高速鐵路路橋過渡段變形限值與合理長度研究

1、 高速鐵路路橋過渡段變形限值與合理長度研究西南交通大學(xué)土木學(xué)院羅強(qiáng)蔡英 摘要 運(yùn)用車輛軌道路基大系統(tǒng)相互作用的動(dòng)力學(xué)理論 , 對(duì)高速列車通 過路橋過渡段的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析 。 結(jié)果表明 , 路橋間軌道基礎(chǔ)剛度的變化對(duì)行車的安全和舒適性影響甚微 , 由路橋結(jié)構(gòu)的不均勻沉降引起的軌面彎折變形對(duì)行車的 影響則非常劇烈 。 在此基礎(chǔ)上 , 對(duì)過渡段的變形限值與過渡段長度的確定方法提出建 議 。 關(guān)鍵詞 高速鐵路路橋過渡段車輛軌道路基大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 1路橋過渡段的不平順對(duì)高速行車的影響高速鐵路的發(fā)展必須以安全 、 可靠 、 舒適等 為前提 , 這些均取決于構(gòu)成鐵路系統(tǒng)各方面的 高品質(zhì)和高可靠性 。 其中

2、 , 特點(diǎn) , (橋 、 道構(gòu)成的 , 相互依存 、 相互補(bǔ)充 共同構(gòu)成了一條平滑線路 。 由于組成線路的結(jié) 構(gòu)物在強(qiáng)度 、 剛度 、 變形 、 材料等方面的差異巨 大 , 必然會(huì)引起軌道的不平順 。 為了滿足列車安 全 、 舒適且不間斷地運(yùn)行 , 必須將其不平順控制 在一定范圍之內(nèi) 。 在路基與橋梁的連接處 , 由于 路基與橋梁剛度差別極大 , 將引起軌道剛度的 變化 , 另一方面路基與橋臺(tái)的沉降也不一致 , 在 橋路過渡點(diǎn)附近極易產(chǎn)生沉降差 , 導(dǎo)致軌面發(fā) 生彎折 。 當(dāng)列車高速通過時(shí) , 必然會(huì)加劇列車與 線路的振動(dòng) , 引起列車與線路結(jié)構(gòu)相互作用力 的增加 。 為此 , 必須在路基與橋

3、梁之間設(shè)置一定 長度的過渡段 , 使軌道的剛度逐漸變化 , 并最大限度地減小路橋間的沉降差 。, 本文 , , 并以此為依據(jù)給出了過渡 段的變形限值與過渡段長度的確定方法 。 2路橋過渡段動(dòng)力學(xué)計(jì)算的理論與條件 2. 1動(dòng)力學(xué)分析模型為了全面分析高速列車通過路橋過渡段時(shí) 車輛與線路相互作用的特性 , 尋求合理的過渡 段設(shè)計(jì)參數(shù) , 建立了如圖 1所示的線路 、 車輛豎 向耦合振動(dòng)分析模型 1。 車體被簡化為一個(gè)剛 體 , 有點(diǎn)頭和沉浮兩個(gè)自由度 。 每個(gè)轉(zhuǎn)向架也被 簡化為剛體 , 也有點(diǎn)頭和沉浮兩個(gè)自由度 。 輪對(duì) 和簧下質(zhì)量簡化成質(zhì)量塊 , 各部件之間由彈簧 和阻尼器連接 。 線路為鋼軌 、

4、 軌枕 、 道床和路基 組成的 3層點(diǎn)支承梁模型 。 鋼軌為連續(xù)支承歐 拉梁 , 軌枕被簡化為剛體 , 道床被離散化為集中 質(zhì)量塊 。圖 1車輛軌道路基豎向振動(dòng)分析模型2鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2000年 67月第 20卷第 67期 2. 2線路 、 車輛基本計(jì)算參數(shù) 模型中高速鐵路線路 、 車輛的基本計(jì)算參 數(shù)主要參考了有關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)和國家 “八五” 科 技攻關(guān)項(xiàng)目中有關(guān)高速鐵路的研究成果 , 其值 如表 1所示 。 表 1 線路 、 車輛基本計(jì)算參數(shù)表內(nèi)容 量值 線 路 基 本 參 數(shù)鋼軌彈性模量 M Pa 鋼軌抗彎截面模量 m 42. 059×1053. 217×10-5鋼軌單位

