160 km/h梯形軌枕軌道安全性、平穩(wěn)性及輪軌振動特性在線實測

曾向榮，高志升，徐飛虎，孫國杰

（安境邇（上海）科技有限公司，上海 200030）

1 技術(shù)背景

我國城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)及運營已有10多年，80～100 km/h速度級軌道減振技術(shù)的應(yīng)用已十分成熟，經(jīng)驗豐富。但近年來越來越多在建線及規(guī)劃線路開始采用120～160 km/h速度級設(shè)計標準，這一速度等級的減振軌道技術(shù)應(yīng)用很少，缺乏足夠的研究及試驗。

設(shè)計速度提高后，軌道減振技術(shù)面臨的主要問題在于使矛盾如何達到最佳平衡狀態(tài)：一方面對軌道平順性及動態(tài)變形的要求有所提高，另一方面軌道減振又不得不降低軌道支承剛度，相應(yīng)地削弱了軌道結(jié)構(gòu)的約束。

設(shè)計速度提高后，軌道減振的安全性、平穩(wěn)性及可靠性比對減振效果更受關(guān)注。

梯形軌枕作為一項技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的高等減振軌道技術(shù)，早在10余年前就有高速線路適應(yīng)性相關(guān)理論研究，研究結(jié)果表明梯形軌枕可適應(yīng)最高360 km/h線路的應(yīng)用技術(shù)要求[1]，但缺乏在線實際鋪設(shè)及測試驗證。

2 梯形軌枕及其應(yīng)用概述

梯形軌枕最早起源19世紀，在歐洲、蘇聯(lián)、美國等均有研究和應(yīng)用，20世紀中后期在日本經(jīng)過不斷發(fā)展，形成目前的梯形結(jié)構(gòu)型式（見圖1）。

圖1 梯形軌枕結(jié)構(gòu)型式的演變Fig. 1 The evolution of the ladder-sleeper structure

梯形軌枕是由左右兩塊預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁及其連接鋼管、減振墊及緩沖墊組成的一種框架式軌道結(jié)構(gòu)（見圖2），減振墊為梯形軌枕提供垂向彈性，緩沖墊為梯形軌枕提供側(cè)面限位及緩沖，縱梁兩側(cè)各設(shè)一個限位凸臺以防止梯形軌枕沿線路縱向爬行。梯形軌枕主要通過以下三個方面機理實現(xiàn)良好的減振效果（見圖3）。

1）預(yù)制框架結(jié)構(gòu)提供高精度軌道幾何狀態(tài)及高平順性，維持較低的輪軌振動水平。

2）縱梁與減振墊組成質(zhì)量—彈簧隔振系統(tǒng)，有效消減振動能量。

圖2 梯形軌枕結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of the ladder-sleeper

圖3 梯形軌枕減振特性曲線Fig. 3 Vibration damping characteristic curve of the ladder-sleeper

3）預(yù)應(yīng)力縱梁與鋼軌形成雙彈性疊合梁，可增大軌道抗彎剛度，擴大輪軌力分布范圍，降低基底輪軌動態(tài)力的峰值和變化幅度，進一步降低振動水平。

梯形軌枕在2005年引入國內(nèi)后，根據(jù)國內(nèi)城市軌道交通工程條件和技術(shù)要求進行了全面優(yōu)化，在北京、上海、廣州等20多個城市地鐵工程中作為高等減振措施已鋪設(shè)300 km，應(yīng)用的最高設(shè)計速度為120 km/h，包括上海地鐵16號線、東莞城市快軌R2線、青島藍色硅谷線等（見圖4）。經(jīng)過各種工程條件下多年的應(yīng)用總結(jié)，建設(shè)部已頒布了相關(guān)的產(chǎn)品技術(shù)條件及施工質(zhì)量驗收規(guī)范[4-5]。

圖4 梯形軌枕在國內(nèi)的部分應(yīng)用案例Fig. 4 Domestic application cases of the ladder-sleeper

3 測試方案[6]

3.1 測試線路條件

測試場地選在鐵道科學(xué)研究院國家鐵道試驗中心國鐵大環(huán)線（見圖5），線路主要技術(shù)標準如下：

圖5 鐵科院環(huán)行試驗線線路及既有有砟軌道Fig. 5 Loop test line of CARS and its existing ballast track

1）曲線半徑R=1 432 m；縱坡i=0‰；

2）超高h=125 mm，對應(yīng)平衡速度123 km/h；

3）60 kg/m鋼軌；無縫線路；有砟軌道。

3.2 測試列車及速度等級

測試列車為8輛編組160 km/h動力集中電動車組，其配置為：動力車（軸重19.5 t/軸距2.8 m）+7輛非動力車（軸重 14 t/軸距 2.6 m）+儀器車（軸重15.25 t/軸距 2.6 m）。

測試速度級包括 100、120、140、160 km/h，實際最高測試速度 165 km/h，相應(yīng)未平衡離心加速度0.66 m/s2。每一速度級采集5趟列車通過的數(shù)據(jù)并取平均，100 km/h及120 km/h主要考慮與該速度級已開通線路運行狀態(tài)對照，140 km/h及160 km/h則主要是對速度提高后的運行狀態(tài)及變化趨勢進行考察及分析。

