磁懸浮論文：磁懸浮列車的軌道施工工藝

1、磁懸浮列車的軌道施工工藝第1章：磁懸浮鐵路軌道梁初探 3第2章：板式無(wú)碴軌道 .10第3章：上海磁懸浮鐵路軌道梁預(yù)應(yīng)力施工 .16附：參考文獻(xiàn) . 16第一章：磁懸浮鐵路軌道梁初探磁懸浮鐵路軌道梁初探 軌道梁是磁懸浮鐵路的重要組成部分， 也是在磁懸浮鐵路的一上 木上程部分技術(shù)難度最大的。 本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外磁懸浮鐵路的現(xiàn)狀及京 滬高速鐵路磁懸浮方案設(shè)計(jì)研究， 對(duì)磁懸浮鐵路軌道梁做了些初步探 討。1 概述磁懸浮鐵路系統(tǒng)是一種新型的有導(dǎo)向軸的交通系統(tǒng)。 磁懸浮列車主要依靠電磁力實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)銳路的支承、導(dǎo)向和牽引 功能。由于運(yùn)行的磁懸浮列車和線路之間無(wú)機(jī)械接觸， 從根本上突破 了輪軌鐵路中輪軌關(guān)系和弓軌關(guān)系

2、的約束， 而磁懸浮列車可以比輪軌 鐵路更經(jīng)濟(jì)地達(dá)到較高的速度（400八-500km/h ）,對(duì)環(huán)境的影響較小。低速運(yùn)行的磁懸浮列車， 在環(huán)境保護(hù)方而也比其他公共交通具有 明顯優(yōu)勢(shì)。目前達(dá)到或接近應(yīng)用水平的磁懸浮鐵路系統(tǒng)，集中在德國(guó)和日 本。京滬高速鐵路磁懸浮方案可行性研究設(shè)計(jì)參照的是德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)， 以下就結(jié)合德國(guó)磁懸浮鐵路和京滬高速鐵路磁懸浮方案可行性研究 設(shè)計(jì)對(duì)磁懸浮軌道梁做些初步探索。磁懸浮列車主要依靠電磁力實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鐵路的支承、導(dǎo)向和牽引 功能，在支承磁懸浮列車運(yùn)行的結(jié)構(gòu) （一般稱為軌道梁 ）_卜完成列車 的導(dǎo)向、牽引等功能的構(gòu)件一般稱為功能件， 主要包括長(zhǎng)定子 （卜而 ）、 支承滑行軌 （

3、們）及側(cè)向?qū)к?，長(zhǎng)定子用一于提供支承力 （吸力 ）和牽引 力，支承滑行軌用于列車降落時(shí)提供接觸支承滑行軌面， 側(cè)向軌土要 用于控制列車運(yùn)行方向。山于磁懸浮列車車體結(jié)構(gòu)是固定不變的， 所 以軌道梁上功能件的位置是嚴(yán)格固定的， 軌道梁設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸 嚴(yán)格受到此條件的限制。根據(jù)支承梁的結(jié)構(gòu)形式和功能區(qū)與支承梁的連接方式，目前研 究較成熟的軌道梁主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式；鋼結(jié)構(gòu)軌道梁（土要跨徑24. 768m ,30. 960m ）鋼筋混凝土板軌道（土要跨徑6. 192m）;鋼筋混凝上二型軌道梁（土要跨徑12. 384m）;鋼和預(yù)應(yīng)力混凝上復(fù)合型軌道梁（土要跨徑）預(yù)應(yīng)力混凝上軌道梁（主要跨徑為24.

4、768m ）。受功能件模塊化的影響，軌道梁的長(zhǎng)度嚴(yán)格按功能件的長(zhǎng)鐵 芯定子標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為1. 032m）的整數(shù)倍取值。京滬高速鐵路磁懸浮方 案可行性研究時(shí)軌道梁的長(zhǎng)度模數(shù)采用了6個(gè)鐵芯定子長(zhǎng)度（即6.192m ）軌道梁跨度（梁縫中心線的長(zhǎng)度）般為6. i920m,12. 3840m,18. 5760m> 24.7680m、30. 9600m、37.1520m。2.德國(guó)磁懸浮線軌道梁概況iV壓if試爭(zhēng)t匹旺慎 irn）MAM(kmli)1(fi U)90i 29*0 l R-8t»FH >IM佩片住樂(lè).制41 1載3mZMi砧蟹Fit曲. 就即武閥駅1 C41971ICO( A

5、HRIJT 7.2m51974i mjo(4CL3619742400；Ft-800-3loom)201&躬規(guī)性血男成睦 支家齡廈l7-2Dtn7啊T刪）丹蟹曜理帀¥翔即1$丄4仇Mm沖L1987利林卜.他林集此用3-7m2.1德國(guó)磁懸浮試驗(yàn)線及軌道梁修建概況（見(jiàn)表1）表2mm栽IB形貳鋼2X12倒梯形即鑒2X 12.41僧梯險(xiǎn)tff集2X3J2X312312單希梁12A1*型梁2X3.10.22板梁混2X3t2單橋面板兩側(cè) 拼接功能件塀梁1 12X12.41單橋商板兩拼接功能ff嗣梁| 2X312橋而為20cw1混猷土樁 2. 2柏林一漢堡線選用的軌道梁情況（見(jiàn)表 2）德國(guó)在

