徐 浩，林紅松，曹 保，潘自立

(1.廣州航海學(xué)院土木與工程管理學(xué)院,廣州 510725; 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

引言

道岔是鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié),是影響行車平穩(wěn)性與安全性的關(guān)鍵設(shè)備[1]。隨著高速鐵路的發(fā)展,我國(guó)先后研制了時(shí)速250 km和350 km系列高速道岔。列車-道岔系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)理論是研究列車過(guò)岔時(shí)的動(dòng)態(tài)行為以及評(píng)估高速列車過(guò)岔時(shí)安全性和平穩(wěn)性的基礎(chǔ),為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)列車-道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行大量研究[2-5]。如王平[2]基于輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),結(jié)合道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn),研究了道岔區(qū)多點(diǎn)輪軌接觸關(guān)系,率先建立列車-道岔空間耦合動(dòng)力學(xué)分析理論;陳嶸等[3-5]建立了完整的車輛-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并研究了道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)、橋梁跨度、等寬與變寬連續(xù)梁等不同因素對(duì)橋上無(wú)縫道岔動(dòng)力特性的影響規(guī)律;GURULE等[6]利用Nucars軟件研究了車輛通過(guò)道岔時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng);SCHUPP等[7]研究了道岔區(qū)的輪軌多點(diǎn)接觸在多體動(dòng)力學(xué)仿真中的實(shí)現(xiàn)方法;KASSA等[8]則采用多體動(dòng)力學(xué)軟件GENSYS實(shí)現(xiàn)了列車-道岔動(dòng)力學(xué)模型的建立,并研究了列車-道岔耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng);陳小平等[9]基于車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型,研究了軌道剛度對(duì)250 km/h客運(yùn)專線無(wú)砟道岔動(dòng)力特性的影響;SEBES等[10]基于多點(diǎn)赫茲接觸理論,研究了列車通過(guò)道岔時(shí)的接觸應(yīng)力及等效應(yīng)力等動(dòng)態(tài)影響;陳伯靖等[11]基于有限元軟件ABAQUS建立車輛-道岔-無(wú)砟道床-高架橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型,研究了橋梁墩臺(tái)沉降對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響規(guī)律;辛濤[12]基于Fortran和ANSYS建立了列車-無(wú)砟道岔-橋梁耦合系統(tǒng),研究了高速鐵路無(wú)砟道岔的動(dòng)力特性;伍曾等[13]基于車輛-道岔-橋梁耦合動(dòng)力學(xué),研究了道岔與橋梁的合理相對(duì)位置;李倉(cāng)楠[14]基于SIMPACK和ABAQUS聯(lián)合仿真建立了車岔橋系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,研究了無(wú)砟道岔的動(dòng)力特性;王平[15]、高亮等[16]針對(duì)橋上道岔,建立了列車-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,研究了高速列車通過(guò)橋上道岔時(shí)的動(dòng)力響應(yīng),并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證;王慧東等[17]針對(duì)韓江大橋,研究了道岔連續(xù)梁上車橋耦合振動(dòng)響應(yīng);WANG等[18]模擬評(píng)估了列車通過(guò)道岔時(shí)的脫軌風(fēng)險(xiǎn);劉冀等[19]研究了車輪磨耗對(duì)高速車輛側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)動(dòng)力特性的影響。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)列車-道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、列車-道岔-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了不少研究,研究?jī)?nèi)容涵蓋列車-道岔空間耦合理論、車-岔-橋耦合動(dòng)力學(xué)、道岔脫軌仿真等方面,但均未考慮橋墩變形引起的軌道不平順對(duì)車-岔-橋系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響,為此有必要研究溫度荷載下橋墩變形對(duì)橋上道岔系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。