5、長度質(zhì)量 kg 軌枕質(zhì)量之半 kg60. 64160軌下墊層剛度(N m -1 軌下墊層阻尼(N s m -1 6×1077. 5×104道床彈性模量 M Pa道床阻尼系數(shù)(N s m -1 2006×104路基模量(M Pa m -1 路基阻尼系數(shù)(N s m -1 1201×105軌枕間距 m軌枕有效支承長度 m 軌枕有效支承寬度 0. 5951. 175227m (kg -3 . 352. 2×103動(dòng)力 車 基 本 參 數(shù)kg 構(gòu)架質(zhì)量 kg 輪對(duì)質(zhì)量 kg48636100032214. 5車體點(diǎn)頭慣量(kg m 2 構(gòu)架點(diǎn)頭慣量 (k

6、g m 2 1. 7×1069. 6×103一系懸掛剛度(N m -1 一系懸掛阻尼(N s m -1 二系懸掛剛度 N m -1二系懸掛阻尼(N s m -1 4. 36×1063×1051. 72×1065車輛定距之半 m 固定軸距之半 m 車輪半徑 m5. 731. 50. 52圖 2過渡段軌道基礎(chǔ)剛度變化示意圖圖 3過渡段軌面彎折變形示意圖2. 3過渡段的不平順模擬過渡段的不平順主要考慮了 2種類型共 3種工況 :(1 軌面平順 , 路橋間軌道基礎(chǔ)的剛度 變化如圖 2所示 ; (2 軌面產(chǎn)生如圖 3所示的彎 折變形 , 軌道基礎(chǔ)的剛度差

7、為零 ; (3 軌面產(chǎn)生 如圖 3所示變形的同時(shí) , 軌道基礎(chǔ)的剛度變化 如圖 2所示 。工況 (1 主要模擬過渡段線路的軌面經(jīng)起 撥道調(diào)整后 , 僅由路橋間軌道基礎(chǔ)的剛度差引 起軌道剛度的變化對(duì)高速行車的影響 ; 工況 (2 主要模擬軌道的剛度均勻 (即路橋間的剛度差 為零 時(shí) , 僅由路橋間的沉降差引起線路軌面的 是路橋過 3高速鐵路路橋過渡段動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果分析在行車速度 V =350km h 、 過渡段長度 L=20m 條件下 , 軌面的彎折角 (和路橋間軌 道基礎(chǔ)剛度差 (橋臺(tái)剛度 路基剛度 =1×10m 的變化對(duì)輪軌垂向力 (p 和車體垂向加速度 (a v 等指標(biāo)的影響

8、如表 2所示 。 橋面為有砟軌 道結(jié)構(gòu) , 列車由路基向橋臺(tái)方向行駛 。表 2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)表 P kNa v(m s -2 m =0m =1m =2m =0m =1m =209696960. 030. 040. 042. 51811862041. 491. 491. 495. 02592723253. 203. 213. 217. 53393794534. 784. 784. 7810. 04384935926. 106. 106. 1112. 55306127289. 209. 229. 223. 1 工況 1 過渡段軌道基礎(chǔ)剛度變化的影響在 =0條件下 , m 的變化對(duì) p 基本無影