6、90年代末對(duì)柏林一漢堡的磁懸浮鐵路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，現(xiàn)在 還沒(méi)有開(kāi)始施設(shè)計(jì)中軌道梁采用現(xiàn)場(chǎng)制梁廠預(yù)制，汽車運(yùn)輸、自行式吊機(jī)架設(shè)。3.軌道梁的結(jié)構(gòu)形式比較和選用3. 1鋼結(jié)構(gòu)軌道梁鋼梁的土要跨度為24. 768和30. 960m,山于其具有非常好的強(qiáng) 度、剛度、抗饒度性，而月.可以在計(jì)算機(jī)測(cè)量和控制下完成從設(shè)計(jì)、 切割、焊接、機(jī)加_上的全部制造過(guò)程并目可以完全按照理想曲線的 精度要求加一 L,對(duì)磁懸浮列車線路是最理想的。但用于加上這種鋼梁 的機(jī)床是一座行走長(zhǎng)度62m的6軸數(shù)控銑床，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有能力生 產(chǎn)這樣的銑床，如果引進(jìn)價(jià)格較貴。另外鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)上程中運(yùn)用時(shí)價(jià)格比混凝上結(jié)構(gòu)FGIG貴，增加了 L程造

7、價(jià)圖1為鋼結(jié)構(gòu)軌道梁的截而，被應(yīng)用在埃姆斯蘭磁懸浮鐵路試驗(yàn) 線大約5公里長(zhǎng)的北環(huán)線卜。I圖1髓度為24兀亦鋼軸一體化鋸緞軌逋梁3. 2鋼筋混凝土板軌道梁（見(jiàn)圖2）鋼筋混凝上板軌道梁跨度一般為 6. 192m,技術(shù)很成熟的。鋼筋混凝土板軌道梁在梁體制作及功能件制作、安裝等較鋼結(jié)構(gòu)軌道梁簡(jiǎn) 單，但由于軌道梁的跨度小，使橋梁的橋墩數(shù)量成倍的增加，基礎(chǔ)部 分的投資增加很多，而目_影響城市景觀。一般適用于低置線路及車 站，橋而距地而高一般為1. 25 一 3. 5m。同時(shí)，也可用作現(xiàn)澆施工的大跨度橋。KIS2跨廢為圧帖加鋼廊狀吐扳梁軸逋舷橋敬截面圖3. 3鋼筋混凝土二型軌道梁（見(jiàn)圖3）鋼筋混凝土二型軌道

8、梁般跨度為12. 384m,技術(shù)較成熟的。受跨 度的限制，該類型的軌道梁一般適合于線路高度在 3. 5IOm左右的 情況。II圈3304型軌道探IL面圖3. 4預(yù)應(yīng)力混凝土復(fù)合梁預(yù)應(yīng)力混凝土復(fù)合梁是以跨度 2X24. 768m或2 X 30. 960m兩跨 預(yù)應(yīng)力混凝上連續(xù)梁作為支撐結(jié)構(gòu)，然后在梁的兩側(cè)通過(guò)預(yù)埋件與 3. 096m長(zhǎng)的鋼結(jié)構(gòu)功能件相連，由多條鍘架構(gòu)功能件短平面構(gòu)成一 個(gè)連續(xù)的近似理想曲面。盡管精度要求遜于鋼梁，但是可以把預(yù)應(yīng)力 混凝土梁和鋼功能件分別按標(biāo)準(zhǔn)制作，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，便于組織多家廠商生產(chǎn)供貨，緩和施工周期緊的矛盾，可以不再需要常用大型 6軸銑床。對(duì)于2X24. 76

9、8m或2 X 30. 960m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁而 言，不管是設(shè)計(jì)還是施工，在國(guó)內(nèi)都是成熟技術(shù)。在德國(guó)的埃母斯蘭 試驗(yàn)線上對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝上復(fù)合梁進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，它也曾是德國(guó)準(zhǔn)備建造的柏林一漢堡磁懸浮線路的主要結(jié)構(gòu)形式，其工程可靠性是有基 礎(chǔ)的。上海磁懸浮線.路卜，采用的是混合型軌道梁，和我們?cè)O(shè)計(jì)的梁 型相比較，安裝功能們的懸臂端在前期和主梁體是分離的，架梁后， 通過(guò)螺栓與軌道梁連接，山于功能件鋼梁不參與軌道梁的整體受力， 造成軌道梁土翼緣有效寬度變小，剛度降低。為此，將軌道梁底板寬， 并增加梁高，以保證結(jié)構(gòu)的剛度和自振頻率，其結(jié)果使梁體重量加大。 采用混合型軌道梁的優(yōu)點(diǎn)是施_L工藝簡(jiǎn)單，有利于保

10、證功能件的尺 寸精度。3. 5京滬高速鐵路磁懸浮方案軌道梁結(jié)構(gòu)選型結(jié)合我國(guó)國(guó)情，如果大量采用鋼結(jié)構(gòu)軌道梁勢(shì)必增加很多 L程投 資，一般宜優(yōu)先選擇混凝土結(jié)構(gòu)。在線路高度低于 10m時(shí)，選擇鋼 筋混凝土板軌道梁、鋼筋混凝上：型軌道梁是有足夠優(yōu)勢(shì)的；在線路高 度大于IOm左右時(shí)，軌道梁的跨度一般宜選擇在 24m31m左右，而 此種跨度的軌道梁目前結(jié)構(gòu)形式較多。 木項(xiàng)目通過(guò)初步研究后，提出 了采用預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖 40預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁懸臂在軌道梁梁體預(yù)制時(shí)就和主梁體連在一 起，增加了軌道梁的整體剛度，簡(jiǎn)化了梁體的橫截面，節(jié)省材料，可 降低造價(jià)，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用降低，但軌道梁在

