韋強(qiáng)文,朱勝陽(yáng),羅 俊

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

1 概述

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道是我國(guó)自行研制，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和領(lǐng)先技術(shù)水平的高速鐵路軌道技術(shù)。該軌道較好地兼顧了軌道彈性、結(jié)構(gòu)耐久性及經(jīng)濟(jì)合理性等要求，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)高速鐵路線(xiàn)路中[1-3]。CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道包含了鋼軌、軌道板、自密實(shí)混凝土層和混凝土底座板等結(jié)構(gòu)，其中軌道板和自密實(shí)混凝土層之間通過(guò)設(shè)置連接鋼筋和前后澆筑方法實(shí)現(xiàn)緊密連接。在服役過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于兩者材料、結(jié)構(gòu)特性的差異以及外部環(huán)境的侵蝕，在列車(chē)荷載和溫度荷載作用下，容易造成兩者連接分離，形成層間離縫。離縫是CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道一種常見(jiàn)病害，嚴(yán)重影響軌道結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，在離縫劣化嚴(yán)重時(shí)，還將危及行車(chē)安全平穩(wěn)性[4]。

對(duì)于離縫劣化機(jī)理，應(yīng)用內(nèi)聚力理論模型建立的損傷本構(gòu)關(guān)系較好地反映板間離縫的損傷力學(xué)行為[5]，因此，在這一模型的基礎(chǔ)上，板式軌道離縫原因、損傷發(fā)展規(guī)律及損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上拱變形等問(wèn)題得到了較為充分的研究[6-9]。對(duì)于離縫引發(fā)車(chē)輛-軌道系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響分析，楊政[10]基于有限元理論，考慮車(chē)輛荷載和溫度荷載影響，對(duì)位置和尺寸不同的離縫工況進(jìn)行研究；曾志平[4]將未離縫工況與板邊離縫工況對(duì)比，揭示板邊離縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響規(guī)律；婁平等[11]考慮了車(chē)輛和溫度荷載組合差異以及離縫長(zhǎng)度和寬度的影響，分析離縫對(duì)CRTSⅢ型軌道結(jié)構(gòu)受力變形的影響；劉平等[12]則分析板端離縫長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，并關(guān)注于結(jié)構(gòu)的耐久性，提出板端離縫長(zhǎng)度的維修限值。對(duì)于CRTSⅢ型軌道層間離縫防治，文弋戈等[13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了層間離縫的形成原因，并建立簡(jiǎn)化力學(xué)模型研究離縫注漿修復(fù)材料的材料特性對(duì)軌道板結(jié)構(gòu)受力的影響，結(jié)果表明，提高修復(fù)材料強(qiáng)度可有效提高結(jié)構(gòu)抵抗變形能力；練興平等[14]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析晃車(chē)與離縫的關(guān)聯(lián)性，并提出了離縫注漿修復(fù)的有效整治工藝方法。

在既有研究中，針對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的層間離縫問(wèn)題，開(kāi)展了劣化機(jī)理、損傷危害和防治等方面的深入研究，有力支撐了既有設(shè)計(jì)高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的工程應(yīng)用和科學(xué)管理。但目前研究大多針對(duì)時(shí)速350 km及以下的速度條件，對(duì)時(shí)速350 km以上速度條件下的離縫現(xiàn)象問(wèn)題研究較少，而發(fā)展時(shí)速400 km及以上高速鐵路已成為高速鐵路發(fā)展的重要趨勢(shì)[15-17]。車(chē)輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相互作用更為突出，軌道損傷對(duì)車(chē)輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律發(fā)生改變[18-19]。因此，針對(duì)時(shí)速400 km高速鐵路亟待開(kāi)展無(wú)砟軌道離縫的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究，分析既有無(wú)砟軌道維修規(guī)范的適應(yīng)性。對(duì)此，以自密實(shí)層與軌道板層間界面存在板邊離縫脫空的CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，如圖1所示?；谲?chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，開(kāi)展時(shí)速400 km條件下離縫擴(kuò)張程度對(duì)車(chē)輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律研究，為時(shí)速400 km高速鐵路無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修工作提供重要理論支撐。

