高速铁路路桥过渡段变形限值与合理长度研究

1、 高速铁路路桥过渡段变形限值与合理长度研究西南交通大学土木学院罗强蔡英 摘要 运用车辆轨道路基大系统相互作用的动力学理论 , 对高速列车通 过路桥过渡段的动力学性能进行分析 。 结果表明 , 路桥间轨道基础刚度的变化对行车的安全和舒适性影响甚微 , 由路桥结构的不均匀沉降引起的轨面弯折变形对行车的 影响则非常剧烈 。 在此基础上 , 对过渡段的变形限值与过渡段长度的确定方法提出建 议 。 关键词 高速铁路路桥过渡段车辆轨道路基大系统动力学 1路桥过渡段的不平顺对高速行车的影响高速铁路的发展必须以安全 、 可靠 、 舒适等 为前提 , 这些均取决于构成铁路系统各方面的 高品质和高可靠性 。 其中

2、 , 特点 , (桥 、 道构成的 , 相互依存 、 相互补充 共同构成了一条平滑线路 。 由于组成线路的结 构物在强度 、 刚度 、 变形 、 材料等方面的差异巨 大 , 必然会引起轨道的不平顺 。 为了满足列车安 全 、 舒适且不间断地运行 , 必须将其不平顺控制 在一定范围之内 。 在路基与桥梁的连接处 , 由于 路基与桥梁刚度差别极大 , 将引起轨道刚度的 变化 , 另一方面路基与桥台的沉降也不一致 , 在 桥路过渡点附近极易产生沉降差 , 导致轨面发 生弯折 。 当列车高速通过时 , 必然会加剧列车与 线路的振动 , 引起列车与线路结构相互作用力 的增加 。 为此 , 必须在路基与桥

3、梁之间设置一定 长度的过渡段 , 使轨道的刚度逐渐变化 , 并最大限度地减小路桥间的沉降差 。, 本文 , , 并以此为依据给出了过渡 段的变形限值与过渡段长度的确定方法 。 2路桥过渡段动力学计算的理论与条件 2. 1动力学分析模型为了全面分析高速列车通过路桥过渡段时 车辆与线路相互作用的特性 , 寻求合理的过渡 段设计参数 , 建立了如图 1所示的线路 、 车辆竖 向耦合振动分析模型 1。 车体被简化为一个刚 体 , 有点头和沉浮两个自由度 。 每个转向架也被 简化为刚体 , 也有点头和沉浮两个自由度 。 轮对 和簧下质量简化成质量块 , 各部件之间由弹簧 和阻尼器连接 。 线路为钢轨 、

4、 轨枕 、 道床和路基 组成的 3层点支承梁模型 。 钢轨为连续支承欧 拉梁 , 轨枕被简化为刚体 , 道床被离散化为集中 质量块 。图 1车辆轨道路基竖向振动分析模型2铁道标准设计2000年 67月第 20卷第 67期 2. 2线路 、 车辆基本计算参数 模型中高速铁路线路 、 车辆的基本计算参 数主要参考了有关文献的数据和国家 “八五” 科 技攻关项目中有关高速铁路的研究成果 , 其值 如表 1所示 。 表 1 线路 、 车辆基本计算参数表内容 量值 线 路 基 本 参 数钢轨弹性模量 M Pa 钢轨抗弯截面模量 m 42. 059×1053. 217×10-5钢轨单位

5、长度质量 kg 轨枕质量之半 kg60. 64160轨下垫层刚度(N m -1 轨下垫层阻尼(N s m -1 6×1077. 5×104道床弹性模量 M Pa道床阻尼系数(N s m -1 2006×104路基模量(M Pa m -1 路基阻尼系数(N s m -1 1201×105轨枕间距 m轨枕有效支承长度 m 轨枕有效支承宽度 0. 5951. 175227m (kg -3 . 352. 2×103动力 车 基 本 参 数kg 构架质量 kg 轮对质量 kg48636100032214. 5车体点头惯量(kg m 2 构架点头惯量 (k

6、g m 2 1. 7×1069. 6×103一系悬挂刚度(N m -1 一系悬挂阻尼(N s m -1 二系悬挂刚度 N m -1二系悬挂阻尼(N s m -1 4. 36×1063×1051. 72×1065车辆定距之半 m 固定轴距之半 m 车轮半径 m5. 731. 50. 52图 2过渡段轨道基础刚度变化示意图图 3过渡段轨面弯折变形示意图2. 3过渡段的不平顺模拟过渡段的不平顺主要考虑了 2种类型共 3种工况 :(1 轨面平顺 , 路桥间轨道基础的刚度 变化如图 2所示 ; (2 轨面产生如图 3所示的弯 折变形 , 轨道基础的刚度差

