的巨大前景。通过进一步加入玻璃纤维与相关化学添加剂[2]进行对比试验，研究不同温度与紫外线照射环境下的性能差异，发现玻璃纤维的加入能改善再生复合材料性能，证明这种复合材料适用于土木工程应用。陈玉霄等[3]针对新型轨枕复合材料开展制备工艺、材料组分与结构设计优选、材料性能三部分实验研究，根据各实验最优解确定符合性能要求的新型轨枕复合材料组分及其性能参数。轨道应用方面，日本率先研究并广泛使用FFU合成轨枕，目前我国在一些地铁线路上也尝试铺设[4]。Rodrigues C等[5]研究再生复合材料在重载铁路上的应用，探讨了其对生产、环境及效益的作用。Richard Lampo等[6]测定了复合轨枕极限强度、弹性模量以及螺纹道钉的抗拔力，并且分析了引起轨道安全问题的潜在因素。P.V.Vijay等[7]通过静荷载与疲劳试验，发现加入玻璃纤维增强材料的复合轨枕具有极低的诱导应变与高耐久性，并且通过有砟轨道现场试验探讨了复合轨枕的应变值与曲线半径以及行车速度的关系。Rama Kant Gupta等[8]指出复合轨枕相对于木枕的优越性，根据室内试验结果分析了复合轨枕在静态荷载、冲击荷载以及疲劳荷载作用下的性能。在有砟轨道段进行现场试验，测试了复合轨枕的轨距保持能力以及行车舒适性。段海滨[9]研究了复合轨枕有砟轨道垂向动力特性，并以道床厚度、扣件刚度以及轨枕间距作为影响参数，对复合轨枕有砟轨道结构进行优化。国外复合轨枕主要在重载有砟轨道上使用，国内尚未找到复合轨枕无砟轨道垂向耦合动力性能研究的文献。

为分析复合轨枕无砟轨道结构动力特性，通过建立复合轨枕无砟轨道的车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型，研究车辆、钢轨、道床板与桥梁的动力学响应，为其应用提供理论依据。

1 桥上复合轨枕无砟轨道结构

复合轨枕无砟轨道将预制的钢轨与复合轨枕组成轨排，与现场浇筑混凝土道床板形成整体，轨道结构如图1所示。桥上复合轨枕无砟轨道结构主要由CH60钢轨、弹条Ⅱ分开式扣件、复合轨枕、道床板、基础支撑层等组成，道床板采用分块的单元板，板之间设伸缩缝。

图1 复合轨枕无砟轨道结构示意

2 计算模型与参数

2.1 桥上复合轨枕无砟轨道模型

根据桥上复合轨枕无砟轨道结构，采用如图2所示的力学模型。钢轨以Timoshenko梁模拟，扣件系统以线性弹性阻尼单元模拟，复合轨枕以点支承梁模拟。为了简化模型，节约计算时间，并考虑结构横向尺寸的影响，道床板与桥梁简化为板。

图2 桥上复合轨枕无砟轨道力学模型

桥上复合轨枕有限元计算模型如图3所示，考虑边界效应，桥梁为5跨32 m简支箱梁，取第三跨梁的计算结果进行分析，选取3块道床板作为研究对象，每块板上设置10块轨枕，并分析位于中间的道床板，结合实际情况对模型设置约束条件。钢纵梁两端节点除竖向外全约束，由于施加垂向动载，因此对扣件与钢纵梁横向进行约束，钢纵梁其余节点横向、绕纵向与垂向转动自由度约束，轨枕纵向、绕横向与垂向转动自由度约束，道床板板边为自由边界，基础均布支承弹簧底部全约束。

图3 有限元计算模型

2.2 车辆模型

对于车辆模型，可将其模拟成一个由车体、转向架、轮对等基本部件通过一系、二系悬挂刚度与阻尼联结组成的多刚体系统。该车辆系统可完整地反映车体质量及点头惯量、前后转向架质量及点头惯量、各轮对质量，以及一系悬挂刚度与阻尼、二系悬挂刚度与阻尼。车辆系统只考虑各刚体的垂向振动，车体、前后转向架考虑沉浮与点头运动，轮对考虑沉浮运动，总共10个自由度，车辆模型如图4所示。

图4 车辆模型

2.3 轮轨接触与轨道不平顺

车辆与轨道子系统间的垂向耦合通过轮轨接触界面实现，考虑赫兹线性接触[10-12]，轨道不平顺激励选取符合实际车辆运行条件的德国高速低干扰谱。

2.4 模型参数

(1)轨道参数

根据相关规范与资料，拟定桥上复合轨枕无砟轨道主要计算参数如表1所示。

表1 桥上复合轨枕无砟轨道模型计算参数

(2)车辆参数

车辆拟采用CRH2型电力动车组，计算参数如表2所示。

表2 CRH2型客车模型计算参数

3 动力响应分析

建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型，分析车辆运行速度为250 km/h时，车辆、轨道结构、下部基础以及轮轨系统动力响应，以国内桥上采用较多的双块式无砟轨道动力响应[13]作为对比。

