1、宁启线时速 200km 提速改造工程涵洞填土厚度不足地段弹性长轨枕的应用摘要:既有宁启线设计时速为 120km，标准较低，大量涵洞填土厚度不足 1.2m，以至有砟轨道刚度过大而弹性不足，列车通过时振动较大，不满足规范新建时速 200 公里客货共线铁路设计暂行规定 （铁建函2005285 号）5.1.4 条的规定，不适应时速 200km 线路的要求，轨道需进行采取减振措施。本文运用车辆轨道耦合动力学理论所进行的列车轨道路涵过渡段动力分析结果。主要计算比较了时速 200km 高速动车组通过不同填土厚度、不同加固措施（不加固、弹性轨枕加固、道砟垫加固）路涵过渡段及涵洞时，机车车辆运行安全舒适性指标、
2、轨道、涵洞、路基主要动力性能指标。在此基础上，就宁启线路涵过渡段对时速 200km 提速的适应性及加固方案的可行性提出了相应的评价意见与建议，为宁启线 200km/h 提速改造方案提供技术决策依据与参考。 关键词:覆土厚度不足；减振措施；轨道刚度；过渡段；动力分析 中图分类号： U213 文献标识码： A 0. 前言 既有宁启线原设计时速为 120km，后经提速改造，部分地段时速提高到 140km160km，本次改造，既有宁启线进行第二次提速改造，速度目标值达 200km。 由于既有宁启线设计时速为 120km，标准较低，大量涵洞填土厚度不足 1.2m，以至有砟轨道刚度过大而弹性不足，列车通过
3、时振动较大，不满足规范新建时速 200 公里客货共线铁路设计暂行规定 （铁建函2005285 号）5.1.4 条的规定，不适应时速 200km 线路的要求，轨道需进行采取减振措施，减小列车因“刚度突变”对轨道及桥梁基础的冲击，延长结构的使用寿命，提高旅客舒适度，确保行车安全。 根据既有线提速 200km/h 技术条件 （试行） （铁科技函2006747 号） ，对于填方厚度在 0.61.2m 的涵洞，可采取适当的措施，改善线路在涵洞处的刚度平顺性。具体有两种方法：在涵顶轨枕增设枕下胶垫，即采用弹性轨枕；在涵顶铺设道砟垫。 本报告运用车辆轨道耦合动力学理论所进行的列车轨道路涵过渡段动力分析结果。
4、主要计算比较了时速 200km 高速动车组通过不同填土厚度、不同加固措施（不加固、弹性轨枕加固、道砟垫加固）路涵过渡段及涵洞时，机车车辆运行安全舒适性指标、轨道、涵洞、路基主要动力性能指标。在此基础上，就宁启线路涵过渡段对时速 200km 提速的适应性及加固方案的可行性提出了相应的评价意见与建议，为宁启线200km/h 提速改造方案提供技术决策依据与参考。 1. 宁启线线路基本情况及提速改造初步方案 1.1 推荐方案 宁启线既有线宁海段 60kg/m 钢轨、海通段 50kg/m 钢轨，普通线路，铺设 II 型轨枕，轨枕质量为 258.66kg，轨枕平均底宽为 0.275m，采用普通碎石道床，道
5、床密度约为 1800kg/m3。 宁启线填士厚度不足 0.651.2m 的涵洞共有 442 处，其中新建地段272 处，既有线改建地段 170 处。 经研究，填士厚度在 0.651.2m 涵洞轨道结构采用采用弹性轨枕。 1.2 主要方案简介 混凝土宽轨枕 混凝土宽轨枕轨道具有与整体道床轨道相近的优点，其轨道稳定性高、维修作业量少。 混凝土宽轨枕，其宽度与长度之比值大于 1/7，铺设在道床上的工作状态已属板的范畴。因此，密排铺设在经压实的道床上的宽轨枕轨道结构，具有如下特点： 宽轨枕扩大了轨枕的支承面积，可以有效降低道床应力，使宽轨枕轨道的永久变形的速率和绝对值也都比混凝土枕小，轨道平顺性好、稳
6、定性高。宽轨枕的自重大，轨排的框架横向阻力约为混凝土枕的 2 倍。与无缝线路配合使用，可以提高轨道的稳定性。 弹性长轨枕 在轨枕端部设置弹性垫或橡胶套靴。弹性轨枕改善了钢轨支点的弹性。 优点：施工便捷，工程造价较低。 缺点：因参振质量较小，减振效果较差。养护维修道砟捣固时容易损坏弹性垫板或橡胶套靴。 图 1.2-1 我国铁路型混凝土 枕下弹性垫板 道砟垫 道砟垫是一种减振垫，通常设置在道砟下。其材质一般为天然橡胶加配方制成。垫板顶面为平面，垫板底面根据性能要求制成不同几何形状的实体，如图所示。其弹性性能根据橡胶材质的刚度决定。在列车荷载作用下，道砟垫产生几何变形及其阻尼效应取得减振效果。 道砟
