双块式无砟轨道轨枕伤损对轨道结构性能的影响

易强 尤瑞林 姜子清 刘浩

1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道系统全国重点实验室， 北京 100081

我国高速铁路快速发展，轨道结构普遍采用的是高平顺性、高稳定性的无砟轨道结构。双块式无砟轨道整体性好，成本相对较低，在我国高速铁路无砟轨道线路中广泛应用，如武广高铁、贵广高铁、合福高铁等［1］。双块式无砟轨道铺设范围广，运营条件复杂，遇到极端天气和突发灾害情况时，存在无砟道床被破坏甚至断道的风险，影响高速铁路的正常运营。目前，国内外对无砟轨道病害产生原因、影响及整治技术研究较多，但对极端天气和突发灾害引起的无砟道床伤损甚至断道的突发情况鲜有研究，相关应急抢修技术缺乏。

国内外学者对双块式无砟轨道典型伤损的产生机制及其静动力影响进行了广泛研究，包括道床板裂纹［2-5］、道床板离缝［6］、轨枕与道床板黏结失效、轨枕开裂［7-8］等病害，并考虑了温度［9］、基础变形［10］、水压力［11］等荷载条件。结果表明，道床板裂纹萌生后，混凝土应力与纵向钢筋应力增大，但对行车性能影响较弱；轨枕与道床板间离缝以及轨枕伤损会导致钢轨与道床板之间约束作用降低，列车荷载作用下局部支撑作用失效，轨道结构刚度发生突变，附加动力作用增强。针对无砟轨道钢轨局部约束系统失效问题，对弹条断裂以及轨下垫层失效情况下高速列车的脱轨安全性进行分析，发现小数量的轨下支撑连续失效即对高速列车运行安全构成极大威胁［12］。此外，扣件失效还会使相邻位置扣件受力条件恶化［13］。道床板与轨枕块层间伤损导致轨枕松动后，无砟轨道整体性降低，轨枕与道床振动位移与振动加速度增大，同时可导致道床板损伤的发展［14］。双块式无砟轨道中轨枕对于扣件系统稳定性保持具有重要作用，一旦轨枕伤损失效，必然影响无砟轨道服役性能。对于双块式无砟轨道轨枕伤损对结构服役性能影响研究尚不足，缺乏突发灾害条件下轨枕伤损评价指标。

为使双块式无砟轨道因水害、火灾、地震等突发灾害出现严重受损的情况下实现伤损程度快速评判、行车条件及时科学调整、伤损高效安全修复，本文开展轨枕伤损对双块式无砟轨道结构功能的影响研究，为伤损应急处置提供技术支撑。

1 伤损形式

根据不同灾害类型对双块式无砟轨道结构功能的影响分析，提出双块式轨枕、道床板、支承层/底座板等不同部位的伤损形式，包括：①突发火灾造成混凝土开裂、爆裂、强度下降、变形、钢筋裸露等；②突发水害伤损主要表现为道床板开裂、层间离缝、上拱、偏移等；③突发地震主要造成道床板和支承层开裂、断裂、错位、层间离缝等；④突发高温主要导致道床板上拱变形及支承层上拱斜裂；⑤撞击伤损主要为轨枕挡肩缺损和道床板缺损。不同类型突发灾害引起的无砟道床主要伤损类型见表1。典型轨枕伤损见图1。

图1 极端条件下双块式无砟轨道典型伤损

表1 突发灾害引发的双块式无砟轨道主要伤损形式

2 考虑轨枕失效的车辆-轨道耦合模型

突发轨枕伤损产生后，双块式无砟轨道的结构功能将产生改变。在双块式无砟轨道的主要伤损形式中，灾害导致的双块式无砟轨道扣件弹条断裂、弹性垫板失效、螺栓锚固失效或挡肩失效，会直接影响轨道结构安全服役性能。此类危害主要表现为钢轨约束减弱，轨道结构刚度不均匀性增大，引起局部位置轮轨相互作用增强，长期作用将使得轨道局部范围永久变形，从而对轨道结构服役性能和列车行车安全造成影响。

如图2所示，建立车辆-无砟轨道空间耦合动力学模型。模型中，车体考虑为多刚体，轨道结构考虑为弹性轨道。钢轨采用连续弹性离散点支承上的有限长Timoshenko 梁模型来模拟，扣件简化为离散的阻尼-弹簧体系，道床板和轨枕采用有限单元模型来模拟。轮轨接触模型采用Kik-Piotrowski 接触模型，假设轮轨法向接触应力通过接触区域的几何点满足接触条件求得，切向接触问题通过改进的FASTSIM 算法求解。

图2 车辆-轨道耦合动力学计算模型

轨道结构参数：采用CHN60钢轨；扣件纵向、横向以及横向刚度分别为kx= 10 kN/mm，ky= 100 kN/mm，kz= 25 kN/mm，扣件阻尼10 kN·s/m；模型长120 m，伤损位置在60 m处。

