李 威 張 艷 朱劍月

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

軌下基礎(chǔ)承受來自鋼軌的各向壓力并有效保持軌道幾何形位。然而，由于列車荷載的長期作用，軌下基礎(chǔ)將受到很大的沖擊和振動，導(dǎo)致軌道累積變形增大，產(chǎn)生各類軌下支承失效，從而惡化軌道線路幾何與動態(tài)不平順，加劇輪軌相互作用，影響列車的正常運(yùn)行［1－3］。本文通過建立車輛 軌道垂向耦合動力學(xué)模型，比較分析扣件松脫或失效、軌枕吊空和浮置板板下支承失效對于軌道結(jié)構(gòu)動力性能的影響。

1 輪軌動力響應(yīng)數(shù)值分析

1.1 建立模型

根據(jù)車輛 軌道耦合動力學(xué)原理［4］，考慮軌道剛度沿縱向不均勻變化，建立普通整體道床、彈性支承塊與浮置板不同軌道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析模型［5］。模型中將車體視為具有一、二系懸掛的由車體、轉(zhuǎn)向架及輪對組成的剛性系統(tǒng)；將鋼軌視為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承上的無限長梁，運(yùn)用軌道系統(tǒng)剛度特性沿線路縱向發(fā)生突變來模擬軌下支承失效狀態(tài)。圖1～圖3為鋼軌扣件失效前后、彈性支承塊吊空前后、浮置板支座吊空前后示意圖。

圖1 鋼軌扣件失效前后圖

圖2 彈性支承塊吊空前后圖

圖3 浮置板支座吊空前后圖

1.2 計(jì)算參數(shù)

1.2.1 車輛計(jì)算參數(shù)

車體質(zhì)量為50 160kg，構(gòu)架質(zhì)量為4 618kg，輪對質(zhì)量為1 510kg，車體點(diǎn)頭慣量1.897 25×106kg·m2，構(gòu)架點(diǎn)頭慣量3 940kg·m2，一系懸掛剛度2.9kN／mm，一系懸掛阻尼8×103N·s／m，二系懸掛剛度0.48kN／mm，二系懸掛阻尼1×104N·s／m，轉(zhuǎn)向架中心距15.70m，固定軸距2.5m，車輪半徑0.42m，軸重16 270kg。

1.2.2 鋼軌計(jì)算參數(shù)

鋼軌采用CHN60軌，視為彈性點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的Bernoulli－Euler梁，其彈性模量E＝2.1×1011N／m2，單位長度質(zhì)量mr＝60.64kg／m，截面面積A＝77.45cm2，截面慣性矩Iz＝3 217cm4，Iy＝524 cm4，線路為無縫線路。

1.2.3 彈性扣件軌道結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)

鋼軌扣件間距0.6m，扣件剛度為25kN／mm，阻尼取7.5×104N·s／m。

1.2.4 彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)

彈性支承塊質(zhì)量mb＝100kg；軌下扣件與支承塊下支承剛度分別為12.5kN／mm與25kN／mm，阻尼均為7.5×104N·s／m。

1.2.5 浮置板軌道結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)

浮置板材料特性：浮置板混凝土強(qiáng)度等級C30，彈性模量32GPa，剪切彈性模量13.76GPa，泊松比為0.2。鋼彈簧浮置板長度為29.8m，寬為2.8m，厚度為0.29m，密度為1.5×103kg／m3。每塊浮置板下設(shè)50個(gè)彈簧支座，浮置板彈性支座間距為1.2m，軌下扣件與板下彈性支座剛度分別為12.5kN／mm與10kN／mm，阻尼均為7.5×104N·s／m。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)列車運(yùn)行速度為80km／h時(shí)，不同軌道結(jié)構(gòu)緊鄰軌下支承失效后截面位置動力響應(yīng)如圖4～圖6所示。工況分別為：五扣件支承失效（普通軌道結(jié)構(gòu)），五支承塊吊空（彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)），板下五支座支承失效（浮置板軌道結(jié)構(gòu)）。由圖4～圖6可見，當(dāng)輪軌沖擊傳至軌下結(jié)構(gòu)時(shí)，由于軌下基礎(chǔ)缺陷無法提供良好支承，軌道結(jié)構(gòu)在支承失效區(qū)段均經(jīng)歷了較明顯的瞬態(tài)響應(yīng)過程；在列車遠(yuǎn)離失效區(qū)段后，系統(tǒng)響應(yīng)將逐漸回復(fù)至平穩(wěn)狀態(tài)。

圖4 普通軌道結(jié)構(gòu)緊鄰軌下支承失效后第一個(gè)扣件處截面位置動力響應(yīng)

圖5 彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)緊鄰支承塊吊空后第一個(gè)支承塊處截面位置的動力響應(yīng)

