尹 峰

(中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081)

CRTSⅡ型無砟軌道的軌道板采用縱連方式形成連續(xù)型無砟軌道結(jié)構(gòu)。我國近年來開通的一些高速鐵路采用這種結(jié)構(gòu)形式[1]，累計(jì)鋪設(shè)里程超過 9 000 km。在極端連續(xù)高溫條件下，軌道板間接縫出現(xiàn)擠碎甚至上拱現(xiàn)象，影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)可能會危及行車安全。

我國對軌道板拱起變形的檢測主要是依靠現(xiàn)場人工檢查，靠視覺觀察。當(dāng)軌道板拱起產(chǎn)生離縫時(shí)，才能被肉眼識別。受夜間檢查環(huán)境影響，這種作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不佳。當(dāng)軌道板拱起產(chǎn)生離縫造成較大的軌道不平順時(shí)，利用綜合檢測列車可以間接發(fā)現(xiàn)，但由于軌道板拱起引起的軌道不平順幅值很小，且影響范圍往往較窄，遠(yuǎn)達(dá)不到我國高速鐵路目前的日常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，很難引起檢測分析人員的注意[2]。早期嘗試通過2次綜合檢測車檢測數(shù)據(jù)的差異來查找疑似軌道板拱起位置，但由于受綜合檢測列車的精度限制，會造成當(dāng)閾值設(shè)置較小時(shí)出現(xiàn)大量的結(jié)果輸出，給地面復(fù)核人員造成很大的工作量，而當(dāng)閾值設(shè)置較大時(shí)，又很容易漏掉軌道板拱起處所，因此，需要研究新的方法提高軌道板上拱離縫辨識的精度。

CRTSⅡ型無砟軌道的軌道板上拱量多數(shù)在5 mm 左右(極端情況超過10 mm)。綜合檢測車軌道檢測系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)向架上，屬于有載動態(tài)檢測，部分上拱處所有可能因受壓變形而無法被檢測到。本文通過建立含軌道板與砂漿層離縫的精細(xì)化車輛-軌道空間耦合動力學(xué)模型，研究離縫對軌道動力響應(yīng)的影響，分析列車通過離縫區(qū)域時(shí)軌道變形以及回彈情況；研究當(dāng)軌道剛度存在較大變化時(shí)，動態(tài)有載檢測與靜態(tài)無載測量值之間的差異，提出利用動靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)的差異間接檢測軌道板離縫的方法。

1 模型建立

通過ABAQUS有限元分析軟件建立軌道與車輛動力學(xué)模型和軌道靜力學(xué)模型，模擬分析列車通過軌道板與砂漿層離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板動位移變化情況。

1.1 動力學(xué)模型

動力學(xué)模型(見圖1)用于計(jì)算軌道板和砂漿層產(chǎn)生離縫后，車輛經(jīng)過時(shí)鋼軌和軌道板的動態(tài)變形。

對某高速鐵路的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用CRH2型車車輛模型參數(shù)[3]，建立了3節(jié)連續(xù)車輛模型。車輛包括輪對、構(gòu)架、車體、一系懸掛以及二系懸掛。其中輪對、構(gòu)架和車體均采用剛體模擬，一系懸掛和二系懸掛采用彈簧單元模擬，不同車輛之間采用耦合約束。

圖1 動力學(xué)模型

CRTSⅡ型板式無砟軌道模型包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層和底座(路基支承層)，扣件采用彈簧單元模擬，其余部件均采用實(shí)體單元模擬[4-5]。假設(shè)軌道結(jié)構(gòu)中僅存在軌道板與砂漿層離縫病害，將軌道結(jié)構(gòu)在縱向上視為一體，忽略板間連接因材料、黏結(jié)、結(jié)構(gòu)等因素所產(chǎn)生的差異[6]。CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板采用C60混凝土，寬 2 550 mm，高 200 mm；CA砂漿層與軌道板等寬，高30 mm，彈性模量取7 GPa;鋼軌采用CHN60鋼軌，彈性模量取210 GPa?？奂瓜騽偠热?0 kN/mm，橫向剛度取35 kN/mm[7]。