模型中，轨道不平顺采用德国高速铁路低干扰谱，列车速度取250 km/h。仿真分析扣件锚固性能失效（套管损坏或螺旋道钉损坏）以及挡肩失效对行车动力响应的影响，其中锚固性能失效采用扣件垂向刚度失效模拟，挡肩失效采用扣件横向刚度失效模拟。分析过程中，主要考虑四种工况，即无伤损、单个轨枕伤损、连续3 个轨枕伤损和连续4 个轨枕伤损。双块式无砟轨道局部失效模拟见图3。

图3 双块式无砟轨道局部失效模拟

3 仿真结果及分析

对比分析单侧扣件失效与双侧扣件同时失效对轮轨力影响的差异。连续4个扣件完全失效时轮轨力计算结果见图4。可知：在失效扣件个数相同的情况下，双侧同时失效导致的轮轨垂向力波动幅值更大，容易导致轮轨减载率超限；单侧和双侧扣件失效对轮轨力影响差异较小。因此，在直线地段分析中，按双侧扣件失效进行计算；对于曲线地段，由于横向力增加，按单侧与双侧失效分别考虑。

图4 单侧和双侧扣件失效对比

3.1 直线地段

3.1.1 扣件锚固性能失效

扣件锚固性能失效（垂向失效）情况下，轮轨力、安全性指标及钢轨振动响应变化曲线见图5。可知：①单个扣件锚固性能失效时，轮轨作用力和安全性指标所受影响较小，钢轨垂向位移和振动加速度略有增大；连续3个扣件锚固性能失效时，轮轨垂向力明显增大；连续4个扣件失效时，轮轨垂向分离，减载率超限。②从钢轨振动响应来看，单个扣件锚固失效时，钢轨垂向最大位移由1.1 mm 增至1.8 mm；连续3 个扣件失效时，钢轨垂向位移达到4.9 mm，超过TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》中2.0 mm 的限值要求；连续3个扣件失效时，钢轨垂向振动加速度显著增大，相对无伤损情况下增加约3倍。

3.1.2 扣件挡肩失效

扣件挡肩失效（横向失效）情况下，轮轨力及钢轨振动响应变化曲线见图6。可知：扣件挡肩失效对轮轨作用力的影响并不显著，对安全性指标也不会产生明显的影响；扣件挡肩失效主要导致钢轨横向变形及横向振动加速度增大，连续3 个扣件挡肩失效时钢轨横向位移由0.2 mm 增至0.6 mm，横向振动加速度增大约1倍。

图6 直线地段扣件挡肩失效时轮轨力及钢轨振动响应变化曲线

3.2 曲线地段

由于曲线地段存在超高，高速列车通过时轮轨横向力较直线地段有所增加，扣件所受横向作用力明显，因此，有必要分析曲线地段双块式轨枕伤损对无砟轨道动态服役性能的影响。设置缓和曲线长度为690 m，圆曲线半径7 km，超高150 mm，列车速度为250 km/h。由于轨枕挡肩失效对无砟轨道影响较小，因此曲线地段考虑局部轨枕作用完全失效，设置扣件失效个数为4个，分别考虑曲线内侧失效、曲线外侧失效以及双侧失效三个工况。计算结果见图7。

图7 曲线地段扣件失效时轮轨力及安全性指标变化曲线

由图7 可知：与直线地段相似，连续4 个扣件失效时，轮轨垂向发生分离，轮轨垂向力减至0，轮重减载率超过0.8 的限值；曲线内轨（外轨）扣件失效主要对内轨（外轨）的轮轨垂向力产生影响，导致失效一侧轮轨力波动明显增强；曲线地段轮轨横向力较大，扣件失效使得内外轨横向力波动均有所增加，但增幅不显著；当双侧扣件失效时，脱轨系数增至0.3。

综上，突发灾害导致的轨枕锚固性能及挡肩失效对无砟轨道结构功能及行车安全性的影响明显。双块式无砟轨道扣件的锚固性能连续失效个数不宜超过3 个。当连续3 个扣件锚固性能失效时，高速列车行车安全指标增大明显，轮重减载率容易超限。轨枕挡肩失效对轮轨系统动力响应影响较弱，但轨枕挡肩对于扣件系统稳定性保持具有重要作用。双块式轨枕挡肩失效时，长期轮轨荷载作用下，可导致扣件系统螺栓松动甚至退出，影响整个扣件系统的使用效果。因此，与扣件系统螺栓失效相同，扣件挡肩连续失效个数不宜超过3个。

4 结论

1）双块式无砟轨道轨枕锚固性能失效对列车行车性能影响较为明显。连续3 个锚固螺栓失效后，轮轨相互作用以及轨道结构振动响应显著增大。

2）轨枕挡肩失效对列车行车性能和轨道结构动力响应影响不明显。

3）曲线地段轨枕失效对轮轨垂向力、轮重减载率的影响与直线地段类似；曲线地段轮轨横向力较大，扣件失效使横向力增幅明显，因而对脱轨系数影响较为显著。

4）为保证双块式无砟轨道结构功能性及行车安全，突发灾害导致的轨枕锚固性能连续失效个数不宜超过3个；为保障扣件系统稳定性，轨枕挡肩连续失效个数也不宜超过3个。