11、預(yù)制過(guò)程中增加了功能件 安裝的難度。圖4跨虔為24J68e隣黔預(yù)應(yīng)力混褪土連續(xù)梁仙京滬高速鐵路磁懸浮方案設(shè)計(jì)研究采用的軌道梁梁型在豎向列 車荷載作用下的部分技術(shù)指標(biāo)如下mar崛誹幕角w tiff tr.W Ki輪屋0, 0004516756FI49B05&雖fl. 92 * 3<. W 1o mmimi239045. i4結(jié)束語(yǔ)本章僅對(duì)磁懸浮軌道梁做了些初步探討，并結(jié)合京滬高速鐵路磁 懸浮方案設(shè)計(jì)研究，經(jīng)過(guò)計(jì)算，預(yù)應(yīng)力混凝上軌道梁的技術(shù)參數(shù)均符 合要求，但是這種梁型需要提高制梁一 L藝以保證軌道梁在懸臂端安 裝功能件的制造精度。第二章：上海磁懸浮鐵路軌道梁預(yù)應(yīng)力施工上海磁懸浮工程

12、為國(guó)家重點(diǎn)工程， 既是國(guó)內(nèi)興建的首條磁懸浮鐵 路，也將是世界上首次用于商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁 b.浮鐵路。它東起上海浦東 機(jī)場(chǎng)，西至龍陽(yáng)地鐵站，全長(zhǎng)約 30krn,設(shè)計(jì)時(shí)速450kr可h,總投 資約 90 億元。1 軌道梁概況磁懸浮列車卞要依靠電磁力實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鐵路的支承、 導(dǎo)向和牽引功 能,而實(shí)現(xiàn)這一功能的卞要部件就是導(dǎo)向軌。 導(dǎo)向軌卞要由兩部分組 成:導(dǎo)向軌的功能件，包括長(zhǎng)定了、支承滑行軌及側(cè)向?qū)к墸欢褐谓Y(jié)構(gòu)，包括各種形式的軌道梁。由于磁 b.浮列車以高速度運(yùn)行，同時(shí) 要求列車通過(guò)時(shí)導(dǎo)向軌零撓度, 因此,對(duì)軌道梁兒何形狀精度和抗變 形、抗震、抗裂等性能提出了高要求,并對(duì)梁體施工的實(shí)際狀況和測(cè) 試結(jié)果予

13、以評(píng)定。 所以,在軌道梁中鋪設(shè)了大量的預(yù)應(yīng)力筋并進(jìn)行張 拉,以提高構(gòu)件性能。軌道梁的規(guī)格有12 ,21 ,24 ,SOrn梁,24m梁中錨具及鋼絞線在梁 上布置如圖 1 所示。鋼絞線采用 270 級(jí)高強(qiáng)低松弛鋼絞線，直徑 15. 24mrn，每股公稱面積140rnrn2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa，技術(shù)條件符合 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝土用無(wú)涂層七茲鋼絞線技術(shù)條件ASTMA416M-98 III 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線 GB/T5224-1995 的規(guī)定。后 張預(yù)應(yīng)力錨具應(yīng)滿足 預(yù)應(yīng)力筋用錨具、 夾具和連接器 )kB/T 143702000 規(guī)定的 I 類錨具要求,嚴(yán)禁出現(xiàn)斷茲和滑茲。由于后張錨具是關(guān)鍵的

14、受力件, 其質(zhì)量和施工水平將直接影響梁 中的應(yīng)力分布。 為此，選用柳州海威姆公司生產(chǎn)的新型 HVM 15 系列 錨具。該錨具采用計(jì)算機(jī)有限元技術(shù)對(duì)錨固件進(jìn)行了受力分析， 通過(guò) 研究夾片和錨板的尺寸配合關(guān)系， 對(duì)原有的錨夾具錨固單元進(jìn)行分析 的同時(shí)，也采用同樣的邊界條件、單元?jiǎng)澐址椒ā⒑奢d、單元類型對(duì) 新設(shè)計(jì)的錨固單元進(jìn)行分析。 對(duì)比兩者的受力情況， 特別是兩者鋼絞 線的應(yīng)力集中程度，以選取優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使得錨具結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化， 適應(yīng)性強(qiáng)，預(yù)應(yīng)力損失小， 確保了工程質(zhì)量并提高了預(yù)應(yīng)力施工的安 全性和可靠性。新型 HVM 15 錨具錨固單元有限元分析計(jì)算結(jié)果如圖 2 所示，圖 2 中左邊為鋼絞線的軸

15、對(duì)稱單元，中間為夾片單元，右邊 為錨板單元。由圖 2 可見(jiàn)，鋼絞線在夾片小端發(fā)生頸縮，說(shuō)明錨具的 錨固性能很好，可以達(dá)到很高的錨固效率系數(shù)。 T5224-1995 的規(guī)定。 后張預(yù)應(yīng)力錨具應(yīng)滿足預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器 )kB/T 14370- 2000 規(guī)定的I 類錨具要求，嚴(yán)禁出現(xiàn)斷茲和滑茲。 由于后張錨具是關(guān)鍵的受力件，其質(zhì)量和施工水平將直接影響梁 中的應(yīng)力分布。 為此，選用柳州海威姆公司生產(chǎn)的新型 HVM 15 系列 錨具。該錨具采用計(jì)算機(jī)有限元技術(shù)對(duì)錨固件進(jìn)行了受力分析， 通過(guò) 研究夾片和錨板的尺寸配合關(guān)系， 對(duì)原有的錨夾具錨固單元進(jìn)行分析 的同時(shí)，也采用同樣的邊界條件、單元?jiǎng)澐?/p>

