京沪高铁济南黄河桥有砟无砟过渡段车线桥动力特性研究.docx

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京沪高铁济南黄河桥有砟无砟过渡段车线桥动力特性研究

京沪高铁济南黄河桥有砟-无砟过渡段车-线-桥动力特性研究*

摘　要：

京沪高铁济南黄河桥主桥上采用有砟轨道，引桥上采用CRTS I型板式无砟轨道，有砟-无砟过渡段分界点位于32 m简支箱梁梁端位置。

建立“无砟线路-4跨32 m无砟轨道线桥结构-4跨32 m有砟轨道线桥结构-有砟轨道”动力分析模型，通过车-线-桥垂向动力性能分析，考察不同轨道平顺状态、不同道床刚度以及不同车速下380AL动车组通过时的轨道结构和车辆运行品质。

结果表明，过渡段区域的刚度变化引起了轮轨之间的冲击，道床刚度增大对车体加速度无明显影响，但会引起构架加速度和轴箱加速度的增大，且随车速提高影响更为显著。

关键词：

有砟轨道； 无砟轨道; 有砟-无砟过渡段； 道床刚度； 不平顺； 行车安全性； 轴箱加速度

京沪高速铁路最高设计时速350 km/h，为确保列车在高速运营条件下的高稳定性、高舒适性、高安全性，正线原则上采用无砟轨道，特殊工点地段采用有砟轨道，无砟轨道与有砟轨道之间设置过渡段。

济南黄河桥主桥铺设有砟轨道，引桥部分区域铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道，过渡段设于引桥32 m简支梁梁端。

为考察桥上有砟-无砟过渡段的动力性能，建立了“无砟线路-4跨32 m无砟轨道线桥结构-4跨32 m有砟轨道线桥结构-有砟轨道”动力分析模型，通过车-线-桥垂向动力性能分析，考察了不同轨道平顺状态、不同道床刚度以及不同车速下380AL动车组通过时的轨道结构和车辆动力响应，并对过渡段附近区域的列车运行品质进行了评估。

1　分析模型

列车、轨道、桥梁之间的相互耦合通过轮轨相互作用和桥轨相互作用传递，其中轮轨力取决于轮轨之间的几何约束条件和振动状况。

在行车条件下，有砟-无砟过渡段区域内可能产生的轨面位移差将形成短波附加不平顺，在高速通过时对行车安全性将产生不利影响[1]。

1.1　轨道动力分析模型

桥上有砟轨道结构一般由钢轨、轨下胶垫、扣件、轨枕、道床等组成。

桥上有砟线路模型中，依据其结构特点，将钢轨视为由轨下胶垫提供离散点支承的无限长等截面Euler梁，有砟轨道的轨枕视为具有质量的刚性体，在正常使用阶段，轨枕与钢轨之间、轨枕与桥面之间可不考虑非线性因素，采用线性弹簧和黏性阻尼相连接。

钢轨与轨枕间的弹性和阻尼反映轨下胶垫的动力学特性，轨枕与桥面之间的弹性和阻尼则反映枕下胶垫及道床的动力学特性。

由于道床之下并非路基而是桥梁，道床与桥梁之间的连接刚度与阻尼难以确定，因此将道床的弹性与阻尼特性在模型中加以考虑，但其质量则并入桥梁的二期恒载，即认为其振动响应与桥梁一致。

在高速铁路采用的无砟轨道结构中，预制结构、道床板和底座板由混凝土材料制作，调整层一般为混凝土、沥青混合材料，能提供的弹性都有限，轨道弹性主要由扣件提供。

因此，为提高运算效率，同时为了避免相邻层间弹簧刚度差异过大导致的计算精度降低，无砟轨道线路模型采用单层弹性支承结构，即钢轨通过线性弹簧和黏性阻尼与桥面连接，轨道结构其余部分的质量则作为桥梁质量的一部分计入，过渡段示意见图1。

1-垫板刚度35 kN/mm，道砟全部胶接；2-垫板刚度45 kN/mm，底砟和砟肩胶接，轨枕盒内道砟不胶接；3-垫板刚度60 kN/mm，仅底砟胶接；4-P4962型轨道板；5-P4856A型轨道板；6-道砟胶接；7-道砟不胶接。