3.3 梯形軌枕測試段及對比測試斷面軌道結(jié)構(gòu)

共設(shè)二段梯形軌枕測試段，長度各180 m，二段主要區(qū)別是梯形軌枕厚度及扣件類型（見圖6）：

圖6 測試段梯形軌枕無砟軌道斷面Fig. 6 Cross section of the ladder-sleeper track in test section

1）梯形軌枕厚0.17 m，采用WJ-2A型小阻力扣件，這一配置通常用于高架線。

2）梯形軌枕厚0.22 m，采用ω彈條分開式扣件，這一配置通常用于地下線。

對比測試斷面為既有有砟軌道結(jié)構(gòu)，采用國鐵定型的彈條Ⅱ型扣件及新Ⅱ型預(yù)應(yīng)力枕。

3.4 測試內(nèi)容及評判標準

測試內(nèi)容包括軌道安全性、軌道變形穩(wěn)定性、車體平穩(wěn)性、輪軌振動特性及梯形軌枕強度等，梯形軌枕軌道測得的結(jié)果一是與規(guī)范標準對比，二是與有砟軌道進行對比，三是不同速度條件下對比，具體測試指標及評判標準如下：

1）軌道安全性：測試指標包括脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力等3項，評判標準為《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》（GB 5599—85）及《鐵道機車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標準》（TB/T 2360—93）。

2）軌道變形穩(wěn)定性：測試指標包括鋼軌及梯形軌枕的垂橫向動態(tài)位移，目前并無針對160 km/h速度級的評判標準，故參考了適用于最高速度級350 km/h的《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》（TB 10716—2013）。

3）車體平穩(wěn)性：測試指標為車體垂橫向加速度，評判標準為《鐵路線路維修規(guī)則》（鐵運[2006]146號）。

4）輪軌振動特性：測試指標包括鋼軌垂橫向振動加速度，這一指標尚無針對性評判標準，主要通過梯形軌枕與有砟軌道以及梯形軌枕的枕中與枕端橫向?qū)Ρ炔町惣右耘袛唷?/p>

5）梯形軌枕強度：通過測試列車通過時梯形軌枕上下表面的最大應(yīng)變，得到混凝土應(yīng)力變化值，從而得知其疊加應(yīng)力水平（見圖7、圖8）。評判標準為《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010），如表1所示。

圖7 梯形軌枕軌道測試現(xiàn)場Fig. 7 Test site of the ladder-sleeper

圖8 梯形軌枕軌道測點設(shè)置位置Fig. 8 Test position of the ladder-sleeper

表1 梯形軌枕測試項目及評判標準與限值[7-11]Tab. 1 Test list, evaluation standards and limit values

4 測試結(jié)果及分析

4.1 軌道安全性

由表2測試結(jié)果可知，梯形軌枕軌道的安全性良好。梯形軌枕軌道的脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力最大值均遠小于限值，與既有有砟軌道比較接近，對速度的變化不敏感。

表2 各測試斷面安全性指標測試最大值Tab. 2 Maximum test value of the safety index in each test section

4.2 軌道變形穩(wěn)定性

由表3測試結(jié)果可知，梯形軌枕軌道變形穩(wěn)定性良好。兩種梯形軌枕軌道的鋼軌垂向動位移隨著速度的提高呈增大的趨勢，最大值分別小于無砟軌道限值、介于高速鐵路無砟軌道限值2.0 mm與有砟軌道限值2.5 mm之間，這對于160 km/h速度級來說達到要求。另外，通過垂向位移的量級亦可大致估判其良好的減振效果。

表3 各測試斷面軌道變形穩(wěn)定性指標測試最大值Tab. 3 Maximum test value of the deformation stability index in each test section mm

兩種梯形軌枕軌道的鋼軌橫向動位移最大值均低于高速鐵路無砟軌道及有砟軌道的限值2.0 mm，但略大于既有有砟軌道，這主要是因為梯形軌枕采用的是分開式扣件，其鋼軌橫向偏轉(zhuǎn)通常大于既有有砟軌道的不分開式扣件，鋼軌橫向動位移對速度變化不敏感。

梯形軌枕橫向動位移最大值低于高速鐵路無砟軌道板限值1.0 mm及有砟軌枕限值2.0 mm。

4.3 車體平穩(wěn)性

車體加速度是通過設(shè)在動車組司機室地板上的專用檢查儀測試。由表4可知，動車組通過整個環(huán)行道的車體垂向加速度最大值0.11 g有2處，分別位于既有有砟軌道范圍及170 mm梯形軌枕距過渡段5 m處，車體橫向加速度最大值0.07 g有3處，均位于既有有砟軌道范圍，上述車體垂橫向加速度最大值均略超1級標準，狀態(tài)良好；梯形軌枕軌道優(yōu)于既有有砟軌道。