某高速鐵路18號(hào)道岔位于(40+56+40) m變寬連續(xù)梁上,受地理環(huán)境限制,該連續(xù)梁的橋墩高度差異較大,相鄰橋墩的高度差最大達(dá)到29.5 m。以該高墩差連續(xù)梁上道岔為研究對(duì)象,建立車輛-道岔-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型,研究了溫度作用下橋墩變形對(duì)高速列車安全性和平穩(wěn)性、道岔變形的影響,從而為高墩差大跨連續(xù)梁上道岔設(shè)計(jì)和鋪設(shè)提供參考。

1 工程概況

某高速鐵路設(shè)計(jì)速度為350 km/h,正線采用雙塊式無(wú)砟軌道。兩組18號(hào)單開(kāi)道岔(客專07(009))對(duì)稱位于(40+56+40) m的變寬連續(xù)梁上,道岔的岔心距右側(cè)梁端55.66 m,橋梁總布置為8×32 m簡(jiǎn)支梁+(40+56+40) m變寬連續(xù)梁+(68+68) m連續(xù)T構(gòu)。橋梁及道岔布置如圖1所示。

變寬道岔梁的橋墩從左至右編號(hào)依次為8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)和11號(hào),橋墩高度分別為23.5,22.0,40.5 m和70 m。道岔梁相鄰橋墩高度差最大為10號(hào)和11號(hào)橋墩,墩高差為29.5 m。由于目前高速道岔主要鋪設(shè)于主跨48 m的連續(xù)梁上,且高墩及相鄰墩高差在溫度作用下引起的豎向變形可能對(duì)道岔的動(dòng)力學(xué)特性有影響,因此,有必要對(duì)高速列車通過(guò)道岔的安全性和平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)估。

2 列車-道岔-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型及驗(yàn)證

2.1 列車-道岔-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立CR400型高速動(dòng)車組模型,將車體、轉(zhuǎn)向架、輪軌等均視為剛體,忽略其彈性變形;一系、二系懸掛采用彈性原件模擬,建立的車輛模型包含50個(gè)自由度。在UM軟件中,道岔的模擬考慮道岔線型及鋼軌截面沿道岔縱向的變化,具體做法同文獻(xiàn)[20],輪軌接觸采用非線性赫茲接觸理論進(jìn)行求解,利用UM軟件建立的列車-道岔模型如圖2所示。

圖2 列車-道岔耦合模型Fig.2 Coupling model of vehicle-turnout

根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知,對(duì)于橋上無(wú)砟道岔,可將鋼軌直接與橋面連接,橋軌關(guān)系體現(xiàn)為鋼軌與橋梁的相互作用,基于此建立的橋上無(wú)砟道岔有限元模型如圖3所示。橋梁兩側(cè)為路基,為消除邊界條件的影響,模型中橋梁兩側(cè)路基長(zhǎng)度為120 m。

圖3 橋上無(wú)砟道岔有限元模型Fig.3 Finite element model of ballastless turnout on bridge

列車-道岔-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)建模的基本思路是通過(guò)在多體動(dòng)力學(xué)軟件中建立車輛和剛性道岔模型,與ANSYS橋上道岔有限元模型中的軌道變形進(jìn)行實(shí)時(shí)交互迭代,從而達(dá)到列車-道岔-橋梁耦合的目的。

2.2 計(jì)算參數(shù)

車輛采用CR400型標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組,車輛的主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 CR400型動(dòng)車組參數(shù)Table 1 Parameters of CR400 multiple units

道岔采用60 kg/m 18號(hào)可動(dòng)心道岔(客專(07)009),道岔全長(zhǎng)69 m,前長(zhǎng)31.729 m,后長(zhǎng)37.271 m,軌距1 435 mm,平面線型為切線型,導(dǎo)曲線半徑1 100 m,尖軌采用彈性可彎結(jié)構(gòu),尖軌跟端按限位器設(shè)計(jì),道岔平面線型如圖4所示。道岔直向容許通過(guò)速度為350 km/h,側(cè)向容許通過(guò)速度為80 km/h。簡(jiǎn)支梁和變寬道岔梁的典型參數(shù)如表2所示。

表2 橋梁截面參數(shù)Table 2 Bridge section parameters

圖4 道岔平面線型[21](單位:mm)Fig.4 Plane alignment of turnout[21] (unit: mm)