图1　济南黄河桥桥上有砟-无砟过渡段结构示意

图2为桥上有砟-无砟过渡段线-桥动力分析模型示意，分为桥外有砟线路、桥上有砟线路、桥上无砟线路以及桥外无砟线路四个区域，能够完整地反映列车从有砟区段进入桥梁，经由桥上有砟-无砟过渡段最终进入无砟线路的过程。

为反映过渡段区域轨道刚度的变化，钢轨各支承点间距、轨道结构各部件弹簧和阻尼参数均可变。

1-钢轨；2-支承梁。

图2　桥上有砟-无砟过渡段线-桥动力分析模型

1.2　车辆动力分析模型

图3　高速铁路客车动力分析模型示意

本文针对高速铁路客车建立模型，选取二系悬挂车辆模型，如图3所示。

二系悬挂通常由轴箱悬挂装置和中央悬挂系统构成。

由于悬挂系统的复杂性和非线性性质，准确模拟各种构件的动力特性是非常困难的。

在多数情况下，悬挂特性是非线性的，但是为了分析方便，可以在一定范围内使其线性化。

本文采用多刚体动力学方法建立车辆运动方程，即车辆的主要部件，包括车体、转向架和轮对均处理为刚体，各刚体之间采用线性弹簧和黏性阻尼连接，且车辆沿直线匀速运动，不考虑纵向牵引或制动的影响[2]。

根据上述假定，进行垂向动力仿真分析时，车体和转向架有浮沉和点头自由度，每个轮对有浮沉自由度，对4轴车而言，每辆车共10个自由度，对6轴车而言，每辆车共12个自由度。

2　计算工况及轨道不平顺选取

为全面考察济南黄河桥上有砟-无砟过渡段的动力性能，分别考虑了不同车速、不同轨道平顺状态以及不同道床刚度条件下380AL动车组高速通过时的轨道、桥梁和车辆振动响应。

2.1　计算车型、编组及车速

车速250，275，300，330，350，385 km/h，车型380AL，采用8辆编组，编组顺序为：

拖+6×动+拖。

根据济南黄河桥的实际试验情况，计算时列车行进方向从无砟区段进入有砟区段。

2.2　线路不平顺

为反映试验期间及长期运营状态下的线路平顺状态，选取两种不平顺样本进行分析，一是武广客运专线路基直线段实测不平顺，样本长度2 000 m，二是根据《客运专线300～350 km/h轨道不平顺管理值审查意见》中轨道不平顺动态管理值II级标准（舒适度管理标准）的规定，将路基直线段实测不平顺中，高低不平顺幅值等比扩大到9 mm后的不平顺样本。

2.3　桥跨结构

除两侧线路外， 按8跨32 m简支梁连续布置建立桥梁有限元分析模型，桥上铺设轨道结构，有砟-无砟分界线在第4跨与第5跨桥梁的梁缝中点，钢轨节点按各扣件位置划分。

2.4　道床刚度

对有砟区段道床刚度，考虑两种情况，一是实测值为75 kN/mm，反映了新建线路的特点，另一是设计值为120 kN/mm。

3　济南黄河桥桥上有砟-无砟过渡段动力性能分析

3.1　桥梁动力响应

桥梁动力分析结果见表1，分析结果表明，轨道平顺状态的恶化对桥梁跨中挠度影响不大，但引起桥梁振动加速度的明显提高，且对无砟轨道桥梁的影响大于有砟轨道桥梁，可认为有砟轨道由于道床的刚度小于无砟轨道的轨道板和底座板的刚度，削弱了轮轨动力作用对桥梁结构的冲击。