7、为零 ; (3 轨面产生 如图 3所示变形的同时 , 轨道基础的刚度变化 如图 2所示 。工况 (1 主要模拟过渡段线路的轨面经起 拨道调整后 , 仅由路桥间轨道基础的刚度差引 起轨道刚度的变化对高速行车的影响 ; 工况 (2 主要模拟轨道的刚度均匀 (即路桥间的刚度差 为零 时 , 仅由路桥间的沉降差引起线路轨面的 是路桥过 3高速铁路路桥过渡段动力学性能计算结果分析在行车速度 V =350km h 、 过渡段长度 L=20m 条件下 , 轨面的弯折角 (和路桥间轨 道基础刚度差 (桥台刚度 路基刚度 =1×10m 的变化对轮轨垂向力 (p 和车体垂向加速度 (a v 等指标的影响

8、如表 2所示 。 桥面为有砟轨 道结构 , 列车由路基向桥台方向行驶 。表 2 动力学计算数据表 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 工况 1 过渡段轨道基础刚度变化的影响在 =0条件下 , m 的变化对 p 基本无影

9、响 , 对 a v 的影响也甚微 , 距有关舒适安全控制 标准 (a v 0. 13g, p 1. 8p 0, p 0 静轮载 还有相当大的距离 , 不成为设计控制条件 。3. 2 工况 2 过渡段轨面弯折变形的影响3高速铁路路桥过渡段变形限值与合理长度研究 罗强等在 m =0条件下 , 的变化对 p 和 a v 的影响 十分剧烈 , 当 2. 12. 26 时 , 就可能对 乘座的舒适性和行车的安全性产生影响 。 3. 3 工况 3 过渡段轨道基础刚度变化和 轨面弯折变形的综合影响m 和 的综合作用对 p 和 a v 的影响稍大 , 对 的限制稍严 , 在 m =2条件下 , 1. 78 2

10、. 1 后就可能对乘座舒适性和行车安全性 产生影响 。4 高速铁路路桥过渡段的变形限值与过渡段 长度的确定线路结构的任何变形最终都要反映到轨面 上 。 轨面的变形由轨道结构 、 路基本体及地基土 层 3部分的变形组成 。 轨道结构和路基基床的 变 形主要由动载引起 ,设在, , 占轨面 。过渡段的变形控制需解决 2个问题 :(1 将 路桥交界处的错落式沉降变成连续的斜坡式沉 降 ; (2 严格控制过渡段的轨面弯折变形 , 使之 满足高速行车的要求 。 对于第 1个问题 , 采用诸 如粗粒料倾斜填筑 、 加筋土路堤结构 、 钢筋混凝 土 过渡板等处理措施就能较好地解决 26。 对 于第 2个问题

11、 , 根据路桥过渡段车辆 轨道 路基大系统的动力学分析结果 , 列车以 350 km h 高速通过时 , 只要使路桥结构的工后沉 降不一致引起的轨面变形的弯折角 1. 5 2 , 就能满足安全与舒适的要求 。 若路桥结 构 的工后沉降差控制标准 h 5c m , 则过渡段 的长度 L =h =2533m 。 该数值与国内外 现行的一些设计规范相比显得偏长 7, 但比较 符 合随着车速提高和对舒适性的重视 , 过渡段 增长的发展趋势 8, 9。5 结论根据路桥过渡段车辆 轨道 路基大系 统 的动力学性能计算 , 并综合参考国内外的有 关 技术资料 , 对高速列车通过路桥过渡段时的 动力特性及路桥

12、过渡段的合理设计参数等问题 有以下初步认识 。(1 由路桥结构的刚度差引起的过渡段轨 道 刚度的变化对高速行车的影响并不显著 , 有 关的动力学性能指标距安全舒适控制标准还有 较大距离 , 不成为控制条件 。(2 由路桥结构的沉降差引起的轨面弯折 变形对轮轨垂向力和车体垂向加速度等指标的 影响非常剧烈 。 当 1. 52 后 , 就可能 严重破坏乘座的舒适性和降低行车的安全度 。 (3 轨面的不平顺对车辆运行质量的破坏 十 分显著 , 进行路桥过渡段处理时应以减小路 桥结构的沉降差为重点 。(4,(5 路桥过渡段的处理长度应以满足线路 (轨面 纵坡的变化限值为条件 , 即 L =h 。 参考文

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