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證車輛-道岔-橋梁系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性與可靠性,不考慮橋墩高度差的影響,計(jì)算時(shí)僅考慮道岔結(jié)構(gòu)本身的不平順,分析高速列車直向過(guò)岔和側(cè)向過(guò)岔時(shí)系統(tǒng)動(dòng)力特性,并與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。具體計(jì)算工況如下。

工況一:動(dòng)車組以385 km/h直向過(guò)岔,不考慮高墩變形的影響。

工況二:動(dòng)車組以90 km/h側(cè)向過(guò)岔,不考慮高墩變形的影響。

對(duì)比文獻(xiàn)[14]中的計(jì)算工況為高速列車以385 km/h速度直向通過(guò)4×32 m變寬連續(xù)梁上18號(hào)無(wú)砟道岔,對(duì)比文獻(xiàn)[15]中的計(jì)算工況為高速列車以385 km/h速度直向通過(guò)6×32 m連續(xù)梁上18號(hào)無(wú)砟道岔,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為京滬高鐵徐州東站橋上無(wú)砟道岔動(dòng)力測(cè)試結(jié)果,測(cè)試速度為300～325 km/h。

本文計(jì)算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of calculation results

從表3可知,由于本文分析的道岔梁及道岔布置與對(duì)比文獻(xiàn)存在一定差異,相關(guān)指標(biāo)分析結(jié)果也存在一定差異。但從車體垂向和橫向加速度、輪軌垂向力、橫向力、尖軌開(kāi)口量、心軌開(kāi)口量等數(shù)據(jù)看,本報(bào)告計(jì)算結(jié)果與對(duì)比文獻(xiàn)[14-15]及實(shí)測(cè)動(dòng)力結(jié)果吻合度基本良好;由于本文采用主跨56 m連續(xù)梁,其橋梁豎向抗彎剛度與32 m連續(xù)梁存在較大差異,故鋼軌垂向位移、橋梁垂向位移較對(duì)比文獻(xiàn)[14-15]大。

綜合來(lái)看,本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[14-15]及實(shí)測(cè)動(dòng)力結(jié)果吻合良好,說(shuō)明本文采用的計(jì)算方法具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性,能用于高速列車-無(wú)砟道岔-橋梁系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算工況

為評(píng)估高速列車過(guò)岔的安全性和平穩(wěn)性,軌道不平順除了考慮道岔結(jié)構(gòu)不平順外,還考慮橋梁高墩差引起的軌道不平順?？紤]最不利工況,即橋墩溫度變化取為±30 ℃,計(jì)算工況如下。

工況一:橋墩升溫30 ℃,動(dòng)車組以385 km/h直向過(guò)岔。

工況二:橋墩降溫30 ℃,動(dòng)車組以385 km/h直向過(guò)岔。

工況三:橋墩升溫30 ℃,動(dòng)車組以90 km/h側(cè)向過(guò)岔。

工況四:橋墩降溫30 ℃,動(dòng)車組以90 km/h側(cè)向過(guò)岔。

由于橋墩溫度變化30 ℃,引起的道岔區(qū)鋼軌不平順如圖5所示。

圖5 橋墩溫度變化引起的鋼軌不平順Fig.5 Rail irregularity due to the temperature variation of bridge pier

從圖5可知,橋墩升降溫對(duì)鋼軌豎向變形影響較大,當(dāng)橋墩溫度變化為30 ℃時(shí),鋼軌的最大豎向變形為20.97 mm,出現(xiàn)在橋墩最高處,即11號(hào)橋墩處。

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)TB/T 3301—2013《高速鐵路道岔技術(shù)條件》和文獻(xiàn)[5],車輛-道岔-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)及限值如表4所示。

表4 車輛-道岔-橋梁動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 4 Dynamic performance evaluation index of vehicle-turnout-bridge