圖1 CRTSⅢ型軌道層間離縫

2 軌道層間離縫對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)影響分析方法

2.1 車(chē)輛-軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)模型

為進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，基于車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，建立圖2所示的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。其中，車(chē)輛多剛體系統(tǒng)考慮車(chē)體、構(gòu)架和輪對(duì)各自的沉浮、橫移、點(diǎn)頭、側(cè)滾和搖頭運(yùn)動(dòng)；軌道系統(tǒng)模擬為由鋼軌、軌道板和底座板組成的彈性阻尼振動(dòng)模型，其中鋼軌、軌道板在垂向上分別以離散點(diǎn)支撐的簡(jiǎn)支梁和自由薄板進(jìn)行模擬；扣件和自密實(shí)混凝土層均模擬為彈性-阻尼單元。層間離縫脫空考慮具有較大離縫寬度而無(wú)接觸的離縫情況，因而，通過(guò)設(shè)置彈簧-阻尼單元失效進(jìn)行模擬。輪軌法向力計(jì)算依據(jù)Hertz非線(xiàn)性接觸理論，輪軌力蠕滑力以Kalker線(xiàn)性理論計(jì)算，并按沈氏理論進(jìn)行修正，參考已有輪軌關(guān)系計(jì)算方法和數(shù)值計(jì)算[20]。

圖2 車(chē)輛-軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)模型

2.2 工況設(shè)置

以標(biāo)準(zhǔn)軌道板P5600為研究對(duì)象，其平面尺寸如圖3所示。為分析不同板邊離縫工況對(duì)車(chē)輛-軌道系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)影響，對(duì)軌道板與自密實(shí)混凝土層間的粘接界面，劃分成(9×17)個(gè)小區(qū)域，如圖4所示。板邊離縫按周向擴(kuò)張形式進(jìn)行研究，即粘接界面間的離縫從板邊區(qū)域1位置開(kāi)始，按區(qū)域1、2、3、…、118、119、120順時(shí)針順序，逐漸由外向里擴(kuò)張。其中，在橫向上，區(qū)域3、區(qū)域5和區(qū)域7所在橫向位置分別對(duì)應(yīng)右軌軌下、板中和左軌軌下。以離縫范圍每增加1個(gè)新區(qū)域?yàn)?個(gè)分析工況，共計(jì)120個(gè)工況。如第n個(gè)工況表示區(qū)域1～n發(fā)生離縫，其中工況0表示未出現(xiàn)離縫的正常工況。對(duì)每一個(gè)離縫工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真中以波長(zhǎng)范圍2～200 m的中國(guó)高速無(wú)砟譜樣本作為軌道不平順激勵(lì)。

圖3 CRTSⅢ板式無(wú)砟軌道平面(單位：m)

圖4 軌道層間離縫工況設(shè)置

3 離縫對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響

軌道結(jié)構(gòu)傷損對(duì)行車(chē)系統(tǒng)輪軌關(guān)系以及車(chē)輛運(yùn)行動(dòng)力性能影響規(guī)律，是提供損傷防治建議的重要依據(jù)。針對(duì)離縫劣化對(duì)輪軌動(dòng)態(tài)相互作用的影響，圖5給出車(chē)速400 km/h下離縫工況1～工況120的輪軌垂向力響應(yīng)曲線(xiàn)。每幅圖包括輪軌垂向力全時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)及其局部放大曲線(xiàn)，各工況輪軌垂向力均在靜輪重(57.38 kN)附近動(dòng)態(tài)波動(dòng)。離縫以周向順時(shí)針發(fā)展，以每周為1層，可分為3層。如第1層發(fā)生離縫對(duì)應(yīng)工況48；1～1.5層的劣化過(guò)程表示離縫從工況49發(fā)展至工況69的過(guò)程，其他劣化過(guò)程含義依次類(lèi)推。計(jì)算結(jié)果表明，從離縫開(kāi)始發(fā)展至第1層完全離縫的過(guò)程，輪軌垂向力變化可忽略不計(jì)。相比于正常工況0，從第1層劣化至1.5層，輪軌垂向力動(dòng)態(tài)波動(dòng)幅度增大，最小值逐漸減小，輪重減載量可達(dá) 20 kN。