道床刚度对桥梁动挠度和加速度均无显著影响。

车速350 km/h，实测路基不平顺状态下无砟和有砟区段桥梁跨中动挠度时程曲线示于图4，跨中加速度时程曲线示于图5。

表1　桥梁跨中动挠度和加速度

车速/（km·h-1）不同工况下的跨中动挠度/mm道床刚度75kN/mm实测不平顺（0～6.467mm）不平顺幅值9mm道床刚度120kN/mm实测不平顺（0～6.467mm）不平顺幅值9mm不同工况下的跨中加速度/（m·s-2）道床刚度75kN/mm实测不平顺（0～6.467mm）不平顺幅值9mm道床刚度120kN/mm实测不平顺（0～6.467mm）不平顺幅值9mm2000.925（0.900）0.972（0.932）0.926（0.901）0.972（0.933）1.914（1.493）3.424（2.666）1.924（1.643）3.424（2.917）2500.977（0.936）1.019（0.961）0.977（0.938）1.018（0.963）2.714（1.838）4.893（3.212）2.716（1.942）4.897（3.394）3001.015（0.975）1.056（0.981）1.015（0.974）1.056（0.979）2.658（2.348）4.708（4.123）2.669（2.484）4.732（4.284）3201.038（0.966）1.066（0.993）1.038（0.966）1.066（0.995）2.893（2.257）5.305（3.658）2.893（2.371）5.305（3.836）3501.041（1.008）1.071（1.045）1.041（1.007）1.071（1.045）3.118（2.396）5.851（4.159）3.118（2.498）5.852（4.340）3851.078（1.175）1.117（1.253）1.079（1.176）1.117（1.254）3.913（3.097）7.177（5.225）3.885（3.299）7.139（5.448）

注：

括号内外对应有砟、无砟。

图4　无砟和有砟区段桥梁跨中动挠度时程曲线

图5　无砟和有砟区段桥梁跨中加速度时程曲线

3.2　轨道结构动力响应

为便于说明，令1～10号分别为有砟-无砟分界线两侧的扣件位置编号，距分界线最近的为1号，依次向外排列。

分析结果表明，轨道结构位移明显受到桥梁变形的影响，跨中位移明显大于梁缝附近的位移，扣除桥梁位移后，钢轨最大垂向位移接近1 mm，且随车速提高而增加。

有砟轨道的钢轨位移和加速度均小于无砟轨道，以分界点为界，有砟与无砟轨道的1号扣件位置相邻，当道床刚度为75 kN/mm、车速为200 km/h时实测不平顺条件下两者钢轨最大位移相差0.089 mm，不平顺幅值9 mm时钢轨位移相差0.108 mm，车速385 km/h时，两者钢轨位移差分别为0.238 mm和0.332 mm，考虑到这样的位移差相距仅0.6 m，且随着有砟轨道结构道床刚度的提高，其钢轨位移将减小，导致有砟-无砟轨道交界处两侧的钢轨位移差有增大的趋势，造成的短波附加不平顺在高速通过条件下对行车安全性能将产生不利影响。

有砟和无砟轨道典型位置钢轨的垂向位移时程曲线、加速度时程曲线示于图6-图11。

图6　桥梁跨中位置有砟和无砟轨道钢轨垂向位移时程曲线

图7　有砟-无砟分界点两侧相邻钢轨垂向振动位移时程曲线

图8　有砟-无砟分界点两侧第10个扣件位置处钢轨垂向振动位移时程曲线

图9　桥梁跨中位置有砟和无砟轨道钢轨垂向振动加速度时程曲线

图10　有砟-无砟分界点两侧相邻钢轨垂向振动加速度时程曲线

图11　有砟-无砟分界点两侧第10个扣件位置处钢轨垂向振动加速度时程曲线

3.3　车辆动力响应

车辆动力响应汇总见表2，可见：

车体加速度明显受到车速和不平顺幅值的影响，在车速大于350 km/h后，车体加速度有较为明显的增加，不平顺幅值提高后，350 km/h时车体加速度由0.397 m/s2增大到0.753 m/s2，轴箱加速度由142.312 m/s2增大到296.468 m/s2。

鉴于计算时间步长取为5.0×10-5 s，高频振动下出现了减载率为1.0的情况，因此采用轴箱加速度作为轮轨高频振动程度的指标。

当不平顺幅值增加到舒适度管理标准时，轴箱加速度与线路新建成阶段相比增大近一倍，且出现于有砟-无砟交界处附近，可认为过渡段区域引起了轮轨之间的冲击。

由表2、图13、图14可知，道床刚度增大对车体加速度无明显影响，但引起构架加速度和轴箱加速度的增大，且随车速提高影响更为显著。

表2　车辆动力响应汇总

工况车速/（km·h-1）车体加速度/（m·s-2）构架加速度/（m·s-2）轴箱加速度/（m·s-2）轮重减载率道床刚度75kN/mm,路基实测不平顺2000.36827.97582.9690.4202500.36232.525100.2170.5673000.38337.005104.8460.7403200.38742.304128.8670.9893500.39745.639142.3121.0003850.47463.753153.3551.000道床刚度75kN/mm,不平顺幅值9mm2000.66550.440149.7860.7582500.65558.615180.4711.0003000.69372.113190