雙塊式無砟軌道軌枕傷損對軌道結(jié)構(gòu)性能的影響

易強 尤瑞林 姜子清 劉浩

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國重點實驗室， 北京 100081

我國高速鐵路快速發(fā)展，軌道結(jié)構(gòu)普遍采用的是高平順性、高穩(wěn)定性的無砟軌道結(jié)構(gòu)。雙塊式無砟軌道整體性好，成本相對較低，在我國高速鐵路無砟軌道線路中廣泛應用，如武廣高鐵、貴廣高鐵、合福高鐵等［1］。雙塊式無砟軌道鋪設(shè)范圍廣，運營條件復雜，遇到極端天氣和突發(fā)災害情況時，存在無砟道床被破壞甚至斷道的風險，影響高速鐵路的正常運營。目前，國內(nèi)外對無砟軌道病害產(chǎn)生原因、影響及整治技術(shù)研究較多，但對極端天氣和突發(fā)災害引起的無砟道床傷損甚至斷道的突發(fā)情況鮮有研究，相關(guān)應急搶修技術(shù)缺乏。

國內(nèi)外學者對雙塊式無砟軌道典型傷損的產(chǎn)生機制及其靜動力影響進行了廣泛研究，包括道床板裂紋［2-5］、道床板離縫［6］、軌枕與道床板黏結(jié)失效、軌枕開裂［7-8］等病害，并考慮了溫度［9］、基礎(chǔ)變形［10］、水壓力［11］等荷載條件。結(jié)果表明，道床板裂紋萌生后，混凝土應力與縱向鋼筋應力增大，但對行車性能影響較弱；軌枕與道床板間離縫以及軌枕傷損會導致鋼軌與道床板之間約束作用降低，列車荷載作用下局部支撐作用失效，軌道結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變，附加動力作用增強。針對無砟軌道鋼軌局部約束系統(tǒng)失效問題，對彈條斷裂以及軌下墊層失效情況下高速列車的脫軌安全性進行分析，發(fā)現(xiàn)小數(shù)量的軌下支撐連續(xù)失效即對高速列車運行安全構(gòu)成極大威脅［12］。此外，扣件失效還會使相鄰位置扣件受力條件惡化［13］。道床板與軌枕塊層間傷損導致軌枕松動后，無砟軌道整體性降低，軌枕與道床振動位移與振動加速度增大，同時可導致道床板損傷的發(fā)展［14］。雙塊式無砟軌道中軌枕對于扣件系統(tǒng)穩(wěn)定性保持具有重要作用，一旦軌枕傷損失效，必然影響無砟軌道服役性能。對于雙塊式無砟軌道軌枕傷損對結(jié)構(gòu)服役性能影響研究尚不足，缺乏突發(fā)災害條件下軌枕傷損評價指標。

為使雙塊式無砟軌道因水害、火災、地震等突發(fā)災害出現(xiàn)嚴重受損的情況下實現(xiàn)傷損程度快速評判、行車條件及時科學調(diào)整、傷損高效安全修復，本文開展軌枕傷損對雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)功能的影響研究，為傷損應急處置提供技術(shù)支撐。

1 傷損形式

根據(jù)不同災害類型對雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)功能的影響分析，提出雙塊式軌枕、道床板、支承層/底座板等不同部位的傷損形式，包括：①突發(fā)火災造成混凝土開裂、爆裂、強度下降、變形、鋼筋裸露等；②突發(fā)水害傷損主要表現(xiàn)為道床板開裂、層間離縫、上拱、偏移等；③突發(fā)地震主要造成道床板和支承層開裂、斷裂、錯位、層間離縫等；④突發(fā)高溫主要導致道床板上拱變形及支承層上拱斜裂；⑤撞擊傷損主要為軌枕擋肩缺損和道床板缺損。不同類型突發(fā)災害引起的無砟道床主要傷損類型見表1。典型軌枕傷損見圖1。