1.2 靜力學(xué)模型

靜力學(xué)模型僅針對軌道結(jié)構(gòu)，用于模擬軌道板上拱產(chǎn)生離縫后對軌道不平順的影響。

2 計(jì)算工況選取

本文中鋼軌不平順為某高速鐵路無離縫區(qū)段實(shí)測不平順，見圖2。

圖2 實(shí)測不平順

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]中的計(jì)算工況，認(rèn)為離縫均橫向貫通軌道板。計(jì)算工況分為2大類：一類是軌道板與砂漿層離縫對上部鋼軌不產(chǎn)生影響，對鋼軌僅施加實(shí)測不平順；另一類是軌道板和砂漿層產(chǎn)生離縫后對鋼軌產(chǎn)生影響，鋼軌受下部結(jié)構(gòu)變形的影響，不平順為實(shí)測值和離縫影響計(jì)算值的疊加。軌道板和砂漿層離縫形態(tài)采用正弦函數(shù)模擬。

半塊板長范圍內(nèi)離縫幅值計(jì)算公式為

(1)

式中：S為離縫幅值；A為最大離縫幅值；L為距離離縫中心的距離。

整塊板長范圍離縫幅值計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)計(jì)算公式得到的不同計(jì)算工況匯總于表1。其中，工況1、工況2和工況3三種條件下均含有綜合檢測列車實(shí)測的高低和軌向不平順[10]。

表1 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 靜力分析

假設(shè)半塊軌道板范圍內(nèi)軌道板上拱產(chǎn)生離縫的同時(shí)也使鋼軌產(chǎn)生連帶變形，最大離縫幅值為4,8，12 mm 時(shí)鋼軌產(chǎn)生的變形幅值見圖3。離縫12 mm時(shí)的垂向變形云圖見圖4，鋼軌的相應(yīng)靜態(tài)垂向位移最大值為3.28,6.57，9.85 mm。

圖3 軌道板變形傳遞鋼軌變形幅值

圖4 垂向變形云圖(單位：m)

3.2 動力分析

在工況2下，假設(shè)軌道板上拱與砂漿層產(chǎn)生離縫范圍為半塊軌道板長度，對上部鋼軌不產(chǎn)生影響。鋼軌、軌道板垂向動位移和輪軌垂向力見圖5。盡管離縫的幅值不同，鋼軌、軌道板垂向動位移以及輪軌垂向力變化趨勢和幅值大小卻幾乎完全一致，軌道板的動變形幅值最大為0.6 mm左右，列車無法將軌道板壓下至密貼狀態(tài)。

圖5 工況2鋼軌、軌道板垂向動位移和輪軌垂向力

在僅有實(shí)測不平順的情況下，列車通過離縫區(qū)域時(shí)，車輪經(jīng)過處鋼軌和軌道板產(chǎn)生向下的動位移。當(dāng)車輪離開時(shí)產(chǎn)生動變形處的鋼軌會快速回彈。同一轉(zhuǎn)向架通過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板回彈量較小，而同一節(jié)車2個(gè)轉(zhuǎn)向架之間通過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板幾乎完全回彈(可視為無載荷狀態(tài))。鋼軌垂向位移在有載與無載狀態(tài)下差值最大為1.44 mm。

將工況1下得到的鋼軌垂向變形附加到工況2下得到工況3，進(jìn)行動力計(jì)算，得到鋼軌、軌道板垂向動位移和輪軌垂向力見圖6?？芍?疊加了上拱產(chǎn)生的軌道不平順后鋼軌和軌道板的動位移相對于工況1明顯增加，且隨著離縫幅值的增加，同一節(jié)車2個(gè)轉(zhuǎn)向架之間通過離縫區(qū)域時(shí)不再是接近無載荷狀態(tài)，而是產(chǎn)生向上的動位移，但在車體中部位置向上的動位移會回彈至0。該處動位移理論上接近無載荷狀態(tài)，列車荷載無法將產(chǎn)生離縫的軌道板下壓至密貼狀態(tài)。該工況下離縫達(dá)到12 mm時(shí)，2節(jié)車連接處向上的動位移較大且回彈較慢。由于鋼軌產(chǎn)生了疊加的不平順，輪軌垂向力幅值也相應(yīng)增大。

圖6 工況3鋼軌、軌道板垂向動位移和輪軌垂向力

車輪通過離縫區(qū)域前后鋼軌和軌道板動位移最大值見表2。車輪和車體中部通過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板動位移見表3。當(dāng)離縫幅值超過一定范圍時(shí)，鋼軌向上的垂向動位移會急劇增大，而向下的動位移增長較緩慢。

表2 車輪通過離縫區(qū)域前后鋼軌和軌道板動位移最大值

由圖6(a)、圖6(b)和表2可知，在工況3下車輪和同一節(jié)車2節(jié)轉(zhuǎn)向架之間通過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌、軌道板動位移差值隨離縫幅值增大而增大。由圖6(a)、圖6(b)與表3可知，同一節(jié)車車體中部通過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌、軌道板動位移已回彈至0.1 mm以內(nèi)，接近無載荷狀態(tài)，與車輪經(jīng)過離縫區(qū)域時(shí)相比動位移差值較為明顯。