16、方法、荷載、單元類型對(duì) 新設(shè)計(jì)的錨固單元進(jìn)行分析。 對(duì)比兩者的受力情況， 特別是兩者鋼絞 線的應(yīng)力集中程度，以選取優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使得錨具結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化， 適應(yīng)性強(qiáng)，預(yù)應(yīng)力損失小， 確保了工程質(zhì)量并提高了預(yù)應(yīng)力施工的安15-7HVM15 m 1軌道梁端面團(tuán)2錨固蟲(chóng)元有限元分析全性和可靠性。新型HVM 15錨具錨固單元有限元分析計(jì)算結(jié)果如圖 2所示，圖2中左邊為鋼絞線的軸對(duì)稱單元，中間為夾片單元，右邊 為錨板單元。由圖2可見(jiàn)，鋼絞線在夾片小端發(fā)生頸縮，說(shuō)明錨具的 錨固性能很好，可以達(dá)到很高的錨固效率系數(shù)。單孔連接器反力m工具錨粗口頂欽塊臺(tái)唾2施工過(guò)程梁頂部和底部的成排鋼絞線為先張部分，中間4束鋼絞線

17、為后張部分。張拉施工前丁 斤頂和油表需到法定計(jì)量單位配套標(biāo)定，并取 得相應(yīng)的標(biāo)定報(bào)告，后張錨具還需做靜載試驗(yàn)，合格后方可進(jìn)行施工。2. 1先張施工圖s先張法施丄示意將有內(nèi)模的鋼筋骨架綁扎好， 并同時(shí)安裝好波紋竹和螺旋筋， 穿 入鋼絞線后用吊車吊至預(yù)定位置，準(zhǔn)備工作完成后按如下順序施工 （見(jiàn)圖3） : 1,鋼絞線穿過(guò)端模板；目單孔連接器連接張拉臺(tái)架上的 1 段鋼絞線 ;國(guó)月 4 臺(tái)臺(tái)架上的丁斤頂對(duì)鋼絞線整體預(yù)緊 ;匹在臺(tái)架 和油缸之間插入 U 形鐵塊，4 臺(tái)丁斤頂卸壓 （上、下各 2 臺(tái)）；圓刊前 卡丁斤頂逐根張拉至計(jì)控制應(yīng)力；待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，丁斤頂頂出，取出 U 形鐵塊，緩慢卸壓，鋼絞

18、線放松，割掉梁端頭 富余的鋼絞線 （放張過(guò)程 ）。鋼絞線先張施工結(jié)束后澆注混凝土，然后蓋帆布蒸養(yǎng)約2. 5d,使混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 80%左右， 脫模后將預(yù)制梁從制梁車間移至外面的空地上進(jìn)行后張施工。 先張法 張拉時(shí)，梁與梁間用單孔連接器將鋼絞線連起來(lái)，3片12m梁或2片 24m 梁即可同時(shí)張拉， 大大加快了施工進(jìn)度， 并節(jié)省了張拉臺(tái)座和張 拉設(shè)備，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。2. 2 后張施工2. 2. 1 安裝波紋竹、螺旋筋、錨墊板因波紋竹重量輕、體積大、運(yùn)輸 成本高，所以采用現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器卷制金屬波紋竹。 波紋竹安裝盡量按照?qǐng)D 紙要求，每隔一定距離用細(xì)鋼筋綁扎牢固， 防止?jié)沧⒒炷習(xí)r竹道上 浮

19、和偏位。當(dāng)波紋竹與普通鋼筋相碰時(shí)，鋼筋可作適當(dāng)調(diào)整。波紋竹 安裝好后嚴(yán)禁焊接作業(yè)， 防止燒傷竹壁造成漏漿， 同時(shí)先將鋼絞線穿 入波紋竹中， 避免萬(wàn)一竹道有少量漏漿時(shí)無(wú)法穿索的局面。 錨墊板用 螺栓固定在端模上，靠模時(shí)注意錨墊板與波紋竹必須垂直。張拉、錨固以圖 1 所示的 24m 梁為例，在后張施工中，軌道梁與以往預(yù)制梁不同的是：它先對(duì)下邊的2束鋼絞線用11孔錨具張拉到 設(shè)計(jì)應(yīng)力，上邊的7孔錨具及鋼絞線用膠帶紙粘好封住，防止鋼絞線 腐蝕和雨水進(jìn)入波紋竹內(nèi)，待混凝土的收縮徐變完成，即約2個(gè)月后 再進(jìn)行張拉、灌漿。由于施工單位不同，采用了多孔頂壓錨固和限位 板限位后夾片跟進(jìn)自錨兩種錨固工藝。張拉控制

20、應(yīng)力均為鋼絞線標(biāo)準(zhǔn) 抗拉強(qiáng)度的65%左右（12 ,24m梁）。張拉方式為4臺(tái)丁斤頂對(duì)2束鋼絞線兩端同時(shí)張拉。張拉程序如下：開(kāi)始葉初應(yīng)力（0.1 y-）葉 0. 2 y.-葉 0. 5 y-控制張拉力（嗽11）葉持荷2 Srnin葉頂壓葉放張錨固f工貝錨活塞-fa-三位四通閥 注曽匸11 1*:回油t進(jìn)油j抽缸加圧器，”工作筋混凝1-.圖4¥CW250fk200DY型多孔頂壓千斤頃示意多孔頂壓錨固方式采用 YCW 2501 200DY型多孔頂壓丁 斤頂 進(jìn)行后張施工。此類丁斤頂在國(guó)內(nèi)較少運(yùn)用，其原理如圖 4所示。 卞要參數(shù)如下：公稱張拉力 2480kN;公稱頂壓力 240kN;張拉行程