3.3 直向過(guò)岔

當(dāng)考慮橋墩高度差引起的軌道不平順,且動(dòng)車組以385 km/h速度直向過(guò)岔時(shí),車輛-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)如圖6所示。

圖6 車輛-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.6 Dynamic responses of coupling system of vehicle-turnout-bridge

從圖6可知,考慮橋墩變形引起的不平順后,不同工況下輪軌垂向力和橫向力與不考慮橋墩變形的情況類似。

降溫工況下前軸輪軌垂向力最大為130.13 kN,輪軌橫向力為7.45 kN;脫軌系數(shù)最大值為0.09,輪重減載率最大為0.59;車體橫向振動(dòng)加速度為0.13 m/s2,車體垂向振動(dòng)加速度為0.42 m/s2;道岔區(qū)鋼軌垂向位移為1.44 mm,道岔尖軌開(kāi)口量0.063 mm,心軌開(kāi)口量0.061 mm;橋梁振動(dòng)加速度最值為0.336 m/s2。

升溫工況下前軸輪軌垂向力最大為131.59 kN,輪軌橫向力為6.96 kN;脫軌系數(shù)最大值為0.09,輪重減載率最大為0.63;車體橫向振動(dòng)加速度為0.12 m/s2,車體垂向振動(dòng)加速度為0.43 m/s2;道岔區(qū)鋼軌垂向位移為1.54 mm,道岔尖軌開(kāi)口量0.067 mm,心軌開(kāi)口量0.059 mm;橋梁振動(dòng)加速度最值為0.331 m/s2。

可見(jiàn),當(dāng)考慮橋墩升、降溫時(shí),高速列車以385 km/h速度直向通過(guò)連續(xù)梁上道岔時(shí),系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.4 側(cè)向過(guò)岔

當(dāng)考慮橋墩高度差引起的軌道不平順,且動(dòng)車組以90 km/h速度側(cè)向過(guò)岔時(shí),車輛-道岔-橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)如表5所示。

表5 側(cè)向過(guò)岔時(shí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Table 5 System dynamic responses during lateral crossing

由表5可知,當(dāng)考慮橋墩升、降溫時(shí),高速列車以90 km/h速度側(cè)向通過(guò)連續(xù)梁上道岔時(shí),系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

綜上,考慮橋墩變形引起的軌道不平順后,相對(duì)于不考慮橋墩變形,主要是車體垂向振動(dòng)加速度增大,但其他指標(biāo)均滿足高速列車安全性和平穩(wěn)性要求,這是由于橋墩變形引起的不平順為長(zhǎng)波不平順,主要影響高速列車的平穩(wěn)性。

4 結(jié)論

以相鄰橋墩高墩差變寬連續(xù)梁上道岔為研究對(duì)象,建立了車輛-道岔-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型,研究了溫度作用下相鄰橋墩高度差對(duì)橋上道岔動(dòng)力學(xué)的影響,在本文的工程條件下,得到如下結(jié)論。

(1)通過(guò)與相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知,建立的車輛-道岔-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型具有一定的正確性和可靠性。

(2)橋墩升溫30 ℃時(shí),直向過(guò)岔時(shí)車體垂向振動(dòng)加速度從0.05 m/s2增大至0.42 m/s2,側(cè)向過(guò)岔時(shí)從0.04 m/s2增大至0.10 m/s2。

(3)橋墩降溫30 ℃時(shí),直向過(guò)岔時(shí)車體垂向振動(dòng)加速度從0.05 m/s2增大至0.43 m/s2,側(cè)向過(guò)岔時(shí)從0.04 m/s2增大至0.10 m/s2。

(4)當(dāng)相鄰橋墩高差為29.5 m時(shí),橋墩高差僅對(duì)車體垂向振動(dòng)加速度有影響,對(duì)輪軌力、車輛安全性、平穩(wěn)性和道岔變形基本無(wú)影響,且均滿足規(guī)范的限值要求。相關(guān)研究成果可為高墩差變寬連續(xù)梁上道岔的設(shè)計(jì)與鋪設(shè)提供參考。