不同軌道結(jié)構(gòu)緊鄰軌下支承失效后截面位置位移響應(yīng)比較如圖7所示。分析后可知，對于普通軌道結(jié)構(gòu)，五扣件支承失效下，較列車運(yùn)行速度40km／h時(shí)的鋼軌位移9.164mm，速度為60km／h和80km／h時(shí)分別增加了2.1%和3.4%；80km／h時(shí)，一個(gè)扣件支承失效和五個(gè)扣件支承失效分別比無支承失效狀態(tài)下的鋼軌位移增大了39.2%和763.4%。對于彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)，在五支承塊吊空下，彈性支承塊位移60km／h和80km／h時(shí)比在40km／h時(shí)的數(shù)值增大了2.0%和3.9%；而速度為80km／h時(shí)，一支承塊吊空和五支承塊吊空狀態(tài)下比無支承塊吊空下位移增大了279.7%和1 559.7%。另外，對于浮置板軌道結(jié)構(gòu)，板下三支座支承失效時(shí)，浮置板板位移在60km／h和80km／h時(shí)比40km／h時(shí)分別增大了1.7%和4.5%；在速度為80km／h時(shí)，板下一彈性支座失效和五彈性支座失效狀態(tài)時(shí)比無支座失效狀態(tài)時(shí)增大了22.8%和191.3%。因此，軌下支承失效將影響其前后毗鄰的支承狀況良好的正常軌道結(jié)構(gòu)，形成較長范圍內(nèi)線路幾何與動力不平順，增加輪軌間相互作用。

圖6 浮置板軌道結(jié)構(gòu)緊鄰失效支座后第一個(gè)支座處截面位置的動力響應(yīng)

圖7 不同軌道結(jié)構(gòu)緊鄰軌下支承失效后第一個(gè)扣件處截面位置位移響應(yīng)比較

不同軌道結(jié)構(gòu)緊鄰軌下支承失效后截面位置的支座反力比較如圖8所示。為便于比較，考慮一個(gè)支承失效工況，分析表明：當(dāng)速度40km／h時(shí)，緊鄰支承失效后第一個(gè)扣件處截面位置的扣件支座反力為34.7kN，而速度為60km／h和80km／h時(shí)分別增加了9.5%和17.6%；緊鄰支承塊吊空后第一個(gè)支承塊處截面位置的支座反力在速度為60km／h和80km／h時(shí)比在40km／h時(shí)增大了8.7%和13.6%；浮置板緊鄰失效支座后第一個(gè)支座處截面位置的板下支座反力在速度為60km／h和80km／h時(shí)比40km／h時(shí)分別增大了0.2%和0.8%。速度為80km／h時(shí)，五扣件支承失效和一扣件支承失效分別比無扣件支承失效狀態(tài)下增大了29.5%和191.7%，五支承塊吊空和一支承塊吊空下比無支承塊吊空下增大了22.7% 和167.0%，浮置板板下三彈性支座失效和一支座失效比無支座失效狀態(tài)下增大了18.6%和127.4%。由此可見，軌下支承失效破壞了軌下基礎(chǔ)支承的連續(xù)性，使得運(yùn)行車輛對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加沖擊動力，在列車高速通過與支承失效數(shù)目增加時(shí)尤為明顯。另外，在不同軌道結(jié)構(gòu)中，浮置板軌道結(jié)構(gòu)的支座反力受列車運(yùn)行速度的影響較小，有利于軌道線路減振。

圖8 不同軌道結(jié)構(gòu)緊鄰軌下支承失效后截面位置的支座反力比較

當(dāng)列車運(yùn)行速度為80km／h，在不同的支承失效數(shù)目情況下，普通軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌、彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)的支承塊和浮置板軌道結(jié)構(gòu)的板振動加速度級的1／3倍頻程如圖9所示。由圖9可知，在較寬頻率范圍內(nèi)，軌下支承失效后軌道結(jié)構(gòu)各部件的加速度級隨著支承失效數(shù)目的增多而增大。

圖9 不同軌道結(jié)構(gòu)1／3倍頻程中心頻率處的振動加速度級

2 結(jié)語

軌下支承失效在運(yùn)營線路上普遍存在，對其動力性能進(jìn)行分析具有一定的實(shí)際意義。理論計(jì)算表明：軌下失效破壞了與其前后毗鄰的正常軌道結(jié)構(gòu)的支承情況，形成數(shù)倍枕間距范圍的線路幾何與動力不平順，使得在列車通過吊空地段時(shí)輪軌相互作用加劇，軌下基礎(chǔ)的位移、支座反力等增長明顯，特別是多個(gè)軌下支承連續(xù)失效的情況，會加速軌道結(jié)構(gòu)部件的破壞，影響行車安全。另外，浮置板軌道與普通扣件及彈性支承塊軌道相比，其軌道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)受板下支承失效的影響相對較小。

基于上述存在的問題，建議軌道交通工務(wù)部門建立科學(xué)的養(yǎng)護(hù)維修體系，加強(qiáng)扣件、軌枕等軌道結(jié)構(gòu)部件的日常檢測，確定分等級處理機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)；對懸空的扣件、彈性支承塊與浮置板彈簧支座應(yīng)及時(shí)更換，消除線路病害；為整體道床設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等方面積累工程經(jīng)驗(yàn)，以確保列車行車安全。

［1］ 肖新標(biāo)，金學(xué)松，溫澤峰.軌下支承失效對直線軌道動態(tài)響應(yīng)的影響［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（1）：67.

［2］ 向俊，楊樺，赫丹.軌枕懸空條件下的列車—軌道系統(tǒng)豎向振動響應(yīng)研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，4（1）：8.

［3］ 朱劍月.軌下扣件支承失效對軌道結(jié)構(gòu)動力性能的影響［J］.振動工程學(xué)報(bào)，2011，24（2）：158.

［4］ 翟婉明.車輛—軌道耦合動力學(xué)［M］.3版.北京：科學(xué)出版社.2007.

［5］ 朱志強(qiáng).地鐵鋼彈簧浮置板道床存在的缺陷及設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.城市軌道交通研究，2010（7）：50.