圖5 不同離縫劣化程度的輪軌垂向力

隨著離縫區(qū)域的擴(kuò)張，輪軌垂向力波動(dòng)幅度變大，當(dāng)離縫在2.5～3層劣化時(shí)，輪軌垂向力較正常工況的波動(dòng)幅度明顯增大。離縫工況105對(duì)應(yīng)波動(dòng)幅度增大42 kN，最大輪軌垂向力為110 kN，最小輪軌垂向力為6 kN，輪重減載現(xiàn)象明顯，當(dāng)離縫發(fā)展至工況111后發(fā)生了輪軌分離。

離縫擴(kuò)張對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響規(guī)律如圖6所示，圖中縱坐標(biāo)表示安全性指標(biāo)最大值。由圖6可知，在工況88前輪重減載率的變化不大，在工況88之后輪重減載率開(kāi)始增大，在工況110之后輪重減載率已超過(guò)安全限值0.8。脫軌系數(shù)在工況114前變化不明顯，而在工況114后輪重完全減載，脫軌系數(shù)為無(wú)窮大。

圖6 離縫對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響

對(duì)于車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，板邊離縫對(duì)輪對(duì)振動(dòng)加速度影響顯著，其規(guī)律如圖7所示，圖中縱坐標(biāo)表示輪對(duì)軸箱連接位置處的振動(dòng)加速度最大值。由圖7可知，當(dāng)離縫發(fā)展至軌下后，離縫進(jìn)一步擴(kuò)張會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)加速度明顯增大，對(duì)軸箱等車(chē)輛部件產(chǎn)生不利影響。

圖7 離縫對(duì)輪對(duì)加速度的影響

圖8為不同工況下的車(chē)體垂向加速度最大值和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)。由圖8可知，在板邊離縫分析工況范圍內(nèi)，車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)值變化幅度較??；板邊離縫對(duì)車(chē)體振動(dòng)加速度和車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性影響不大。

圖8 離縫對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

4 離縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響

板間離縫作為典型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)傷損之一，當(dāng)傷損發(fā)生時(shí)，將影響結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，從而改變動(dòng)載作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，進(jìn)一步影響車(chē)輛-軌道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相互作用。因此，為研究時(shí)速400 km條件下，離縫對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性影響，考慮離縫發(fā)展至軌下時(shí)已是影響行車(chē)安全的嚴(yán)重傷損狀態(tài)，取離縫工況1～88下的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。

圖9、圖10以增幅形式分別給出了不同車(chē)速條件下，離縫擴(kuò)張時(shí)鋼軌垂向位移與垂向加速度最大值變化規(guī)律。圖中不等間距的豎向網(wǎng)格線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)9、25、33、48、55、69、75、88工況。其中，增幅是相對(duì)于無(wú)離縫正常工況而言，無(wú)離縫正常工況的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)最大值如表1所示。

圖9 板邊離縫對(duì)鋼軌位移的影響

圖10 板邊離縫對(duì)鋼軌加速度的影響

表1 無(wú)離縫時(shí)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)最大值

由圖9、圖10可見(jiàn)，隨著離縫區(qū)域擴(kuò)張，鋼軌位移和加速度的整體變化趨勢(shì)類(lèi)似，均呈逐漸增大趨勢(shì)，其中離縫對(duì)鋼軌加速度影響程度較鋼軌位移更為顯著。離縫沿板的橫向發(fā)展和縱向發(fā)展均會(huì)增大鋼軌的振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移的幅值。離縫沿縱向發(fā)展時(shí)，主要影響與離縫位置同側(cè)的鋼軌振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)另一側(cè)的鋼軌振動(dòng)影響不大，如在車(chē)速400 km/h下，工況55～工況69的沿左側(cè)縱向劣化過(guò)程中，左軌位移的變化幅度增大約10%，而右軌位移的變化幅度基本不變。當(dāng)離縫分布呈左右對(duì)稱(chēng)(工況48和工況88)，左右鋼軌響應(yīng)增幅相當(dāng)。

對(duì)比不同車(chē)速的計(jì)算結(jié)果可知，在離縫僅發(fā)生于第1層時(shí)(工況1～工況48)，不同車(chē)速下鋼軌振動(dòng)響應(yīng)增幅基本相當(dāng)；當(dāng)離縫從外側(cè)擴(kuò)張至第2層時(shí)(工況48～工況88)，車(chē)速400 km/h下鋼軌響應(yīng)增幅明顯大于車(chē)速350 km/h對(duì)應(yīng)響應(yīng)增幅。