21、 200rrnn;頂壓行程 21mn;公稱油壓 54MPa;公稱頂壓油壓 21MPa與限位后夾片自動(dòng)跟進(jìn)的方法相比，頂壓錨固方法在實(shí)踐中更能減少 夾片對(duì)鋼絞線的J傷A安裝張拉設(shè)備的速度較快，但張拉不同孔數(shù) 的錨具時(shí)需更換頂壓器，目較為笨重。采用 2種不同的錨固工藝，HVM 錨具均能使鋼絞線回縮值滿足規(guī)范要求。灌漿待預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢后，立即進(jìn)行孔道壓漿。第三章：板式無(wú)碴軌道動(dòng)力學(xué)性能分析隨著現(xiàn)代高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展， 以少維修或不維 修為特點(diǎn)的板式軌道得到了較快發(fā)展。 本文以秦沈客運(yùn)專線板式軌道 為研究對(duì)象，建立了板式軌道一高速列車藕合動(dòng)力學(xué)模型。模型中， 針對(duì)軌道板的幾何特性和受力

22、特點(diǎn)， 采用了彈性薄板單元而不采用簡(jiǎn) 化的梁?jiǎn)卧?針對(duì)板式軌道可能出現(xiàn)的短波不平順形式， 如焊接接頭 不平順、豎錯(cuò)不平順進(jìn)行了系統(tǒng)分析， 通過(guò)對(duì)車輛系統(tǒng)及軌道部件動(dòng) 力響應(yīng)的分析比較， 指出了常見(jiàn)短波不平順的合理限值， 即在中高速 線路上，焊接凹接頭不平順的幅值戈+占2三0.3mm,特別是短波長(zhǎng)（兄 三o.lm）不平順戈三o.lmm,焊接凸起不平順?lè)嫡?osmm,豎錯(cuò)不 平順?lè)礹 ' Zmm。應(yīng)用模型進(jìn)行了板式軌道的參數(shù)研究，主要是針 對(duì)板式軌道的扣件剛度和 CA 砂漿厚度來(lái)進(jìn)行 :系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的分析結(jié) 果顯示,降低板式軌道的扣件剛度, 可以明顯改善板式軌道和車輛部 件的動(dòng)力學(xué)性能

23、, 但由于扣件剛度過(guò)小又會(huì)增大列車前進(jìn)的阻力, 綜 合考慮軌道板及 CA 砂漿的受力情況,建議板式軌道的扣件剛度取 30 一 60kN/mm;而改變CA砂漿厚度對(duì)于改善軌道及車輛的動(dòng)力性能影 響不大,建議對(duì)于 CA 砂漿厚度的選擇按照施工方便及經(jīng)濟(jì)性要求確 定。1無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀 高速鐵路軌道是承受高速列車運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)備,由于列車速度 高,車輛和線路的振動(dòng)問(wèn)題非常突出。 高速列車輪軌系統(tǒng)的振動(dòng)加速 度、不平衡加速度和沖擊動(dòng)能均與速度的平方成比例, 所以隨著速度 增加，輪軌之間的動(dòng)力作用急劇增加，導(dǎo)致軌道變形加速、部件損傷 加快、軌道穩(wěn)定性降低，直接影響高速列車的平穩(wěn)舒適、安全可靠地 運(yùn)行。

24、日前， 高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)主要有兩種類型 :有碴軌道和無(wú)碴軌道。 從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，兩種軌道都可以運(yùn)行 3O0km/h 以上的高速列車， 如法國(guó)高速鐵路和日本的山陽(yáng)新干線均全部或部分鋪有有碴軌道， 列 車速度已經(jīng)達(dá)到30Okm/h，雖然法國(guó)也在對(duì)無(wú)碴軌道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究， 但至今在 TGv 運(yùn)營(yíng)線上仍全部采用有碴軌道。德國(guó)高速列車軸重較 大，且客貨混跑， 其有碴軌道破損嚴(yán)重，要求換鋪無(wú)碴軌道的呼聲甚 高。有碴軌道在高速列車載荷的反復(fù)作用下，殘余變形積累很快，而 且沿線路方向的變形積累和軌道剛度分布不均勻， 從而造成軌道不平 順，影響列車運(yùn)行的舒適性和安全性， 同時(shí)顯著增加軌道的養(yǎng)護(hù)維修 工作量，加大鐵

25、路的運(yùn)營(yíng)投入。 為了提高軌道在高速運(yùn)行條件下的穩(wěn) 定性和平順性， 減少軌道維修量， 世界各國(guó)的高速鐵路上都盡量采用 無(wú)碴軌道。相比于有碴軌道，無(wú)碴軌道具有一系列特點(diǎn) :一方面，無(wú)碴軌道具有軌道平順性高、剛度均勻性好、軌道幾何 形位能持久保持以及維修工作量可顯著減少等明顯優(yōu)點(diǎn)。 無(wú)碴軌道修 建時(shí)所增加的投入經(jīng)費(fèi)， 一般可在一個(gè)線路大修周期內(nèi)依靠所節(jié)省的 線路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用收回投資。另一方面， 無(wú)碴軌道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中一旦產(chǎn)生病害， 維修將十分困 難。因此對(duì)無(wú)碴軌道的適用范圍、設(shè)計(jì)條件和施工技術(shù)等問(wèn)題，都必 須十分重視。一般來(lái)講，無(wú)碴軌道主要適用于橋梁、隧道、石質(zhì)路基 等具有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的線路地段， 對(duì)于土