表3 車輪和車體中部通過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板動位移

圖7 鋼軌、軌道板垂向動位移和輪軌垂向力(工況4)

假設(shè)軌道板上拱與砂漿層產(chǎn)生離縫范圍為整塊軌道板長度(工況4)，離縫對上部鋼軌不產(chǎn)生影響，并且在該工況下鋼軌靜態(tài)是平直的，不施加綜合檢測列車實(shí)測不平順。從鋼軌和軌道板的垂向動位移(圖7(a)、圖7(b))可以看出：在離縫幅值為4 mm時(shí)車輪經(jīng)過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌動位移達(dá)到-2.626 mm，軌道板動位移達(dá)到-1.938 mm。車輪和同一節(jié)車2個(gè)轉(zhuǎn)向架之間通過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板產(chǎn)生回彈，且回彈量較大，鋼軌最大回彈至0.807 mm，軌道板最大回彈至0.817 mm。在車體中部通過離縫區(qū)域時(shí)，鋼軌回彈至-0.448 mm，軌道板回彈至-0.525 mm，此時(shí)不可視為無載荷狀態(tài)，鋼軌動位移差值接近2.2 mm。

當(dāng)離縫幅值為8 mm和12 mm時(shí)，軌道板和鋼軌的動位移變化趨勢和幅值幾乎一致，車輪經(jīng)過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌動位移達(dá)到-6.334 mm，軌道板動位移達(dá)到-5.597 mm。同一節(jié)車的2個(gè)轉(zhuǎn)向架之間通過離縫區(qū)域時(shí)，鋼軌和軌道板產(chǎn)生向上的動位移，最大位移幅值為3.3 mm。離縫8 mm時(shí)，車體中部通過離縫區(qū)域時(shí)鋼軌動位移為-0.702 mm，軌道板動位移為-1.088 mm；離縫12 mm 時(shí)，鋼軌動位移為-0.657 mm，軌道板動位移為-1.041 mm，鋼軌動位移差值達(dá)到5.6 mm。

由于未施加實(shí)測不平順，鋼軌僅在車輛通過時(shí)產(chǎn)生動位移，因此輪軌力的靜態(tài)不平順激擾源較小，相對于工況3產(chǎn)生的輪軌垂向力小很多(見圖7(c))。

在未施加軌道不平順條件下，整塊軌道板離縫時(shí)在列車荷載的作用下已經(jīng)產(chǎn)生很大的鋼軌和軌道板動位移，若在鋼軌施加實(shí)測不平順，相應(yīng)的量值均會增大。

通過以上各工況的分析，車輪經(jīng)過離縫區(qū)域時(shí)與同一節(jié)車車體中部通過時(shí)相比，鋼軌動位移差異較大，尤其在半塊板離縫情況下可視為有載荷與無載荷的差異，因此在車體中部安裝檢測設(shè)備就可對鋼軌近似于無載荷狀態(tài)下進(jìn)行檢測。通過與綜合檢測列車(檢測位置為輪軌接觸位置)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在理論上通過這種較大的差值可間接尋找離縫較大的處所，同樣也能識別出軌道剛度變化較大的處所，為尋找軌道結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)以及保障鐵路運(yùn)營安全提供新的思路。

4 結(jié)論

本文通過ABAQUS有限元分析軟件建立軌道與車輛動力學(xué)模型和軌道靜力學(xué)模型，模擬列車通過軌道板與砂漿層離縫區(qū)域時(shí)，鋼軌和軌道板動位移變化情況。主要結(jié)論如下：

1)在離縫范圍為半塊板情況下，車輪經(jīng)過離縫區(qū)域時(shí)與同一節(jié)車車體中部通過時(shí)相比，鋼軌與軌道板動位移存在較大差值，理論上可視為有載荷與無載荷狀態(tài)的差值。

2)在離縫范圍超過整塊板的情況下，同一節(jié)車車體中部通過離縫區(qū)域時(shí)并未完全回彈，并不是無載荷狀態(tài)，但與車輪經(jīng)過離縫區(qū)域時(shí)的有載荷狀態(tài)相比，動位移差值較大。

3)采取在同一節(jié)車體中部加裝無載荷檢測設(shè)備，通過有載荷與無載荷條件下的數(shù)據(jù)對比，理論上可以找到離縫較大處所。

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