圖1 極端條件下雙塊式無砟軌道典型傷損

表1 突發(fā)災害引發(fā)的雙塊式無砟軌道主要傷損形式

2 考慮軌枕失效的車輛-軌道耦合模型

突發(fā)軌枕傷損產(chǎn)生后，雙塊式無砟軌道的結(jié)構(gòu)功能將產(chǎn)生改變。在雙塊式無砟軌道的主要傷損形式中，災害導致的雙塊式無砟軌道扣件彈條斷裂、彈性墊板失效、螺栓錨固失效或擋肩失效，會直接影響軌道結(jié)構(gòu)安全服役性能。此類危害主要表現(xiàn)為鋼軌約束減弱，軌道結(jié)構(gòu)剛度不均勻性增大，引起局部位置輪軌相互作用增強，長期作用將使得軌道局部范圍永久變形，從而對軌道結(jié)構(gòu)服役性能和列車行車安全造成影響。

如圖2所示，建立車輛-無砟軌道空間耦合動力學模型。模型中，車體考慮為多剛體，軌道結(jié)構(gòu)考慮為彈性軌道。鋼軌采用連續(xù)彈性離散點支承上的有限長Timoshenko 梁模型來模擬，扣件簡化為離散的阻尼-彈簧體系，道床板和軌枕采用有限單元模型來模擬。輪軌接觸模型采用Kik-Piotrowski 接觸模型，假設(shè)輪軌法向接觸應力通過接觸區(qū)域的幾何點滿足接觸條件求得，切向接觸問題通過改進的FASTSIM 算法求解。

圖2 車輛-軌道耦合動力學計算模型

軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)：采用CHN60鋼軌；扣件縱向、橫向以及橫向剛度分別為kx= 10 kN/mm，ky= 100 kN/mm，kz= 25 kN/mm，扣件阻尼10 kN·s/m；模型長120 m，傷損位置在60 m處。

模型中，軌道不平順采用德國高速鐵路低干擾譜，列車速度取250 km/h。仿真分析扣件錨固性能失效（套管損壞或螺旋道釘損壞）以及擋肩失效對行車動力響應的影響，其中錨固性能失效采用扣件垂向剛度失效模擬，擋肩失效采用扣件橫向剛度失效模擬。分析過程中，主要考慮四種工況，即無傷損、單個軌枕傷損、連續(xù)3 個軌枕傷損和連續(xù)4 個軌枕傷損。雙塊式無砟軌道局部失效模擬見圖3。

圖3 雙塊式無砟軌道局部失效模擬

3 仿真結(jié)果及分析

對比分析單側(cè)扣件失效與雙側(cè)扣件同時失效對輪軌力影響的差異。連續(xù)4個扣件完全失效時輪軌力計算結(jié)果見圖4。可知：在失效扣件個數(shù)相同的情況下，雙側(cè)同時失效導致的輪軌垂向力波動幅值更大，容易導致輪軌減載率超限；單側(cè)和雙側(cè)扣件失效對輪軌力影響差異較小。因此，在直線地段分析中，按雙側(cè)扣件失效進行計算；對于曲線地段，由于橫向力增加，按單側(cè)與雙側(cè)失效分別考慮。

圖4 單側(cè)和雙側(cè)扣件失效對比

3.1 直線地段

3.1.1 扣件錨固性能失效

扣件錨固性能失效（垂向失效）情況下，輪軌力、安全性指標及鋼軌振動響應變化曲線見圖5?？芍孩賳蝹€扣件錨固性能失效時，輪軌作用力和安全性指標所受影響較小，鋼軌垂向位移和振動加速度略有增大；連續(xù)3個扣件錨固性能失效時，輪軌垂向力明顯增大；連續(xù)4個扣件失效時，輪軌垂向分離，減載率超限。②從鋼軌振動響應來看，單個扣件錨固失效時，鋼軌垂向最大位移由1.1 mm 增至1.8 mm；連續(xù)3 個扣件失效時，鋼軌垂向位移達到4.9 mm，超過TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》中2.0 mm 的限值要求；連續(xù)3個扣件失效時，鋼軌垂向振動加速度顯著增大，相對無傷損情況下增加約3倍。