26、質(zhì)路基， 因很難解決列車反復(fù)作 用下的路基的下沉問(wèn)題， 修建無(wú)碴軌道存在較多的技術(shù)問(wèn)題， 同時(shí)費(fèi) 用十分昂貴。 無(wú)碴軌道雖然具有較均勻的軌道剛度， 但應(yīng)當(dāng)使軌道具 有與有碴軌道相當(dāng)?shù)膹椥裕?以緩解高速列車的動(dòng)力沖擊作用， 為此須 增設(shè)如瀝青砂漿或橡膠等彈性墊層， 同時(shí)為完成軌道高低與方向的調(diào) 整而使得扣件的結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜化。 在無(wú)碴軌道的施工過(guò)程中， 需要精 確的施工控制等技術(shù)，對(duì)施工組織和施工工藝等提出了更高的要求。 有碴軌道和無(wú)碴軌道各有各的優(yōu)缺點(diǎn)， 在高速鐵路上究竟應(yīng)鋪何種類 型軌道結(jié)構(gòu)， 應(yīng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度全面衡量決定。 從目前世界各國(guó)高 速鐵路的運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看， 列車速度低于 300km

27、/h 時(shí)，橋隧區(qū)段可鋪設(shè) 無(wú)碴軌道，路基上宜鋪設(shè)有碴軌道，當(dāng)行車速度大于 300km/h 時(shí)，采用無(wú)碴軌道可較好保持軌道的平順性， 有利于高速行車 了口。1.1 國(guó)外情況各國(guó)發(fā)展的無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)型式多樣， 且都有較為成功的例子。 經(jīng) 過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，一般認(rèn)為日本的板式無(wú)碴軌道 （以下簡(jiǎn)稱板式軌 道）和德國(guó)的Rheda型無(wú)碴軌道（簡(jiǎn)稱Rheda軌道）以及用于隧道的彈性 支承塊式無(wú)碴軌道比較成熟 40。日本板式無(wú)碴軌道 日本是發(fā)展無(wú)碴軌道較早、較快的國(guó)家，為了適應(yīng)高速行車的需要， 解決線路維修的困難，以及由于山陽(yáng)、東北、上越等新干線橋隧工程 結(jié)構(gòu)占全線的比例非常大，從 60 年代中期以來(lái)，日本鐵路

28、成功地研 制發(fā)展了板式軌道。 東北、上越新干線板式軌道分別占全線延長(zhǎng)公里 的 90% 和 93% 。目前 A 型板式軌道己標(biāo)準(zhǔn)定型，并作為基本軌道結(jié) 構(gòu)推廣應(yīng)用。日本板式軌道結(jié)構(gòu)由軌道板、水泥瀝青砂漿 (CA 砂漿 ) 和混凝土基礎(chǔ)三大部分組成。鋼軌鋪設(shè)在軌道板上， CA 砂漿作為軌 道板的彈性墊層， 同時(shí)可以通過(guò)再次灌注 CA 砂漿對(duì)軌道板進(jìn)行一定 程度上的調(diào)整。 混凝土基礎(chǔ)上每間隔一定距離布置凸型擋臺(tái)， 以承受 軌道的縱、橫向力。A型軌道板的長(zhǎng)度通常為5, oom,寬度為2.34m, 厚度xgomm, CA砂漿厚度4omm。日本鐵路廣泛鋪設(shè)板式軌道，截 至1997年底已鋪設(shè)了 2400km

29、，主要用于橋梁和隧道地段。近幾年,隨著北陸等新干線的建設(shè),板式軌道又有了較大發(fā)展, 主要在以下幾個(gè)方面 :(1) 可用于露天地段使用的土路基上板式軌道；(2) 為節(jié)約混凝土用量、降低造價(jià),發(fā)展了框架型板式軌道 ;(3) 為了提高 CA 砂漿的灌注效率, 節(jié)約模板用量, 發(fā)展了 CA 砂漿的 編織袋灌注方法 ；(4) 在人口稠密的居民區(qū), 為了降低噪聲的干擾, 在軌道板和 CA 砂漿 墊層間鋪設(shè) 25mm 厚的橡膠墊層,發(fā)展了防振型板式軌道。德國(guó) Rheda 型無(wú)碴軌道1972 年原西德鐵路在 Rheda 車站試鋪了由德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)陸地 交通工程試驗(yàn)中心開(kāi)發(fā)的枕式無(wú)碴軌道, 軌下基礎(chǔ)由整體混

30、凝土枕和 現(xiàn)澆鋼筋混凝土板組合而成，稱為Rheda型無(wú)碴軌道。運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明， 試鋪在Rheda車站的枕式無(wú)碴軌道，除少量調(diào)整鋼軌扣件作業(yè)以外， 幾乎沒(méi)有其他作業(yè),維修工作量很少,顯示出良好的質(zhì)量與性能,這 種無(wú)碴軌道經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和完善，現(xiàn)已把它標(biāo)準(zhǔn)定型為Rheda型無(wú)碴 軌道，并廣泛應(yīng)用在土質(zhì)路基上隧道內(nèi)和高架橋上1.1.3 英國(guó)以 CT 軌道英國(guó)鐵路從 1960 年開(kāi)始研究無(wú)碴軌道， 1966 年起開(kāi)始試鋪各種 型式的板式軌道。 英鐵路的無(wú)碴軌道與日本新干線和德國(guó)鐵路干線所 鋪設(shè)的板式軌道均不相同， 它是用鋼筋混凝灌注成的無(wú)接縫連續(xù)的剛 性道床板直接支承鋼軌， 在軌底與混凝土道床之間放置一條