9、響 , 對(duì) a v 的影響也甚微 , 距有關(guān)舒適安全控制 標(biāo)準(zhǔn) (a v 0. 13g, p 1. 8p 0, p 0 靜輪載 還有相當(dāng)大的距離 , 不成為設(shè)計(jì)控制條件 。3. 2 工況 2 過渡段軌面彎折變形的影響3高速鐵路路橋過渡段變形限值與合理長度研究 羅強(qiáng)等在 m =0條件下 , 的變化對(duì) p 和 a v 的影響 十分劇烈 , 當(dāng) 2. 12. 26 時(shí) , 就可能對(duì) 乘座的舒適性和行車的安全性產(chǎn)生影響 。 3. 3 工況 3 過渡段軌道基礎(chǔ)剛度變化和 軌面彎折變形的綜合影響m 和 的綜合作用對(duì) p 和 a v 的影響稍大 , 對(duì) 的限制稍嚴(yán) , 在 m =2條件下 , 1. 78 2

10、. 1 后就可能對(duì)乘座舒適性和行車安全性 產(chǎn)生影響 。4 高速鐵路路橋過渡段的變形限值與過渡段 長度的確定線路結(jié)構(gòu)的任何變形最終都要反映到軌面 上 。 軌面的變形由軌道結(jié)構(gòu) 、 路基本體及地基土 層 3部分的變形組成 。 軌道結(jié)構(gòu)和路基基床的 變 形主要由動(dòng)載引起 ,設(shè)在, , 占軌面 。過渡段的變形控制需解決 2個(gè)問題 :(1 將 路橋交界處的錯(cuò)落式沉降變成連續(xù)的斜坡式沉 降 ; (2 嚴(yán)格控制過渡段的軌面彎折變形 , 使之 滿足高速行車的要求 。 對(duì)于第 1個(gè)問題 , 采用諸 如粗粒料傾斜填筑 、 加筋土路堤結(jié)構(gòu) 、 鋼筋混凝 土 過渡板等處理措施就能較好地解決 26。 對(duì) 于第 2個(gè)問題

11、 , 根據(jù)路橋過渡段車輛 軌道 路基大系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果 , 列車以 350 km h 高速通過時(shí) , 只要使路橋結(jié)構(gòu)的工后沉 降不一致引起的軌面變形的彎折角 1. 5 2 , 就能滿足安全與舒適的要求 。 若路橋結(jié) 構(gòu) 的工后沉降差控制標(biāo)準(zhǔn) h 5c m , 則過渡段 的長度 L =h =2533m 。 該數(shù)值與國內(nèi)外 現(xiàn)行的一些設(shè)計(jì)規(guī)范相比顯得偏長 7, 但比較 符 合隨著車速提高和對(duì)舒適性的重視 , 過渡段 增長的發(fā)展趨勢(shì) 8, 9。5 結(jié)論根據(jù)路橋過渡段車輛 軌道 路基大系 統(tǒng) 的動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算 , 并綜合參考國內(nèi)外的有 關(guān) 技術(shù)資料 , 對(duì)高速列車通過路橋過渡段時(shí)的 動(dòng)力特性及路橋

12、過渡段的合理設(shè)計(jì)參數(shù)等問題 有以下初步認(rèn)識(shí) 。(1 由路橋結(jié)構(gòu)的剛度差引起的過渡段軌 道 剛度的變化對(duì)高速行車的影響并不顯著 , 有 關(guān)的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)距安全舒適控制標(biāo)準(zhǔn)還有 較大距離 , 不成為控制條件 。(2 由路橋結(jié)構(gòu)的沉降差引起的軌面彎折 變形對(duì)輪軌垂向力和車體垂向加速度等指標(biāo)的 影響非常劇烈 。 當(dāng) 1. 52 后 , 就可能 嚴(yán)重破壞乘座的舒適性和降低行車的安全度 。 (3 軌面的不平順對(duì)車輛運(yùn)行質(zhì)量的破壞 十 分顯著 , 進(jìn)行路橋過渡段處理時(shí)應(yīng)以減小路 橋結(jié)構(gòu)的沉降差為重點(diǎn) 。(4,(5 路橋過渡段的處理長度應(yīng)以滿足線路 (軌面 縱坡的變化限值為條件 , 即 L =h 。 參考文

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