3.1 车辆动力响应

车辆在桥上复合轨枕与双块式轨枕无砟轨道上的垂向加速度曲线如图5所示，对比可知两种轨枕型式轨道结构的车辆加速度时程变化规律基本相同。复合轨枕支承条件下车辆垂向加速度峰值为0.019 m/s2，双块式轨枕支承条件下车辆垂向加速度峰值为0.017 m/s2，复合轨枕轨道结构略微增大车体振动。车体振动加速度直接反映了评价车辆运行平稳性与旅客乘坐舒适度，《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》中规定，车辆竖向振动加速度不大于0.13g[14]，因此在桥上铺设复合轨枕无砟轨道满足平稳性与舒适性的要求。

图5 车辆垂向加速度

3.2 轮轨系统动力响应

桥上复合轨枕与双块式轨枕无砟轨道轮轨垂向力曲线如图6所示，对比看出两种轨枕型式轨道结构的轮轨垂向力时程变化规律也基本相同。相应的轮轨垂向力最大值分别为108 kN与102 kN，复合轨枕支承条件下，轮轨垂向力峰值较普通支承条件增大5.9%。轮轨垂向力是衡量车辆对轨道垂向动态作用的重要指标，我国《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》(95J01—L)中规定，动力车通过桥梁时，导向轮对每个车轮作用于轨道的垂向力峰值极限值为170 kN[15]，因此，在桥上铺设复合轨枕无砟轨道一定程度增大车辆与轨道的相互作用影响，但仍满足规范要求。桥上复合轨枕与双块式轨枕无砟轨道轮轨垂向力最小值分别为37 kN与38 kN，轮重减载率分别为0.58与0.49。控制轮重减载率大小对预防车辆脱轨，提高车辆运行安全性具有重要意义。结合相关规范[14-16]以及国内外采用的动态轮重减载率限值，本文拟定限值为0.8。因此车辆通过桥上复合轨枕无砟轨道地段，会产生较普通无砟轨道明显的瞬态轮重减载现象，但仍满足安全性要求。

图6 轮轨垂向力

3.3 轨道系统动力响应

桥上复合轨枕与双块式轨枕无砟轨道钢轨垂向加速度与位移曲线如图7、图8所示。由图7、图8可知，复合轨枕支承条件下钢轨垂向加速度与位移峰值分别为491 m/s2与1.75 mm，双块式轨枕支承条件下钢轨垂向加速度与位移峰值分别为517 m/s2与1.06 mm。复合轨枕支承钢轨垂向加速度峰值较双块式轨枕支承钢轨减小5%。考虑整个时域曲线，在桥上铺设复合轨枕无砟轨道在一定程度上增大钢轨振动，但影响较小。根据国内外钢轨垂向变形限值，本文拟定限值为2 mm，在桥上铺设复合轨枕无砟轨道满足动态变形要求。由于复合轨枕对增大轨道上部结构动力响应有一定影响，在今后运营和养护过程中，应重视钢轨振动和变形方面的监测检查工作。

图7 钢轨垂向加速度

图8 钢轨垂向位移

桥上复合轨枕与双块式轨枕无砟轨道道床板垂向加速度与位移曲线如图9、图10所示。由图9、图10可知，道床板垂向加速度峰值分别为2.0 m/s2与2.37 m/s2，道床板垂向位移曲线基本重合，峰值均为0.27 mm。对比图7、图9可知，随着结构动力传递，道床板垂向振动加速度明显减小，减幅为15.6%。从图8、图10道床板垂向位移的变化规律也可以看出，复合轨枕具有减小荷载传递，降低轨道下部结构位移的作用。

图9 道床板垂向加速度

图10 道床板垂向位移

3.4 桥梁动力响应

桥梁在复合轨枕与双块式轨枕无砟轨道下的动力响应曲线如图11、图12所示。双块式轨枕支承条件下桥梁垂向加速度峰值为0.36 m/s2，复合轨枕支承条件下桥梁垂向加速度峰值为0.33 m/s2，减幅为8.3%。道床板垂向位移峰值差异很小，均为0.27 mm。铺设复合轨枕能减小桥梁振动，降低对下部基础的影响。

图11 桥梁垂向加速度

图12 桥梁垂向位移

4 结论

基于桥上复合轨枕无砟轨道结构，建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型，以双块式轨枕作为对比，分析列车荷载作用下车辆、轮轨系统、轨道结构以及桥梁的动力响应，得到以下结论。

(1)车辆高速行驶条件下，采用桥上复合轨枕无砟轨道满足现有规范要求，可以确保车辆运行安全性、平稳性以及旅客乘坐舒适性。

(2)铺设复合轨枕较普通轨枕会略微增大车体、轮轨系统以及轨道上部结构的振动和变形，但影响不大。在实际应用过程中，可以加强这些方面的检测和养护工作。

(3)复合轨枕较混凝土枕具有较高的弹性和一定的阻尼，随着荷载向下传递，轨道下部结构和桥梁基础振动明显减小，说明桥上复合轨枕无砟轨道在满足基本使用要求的同时具有一定减振作用。