31、帶狀的連 續(xù)橡膠墊層，以給軌道提供必要的彈性， 采用潘德羅爾彈條扣件聯(lián)結(jié)。 這種軌道也稱為 PACT 型無(wú)碴軌道。英國(guó)鐵路試鋪的 PACT 型無(wú)碴軌 道，具有投資較低、維修費(fèi)用少、噪音小、定性強(qiáng)等特點(diǎn)，適宜在隧 道內(nèi)和高架橋上使用。 但由于軌道板與其基礎(chǔ)是剛性聯(lián)結(jié)， 故要求基 礎(chǔ)必須堅(jiān)實(shí)、不變形，一旦混凝土道床損壞，修復(fù)是很困難的。1.1.4 彈性支承塊式無(wú)碴軌道彈性套靴支承塊式低振動(dòng)混凝土無(wú)碴軌道采用兩塊獨(dú)立的混凝 土支承塊，塊下加設(shè)彈性墊層，支承塊的下部和周邊加設(shè)橡膠套靴， 當(dāng)支承塊的高低、 水平和軌距調(diào)整完畢以后， 就地灌注道床混凝土將 支承塊連同橡膠套靴包裹起來(lái)而構(gòu)成的彈性支承塊式無(wú)碴

32、軌道。 這種 軌道的特點(diǎn)是塊下彈性墊層可提供軌道垂向彈性， 橡膠靴套則可提供 軌道縱向和橫向的必要彈 性。這種無(wú)碴軌道在瑞士、丹麥、葡萄牙、比利時(shí)、委內(nèi)瑞拉等國(guó)鐵 路均得到了應(yīng)用和發(fā)展在哥本哈根、 亞特蘭大等城市的地鐵內(nèi)也得到 了推廣應(yīng)用 ;法國(guó)鐵路將雙塊式混凝土枕嵌固在混凝土道床內(nèi)的VsB 型無(wú)碴軌道也屬于此類 3 幻。1.2 國(guó)內(nèi)情況我國(guó)無(wú)碴軌道的研制工作起步相當(dāng)早。在 1934 年就曾鋪設(shè)過(guò)混 凝上整體道床軌道，從 1965 年即開(kāi)始在長(zhǎng)大山嶺隧道內(nèi)大量采用混 凝土整體道床。 北京地下鐵道也全部采用了整體道床無(wú)碴軌道， 并取 得了較好的效果。早在 1958 年當(dāng)時(shí)的唐山鐵道學(xué)院與北京鐵路

33、局合 作曾在唐山車站鋪設(shè)過(guò)無(wú)碴軌道， 后我國(guó)鐵路設(shè)計(jì)、 研究部門又做了 大量的研究工作，形成三種主要的結(jié)構(gòu)型式 :鋼筋混凝土支承塊式、 短木枕式、整體灌注式，主要用于隧道中。橋上無(wú)碴軌道主要研制了 無(wú)碴無(wú)枕梁，并在九江長(zhǎng)江大橋的混凝土引橋上采用。 80 年代初為 完善和發(fā)展整體道床軌道， 開(kāi)始積極研究并嘗試應(yīng)用板式軌道。 進(jìn)入 90 年代以來(lái)，為適應(yīng)我國(guó)鐵路高速行車，發(fā)展高速鐵路的需求，經(jīng) 過(guò)研究和開(kāi)發(fā)， 提出了可適用于隧道、 橋梁和大型車站等地段的彈性 支承塊式、長(zhǎng)枕埋入式及板式軌道。隨著我國(guó)快速鐵路的發(fā)展，我國(guó) 無(wú)碴軌道的研制工作又步入了一個(gè)新階段。 參照日本板式軌道、 德國(guó) Rheda軌

34、道的型式，我國(guó)研制了板式軌道和長(zhǎng)枕埋入式兩種無(wú)碴軌道 型式，已經(jīng)鋪設(shè)在時(shí)速 ZO0km 的秦沈客運(yùn)專線的橋梁上。參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)， 研制了彈性支承塊式無(wú)碴軌道， 已鋪設(shè)在秦嶺隧 道中。在城市軌道交通中，廣州地鐵二號(hào)線鋪設(shè)了彈性短軌枕軌道， 以降低地鐵列車振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響， 在需要特殊減振處理的地段， 采 用了減振性能更好的浮置板軌道。 北京城鐵在通過(guò)某高校實(shí)驗(yàn)室旁邊 時(shí)，為了減輕對(duì)實(shí)驗(yàn)室的影響，采用了鋼彈簧浮置板軌道，減振效果 明顯。輪軌相互作用分析的一個(gè)特點(diǎn)是軌道結(jié)構(gòu)參振模型逐步接近實(shí) 際情況，從簡(jiǎn)單的等效集總參數(shù)模型友展為單層或多層支承的彈性地 基梁模型和連續(xù)彈性點(diǎn)支承梁模型 ;車輛模型也從不

35、考慮車輪質(zhì)量的 移動(dòng)荷載、單一質(zhì)量負(fù)荷車輪發(fā)展為考慮車輛具有一系和二系懸掛的 多自由度模型 ;輪軌接觸模型由簡(jiǎn)單的彈簧連接發(fā)展為考慮輪軌間 Hertz 接觸的復(fù)雜模型，并將軌道不平順的激勵(lì)作用引入輪軌動(dòng)力分 析。在輪軌相互作用研究的這一階段， 輪軌動(dòng)力作用的研究集中在軌 道垂向方面，橫向和縱向相互作用研究不多， 對(duì)于輪軌垂向相互作用， 其相互作用的理論逐漸形成， 理論分析模型漸趨完善， 模型分析已成 為定性分析的重要手段。與此同時(shí)，理論分析和試驗(yàn)測(cè)試使人們更加認(rèn)識(shí)到研究輪軌動(dòng)態(tài) 相互作用的重要性， 簡(jiǎn)單的輪軌動(dòng)力分析己不能滿足人們對(duì)解決實(shí)際 問(wèn)題的需要，開(kāi)展輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)外