表4 整個環(huán)行道測得的車體垂橫向加速度最大值Tab. 4 Maximum test value of the vertical and lateral acceleration of the vehicle around the whole loop test line

4.4 輪軌振動特性

從圖9、圖10測試結(jié)果看，梯形軌枕軌道的鋼軌垂向振動加速度在25～1 250 Hz頻段略大于普通有砟軌道，其余頻段二者接近；梯形軌枕軌道的鋼軌橫向振動加速度與普通有砟軌道基本相當。梯形軌枕軌道的鋼軌垂橫向振動加速度未出現(xiàn)異常峰值，表明不會引起輪軌共振。

圖9 160 km/h時各測試斷面的外軌垂向加速度頻譜Fig. 9 Vertical acceleration spectra of the outer rail of each test section at the speed of 160 km/h

圖10 160 km/h時各測試斷面的外軌橫向加速度頻譜Fig. 10 Transverse acceleration spectra of the outer rail of each test section at the speed of 160 km/h

從圖11、圖12看，梯形軌枕軌道的鋼軌垂橫向振動加速度隨速度增加而略增，但增幅較小，表明梯形軌枕的速度穩(wěn)定性良好。

圖11 梯形軌枕軌道不同速度下外軌垂向加速度頻譜Fig. 11 Vertical acceleration spectra of the ladder-sleeper at different speeds

圖12 梯形軌枕軌道不同速度下外軌橫向加速度頻譜Fig. 12 Transverse acceleration spectra of the ladder-sleeper at different speeds

從圖13看，梯形軌枕的枕中部與枕端部鋼軌垂向振動及速度在各頻段均十分接近，表明梯形軌枕的分塊式布置對輪軌關(guān)系無不良影響。

圖13 梯形軌枕的枕中與枕端外軌垂向加速度頻譜Fig. 13 Vertical acceleration spectra of the outer rail at the middle and end of the ladder-sleeper

4.5 梯形軌枕強度

從表5測試結(jié)果看，兩種梯形軌枕在軸重19.5 t動力車通過時，220 mm梯形軌枕的應(yīng)力變化值小于170 mm梯形軌枕，應(yīng)力最大變化值均不超過2 MPa，考慮到梯形軌枕截面由預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力約為–7 MPa，與列車通過時的應(yīng)力變化值疊加后的組合應(yīng)力約[–5，–9]MPa，表明梯形軌枕強度具有很大的富余量，可完全滿足160 km/h速度級的強度要求。

表5 測試車通過時兩種梯形軌枕的應(yīng)力最大變化值Tab. 5 Maximum stress changes in the two types of ladder-sleepers when the test train is passing MPa

5 結(jié)論

梯形軌枕軌道在鐵道科學(xué)研究院國家鐵道試驗中心R1432m曲線環(huán)行道上100～160（165）km/h速度條件下的實測結(jié)果表明，軌道安全性、軌道變形穩(wěn)定性、車體平穩(wěn)性及輪軌振動特性等各項指標良好，滿足160 km/h速度級線路相關(guān)規(guī)范標準的要求，可為該速度級的軌道減振技術(shù)提供借鑒與參考，具體結(jié)論如下：

1）軌道安全性方面，梯形軌枕軌道的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力低于規(guī)范限值較多，與既有有砟軌道一致，對速度變化不敏感，僅輪重減載率隨未平衡超高增加而略有增加。

2）軌道變形穩(wěn)定性方面，梯形軌枕軌道的鋼軌橫向動位移低于規(guī)范限值，略大于既有有砟軌道，主要是梯形軌枕采用了分開式扣件所致，鋼軌橫向動位移對速度變化不敏感；梯形軌枕軌道的鋼軌垂向動位移介于高速鐵路無砟軌道與有砟軌道限值之間，鋼軌垂向動位移的量級表明梯形軌枕的減振效果良好；梯形軌枕垂橫向動位移介于高速鐵路無砟軌道板與有砟軌枕的限值之間，對160 km/h速度級而言，完全可接受。

3）車體平穩(wěn)性方面，梯形軌枕軌道僅鄰近過渡段的個別點，160 km/h時的車體垂橫向加速度略超規(guī)范中的Ⅰ級標準，梯形軌枕軌道優(yōu)于既有有砟軌道。

4）輪軌振動特性方面，梯形軌枕軌道的鋼軌垂向振動加速度部分頻段略大于既有有砟軌道，基本屬于離散分布范圍，鋼軌橫向振動加速度與既有有砟軌道一致；梯形軌枕軌道的鋼軌垂橫向振動加速度在整個頻段未出現(xiàn)異常峰值，表明不會引起輪軌異常共振；梯形軌枕的枕中與枕端鋼軌垂橫向振動加速度基本一致，表明梯形軌枕的分塊式布置對輪軌關(guān)系無不良影響。

5）梯形軌枕強度方面，列車通過時的應(yīng)力變化值與預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加的混凝土法向應(yīng)力疊加后的組合應(yīng)力遠低于規(guī)范限值要求，表明梯形軌枕強度具有很大富余量。