3.1.2 扣件擋肩失效

扣件擋肩失效（橫向失效）情況下，輪軌力及鋼軌振動響應變化曲線見圖6?？芍嚎奂跫缡嗆壸饔昧Φ挠绊懖⒉伙@著，對安全性指標也不會產(chǎn)生明顯的影響；扣件擋肩失效主要導致鋼軌橫向變形及橫向振動加速度增大，連續(xù)3 個扣件擋肩失效時鋼軌橫向位移由0.2 mm 增至0.6 mm，橫向振動加速度增大約1倍。

圖6 直線地段扣件擋肩失效時輪軌力及鋼軌振動響應變化曲線

3.2 曲線地段

由于曲線地段存在超高，高速列車通過時輪軌橫向力較直線地段有所增加，扣件所受橫向作用力明顯，因此，有必要分析曲線地段雙塊式軌枕傷損對無砟軌道動態(tài)服役性能的影響。設(shè)置緩和曲線長度為690 m，圓曲線半徑7 km，超高150 mm，列車速度為250 km/h。由于軌枕擋肩失效對無砟軌道影響較小，因此曲線地段考慮局部軌枕作用完全失效，設(shè)置扣件失效個數(shù)為4個，分別考慮曲線內(nèi)側(cè)失效、曲線外側(cè)失效以及雙側(cè)失效三個工況。計算結(jié)果見圖7。

圖7 曲線地段扣件失效時輪軌力及安全性指標變化曲線

由圖7 可知：與直線地段相似，連續(xù)4 個扣件失效時，輪軌垂向發(fā)生分離，輪軌垂向力減至0，輪重減載率超過0.8 的限值；曲線內(nèi)軌（外軌）扣件失效主要對內(nèi)軌（外軌）的輪軌垂向力產(chǎn)生影響，導致失效一側(cè)輪軌力波動明顯增強；曲線地段輪軌橫向力較大，扣件失效使得內(nèi)外軌橫向力波動均有所增加，但增幅不顯著；當雙側(cè)扣件失效時，脫軌系數(shù)增至0.3。

綜上，突發(fā)災害導致的軌枕錨固性能及擋肩失效對無砟軌道結(jié)構(gòu)功能及行車安全性的影響明顯。雙塊式無砟軌道扣件的錨固性能連續(xù)失效個數(shù)不宜超過3 個。當連續(xù)3 個扣件錨固性能失效時，高速列車行車安全指標增大明顯，輪重減載率容易超限。軌枕擋肩失效對輪軌系統(tǒng)動力響應影響較弱，但軌枕擋肩對于扣件系統(tǒng)穩(wěn)定性保持具有重要作用。雙塊式軌枕擋肩失效時，長期輪軌荷載作用下，可導致扣件系統(tǒng)螺栓松動甚至退出，影響整個扣件系統(tǒng)的使用效果。因此，與扣件系統(tǒng)螺栓失效相同，扣件擋肩連續(xù)失效個數(shù)不宜超過3個。

4 結(jié)論

1）雙塊式無砟軌道軌枕錨固性能失效對列車行車性能影響較為明顯。連續(xù)3 個錨固螺栓失效后，輪軌相互作用以及軌道結(jié)構(gòu)振動響應顯著增大。

2）軌枕擋肩失效對列車行車性能和軌道結(jié)構(gòu)動力響應影響不明顯。

3）曲線地段軌枕失效對輪軌垂向力、輪重減載率的影響與直線地段類似；曲線地段輪軌橫向力較大，扣件失效使橫向力增幅明顯，因而對脫軌系數(shù)影響較為顯著。

4）為保證雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)功能性及行車安全，突發(fā)災害導致的軌枕錨固性能連續(xù)失效個數(shù)不宜超過3個；為保障扣件系統(tǒng)穩(wěn)定性，軌枕擋肩連續(xù)失效個數(shù)也不宜超過3個。