圖11為車(chē)速400 km/h時(shí)，離縫工況88對(duì)應(yīng)的軌道板不同位置處垂向位移和垂向加速度的幅值。由圖11可知，軌道板板端振動(dòng)響應(yīng)最大，其余位置響應(yīng)幅值普遍與正常無(wú)離縫工況的響應(yīng)相當(dāng)?？梢?jiàn)對(duì)于軌道板，板邊離縫主要影響軌道板板端的振動(dòng)響應(yīng)。

圖11 軌道板不同位置的響應(yīng)最大值

圖12根據(jù)軌道板板端響應(yīng)結(jié)果，給出不同速度條件下，軌道板垂向位移和垂向加速度最大值隨離縫發(fā)展的變化規(guī)律。由圖12可知，隨著離縫的擴(kuò)張，軌道板響應(yīng)的增大發(fā)生于兩次離縫沿板端劣擴(kuò)張過(guò)程，即工況1～工況10、工況49～工況55。由圖12可見(jiàn)，相比于沿縱向發(fā)展，離縫沿板橫向發(fā)展對(duì)軌道板振動(dòng)響應(yīng)影響更大。與鋼軌振動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果類(lèi)似，當(dāng)板邊離縫達(dá)到第2層時(shí)，在不同速度行車(chē)下離縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)影響存在明顯差異，車(chē)速400 km/h下的影響較低速時(shí)更為顯著。相比車(chē)速350 km/h運(yùn)行條件，車(chē)速400 km/h條件下軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)更大，更容易加速層間離縫發(fā)展。

圖12 板邊離縫對(duì)軌道板加速度的影響

綜上研究表明，在時(shí)速400 km條件下，離縫主要通過(guò)影響軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)而影響輪軌相互作用關(guān)系，當(dāng)離縫發(fā)展至軌下時(shí)，離縫劣化將影響車(chē)輛運(yùn)行的安全性，此時(shí)應(yīng)對(duì)損傷進(jìn)行修補(bǔ)。由軌道板寬度尺寸2.5 m和軌距可知，離縫發(fā)展至軌下對(duì)應(yīng)離縫深度約為500 mm。在既有高速鐵路維修規(guī)則[21]中，將砂漿層離縫傷損等級(jí)分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，其中Ⅲ級(jí)傷損程度最嚴(yán)重，其對(duì)應(yīng)離縫深度為“≥100 mm”。依據(jù)該維修辦法，深度大于500 mm的離縫可得到及時(shí)修補(bǔ)。關(guān)于無(wú)砟軌道離縫防治，既有線(xiàn)路維修標(biāo)準(zhǔn)適用于時(shí)速400 km高速鐵路。

5 結(jié)論

基于車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)，建立高速列車(chē)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道動(dòng)力學(xué)模型，分析時(shí)速400 km條件下，軌道板與自密實(shí)混凝土層間板邊離縫對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。主要結(jié)論如下。

(1)離縫對(duì)車(chē)體振動(dòng)加速度及車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性影響不大，但對(duì)輪軌動(dòng)態(tài)作用力影響較大。當(dāng)離縫發(fā)展至軌下時(shí)，輪重減載現(xiàn)象明顯，隨著離縫持續(xù)擴(kuò)展，輪軌接觸狀態(tài)逐漸惡化，嚴(yán)重時(shí)可危及高速行車(chē)安全。

(2)軌道板存在離縫時(shí)會(huì)使得軌道板、鋼軌以及輪對(duì)振動(dòng)響應(yīng)幅值顯著提高，各響應(yīng)增幅中，軌道板振動(dòng)加速度的增幅最大。相比離縫沿縱向發(fā)展，離縫沿著橫向發(fā)展對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響更大。

(3)在更高時(shí)速下，離縫會(huì)引起幅值更大的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，分析結(jié)果表明，既有高速鐵路維修標(biāo)準(zhǔn)對(duì)時(shí)速400 km高速鐵路仍具有較好的適應(yīng)性。