36、對(duì)于有碴軌道的動(dòng)力學(xué)研究比較成熟， 己經(jīng)步入輪軌相互 作用的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究階段， 它以細(xì)致地考慮機(jī)車車輛系統(tǒng)、 軌道結(jié) 構(gòu)系統(tǒng)和輪軌相互作用并集三者于一體為主要特征， 機(jī)車車輛與軌道 通過(guò)輪軌關(guān)系藕合作用， 二者相互互為反饋。 這種從系統(tǒng)工程角度出 發(fā)研究車輛一軌道動(dòng)力相互作用已成為輪軌相互作用研究的重要手 段，是輪軌動(dòng)力分析發(fā)展的必然趨勢(shì)， 并逐漸為鐵路輪軌相互作用的 動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)作為近幾年發(fā)展起來(lái)的新型軌道結(jié)構(gòu)， 對(duì)于它的設(shè) 計(jì)和研究仍限于靜力學(xué)分析和一些簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)分析， 對(duì)于無(wú)碴軌道 和高速車輛的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究還比較少。國(guó)外情況西德慕尼黑工業(yè)大學(xué)J.EISenman

37、n教授3在“輪軌相互作用” 研究計(jì)劃中，對(duì)Rheda軌道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究和 Rheda車站試驗(yàn)段測(cè) 試試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室研究中， 在實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了整個(gè)結(jié)構(gòu)的靜載及 列車重復(fù)荷載作用下的性能試驗(yàn) ;在營(yíng)業(yè)線路上的測(cè)試，包括了鋼軌 及軌道板的變形和應(yīng)力，在時(shí)速 252km 時(shí)的測(cè)試結(jié)果表明輪對(duì)的運(yùn) 行是穩(wěn)定的。 實(shí)驗(yàn)室研究及營(yíng)業(yè)線上的測(cè)試結(jié)果表明， 在該計(jì)劃中發(fā) 展起來(lái)的軌道結(jié)構(gòu)可以推薦今后使用， 考慮軌道養(yǎng)護(hù)的要求， 在速度 較高的線路上采用無(wú)碴軌道是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要因素。 薩拉熱窩 大學(xué)的 Vebric 等，應(yīng)用邊界元法對(duì)板式軌道在移動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力 學(xué)響應(yīng)及振動(dòng)在土中的傳播規(guī)律進(jìn)行了研

38、究， 其計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)較好 的模擬了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)， 即使在模型軌道長(zhǎng)度很短的情況下， 結(jié)果仍 然比較理想8;美國(guó)哥倫比亞 LPA 集團(tuán)公司的 Mohalnmadi 等，應(yīng)用 邊界元法和有限元法通過(guò)數(shù)值積分對(duì)鐵路軌道的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了 研究，研究方法是通過(guò)施加諧振力和瞬時(shí)沖擊力計(jì)算整個(gè)軌道系統(tǒng)振 動(dòng)頻率的方法來(lái)開(kāi)展， 研究了軌道系統(tǒng)在不同地基彈性系數(shù)下的響應(yīng) 引。德國(guó) Rehfeld 等通過(guò)對(duì)變形預(yù)測(cè)和穩(wěn)定性的分析指出了板式軌 道的鋪設(shè)條件，特別是地基條件 .德國(guó) Bhum 大學(xué)的 Hubert 等指出近 幾年隨著 TGv 和 IeE 等高速列車的發(fā)展，已經(jīng)使振動(dòng)發(fā)展到地基及 鄰近的建筑物， 這

39、就需要發(fā)展具有較好動(dòng)力學(xué)性能的板式軌道并探索 減振的可能途徑， 在時(shí)頻響應(yīng)模型中采用了邊界元法以研究軌道的動(dòng) 力學(xué)性能和減振郊果 ”，。德國(guó) HasSlinger 等研究了不同軌道結(jié)構(gòu)在 列車荷載作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，包括軌道扣件，軌枕，板式軌道和浮 置板軌道， 在模型中地基被視為具有一定彈性和阻尼的彈性體， 主要 荷載工況包括速度以及軌道部件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化仁” 。國(guó)內(nèi)情況武漢科技大學(xué) xie，weiping 等研究了軌道和路基界面在移動(dòng)荷載 作用下的動(dòng)力響應(yīng)，在它的模型中，鋼軌被視為彎曲梁，路基被視為 剛性基礎(chǔ)上的層狀半無(wú)限空間體， 計(jì)算了系統(tǒng)的主頻和移動(dòng)荷載作用 下的軌道動(dòng)力學(xué)響應(yīng)仁 1。西南交通大學(xué)的翟婉明教授發(fā)展了車輛 一軌道禍合動(dòng)力學(xué)模型， 并應(yīng)用它進(jìn)行了一些分析， 將板式軌道系統(tǒng) 做成兩層梁體系進(jìn)行分析， 主要分析了長(zhǎng)鋼軌的焊接凹接頭、 豎錯(cuò)不 平順以及板式軌道 CA 砂漿層動(dòng)力學(xué)參數(shù)的改變對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響 6。對(duì)于橋上板式軌道和長(zhǎng)枕