7、垫技术起源于德国。自上世纪六十年代起，德国卡棱贝格公司的道砟垫先后应用于欧美铁路及城市轨道交通、台湾高速铁路。 图 1.2-2 德国卡棱贝格公司的道砟垫 道砟垫自振频率较低，一般为 814HZ 之间，减振效果好，工程造价约 1500 元/m2，使用寿命长（经德国 2006 年对 1975 年铺设的异性道砟垫的测试，二者减振效能相当，寿命可达 30 年以上） ，方便施工，免维修或少维修。近年来已引起我国工程界的重视，开始将道砟垫应用于我国城市轨道交通和国铁客运专线。 如成灌客运专线、城市轨道交通工程均取得应用。 图 1.2-3 铺设在路基地段碎石道床的道碴垫 2动力学分析模型 2.1 机车车辆模
8、型 与列车竖向振动相关的自由度包括车体及构架的沉浮、点头，以及轮对的沉浮，即每辆四轴车有 10 个自由度（见图 4） ，对于机车车辆组成的车列，则为 10*m 个自由度，其中 m 为机车车辆数。 图 2.1-1 机车车辆垂向振动模型 2.2 路涵过渡段动力学模型 路涵过渡段动力学模型见图 5，其大样图见图 6，钢轨、轨枕、涵洞均以梁单元模拟，钢轨与轨枕、轨枕与道床、道床与涵洞、道床与路基之间均以线性弹簧-阻尼单元模拟。 图 2.2-1 路涵过渡段动力学模型 图 2.2-2 路涵过渡段动力学模型大样图 2.3 轮轨关系模型 轮轨垂向作用力由著名的赫兹非线性弹簧接触理论所确定。 （1） 式中：G轮
9、轨接触常数()； t 时刻第 j 位车轮的位移(m)； t 时刻第 j 位车轮下钢轨的位移(m)； 轮轨界面存在不平顺 2.4 轨道不平顺模型 整修后的提速线路轨道几何状态良好，具有较高标准，在本次动力仿真计算中，由于尚无该段实测不平顺资料，本课题采用美国 AAR 六级谱来进行路涵过渡段随机不平顺的模拟。 另外，路涵过渡段还有可能发生工后沉降，对列车轨道涵洞过渡段动力性能有极大影响，为此，参考国内外路桥过渡段力学模型研究成果，本报告还考虑了路涵过渡段工后沉降的不利影响。 2.5 轨道随机不平顺模型数值模拟 首先根据轨道随机不平顺功率谱求出频谱的幅值和随机相位，然后再通过傅里叶逆变换得到轨道不平
10、顺的时域模拟样本。 2.6 列车-轨道-路涵过渡段系统动力学模型初始条件 在机车车辆各部件的质心处施加自重荷载，在路涵过渡段基础处施加工后沉降荷载，以列车自重荷载和路涵过渡段基础处工后沉降荷载作用下的静平衡位置为初始条件，即先进行在列车列车自重荷载和路涵过渡段基础处工后沉降荷载作用下静力计算，计算结果作为动力分析的初始条件。 2.7 列车-轨道-路涵过渡段系统动力学模型竖向振动方程组的建立及求解 车辆空间振动总势能包括车体、构架和轮对的惯性力势能和重力势能以及车辆悬挂系统的弹性应变能和阻尼力势能。据弹性系统动力学总势能不变值原理，对车辆总势能的表达式进行一阶变分，并运用形成矩阵的“对号入座”法
11、则即可得到车辆竖向振动方程组。 运用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的“对号入座”法则分别组集钢轨、轨枕、道床、涵洞、路基及连接弹簧-阻尼单元的刚度矩阵、阻尼矩阵、质量矩阵以及节点荷载列阵，可得轨道及下部基础系统竖向振动方程组。 以轮轨关系模型为纽带，采用交叉迭代法进行车辆振动方程组和路涵过渡段系统振动方程组的求解。 3列车与线路动力性能评定标准 机车车辆在轨道上的运行安全性和舒适性一般可采用轮重减载率、车体垂向振动加速度、轮轨垂向力、道床顶面应力、路基顶面应力及涵洞顶板应力等指标来评定。 参考西南交通大学及国内相关规范的相关规定，本报告采用的评定标准如下所示。 车体垂向振动加速度取为
12、 0.13g。 动态轮重减载率取为 0.9。 轮轨垂向力取为 250kN。 道床顶面应力取为 0.5MPa。 路基顶面应力取为 0.15MPa。 桥梁振动加速度取为 0.35g。 钢轨最大位移取为 2.0mm。 4仿真研究 4.1 仿真计算方案 仿真计算方案见表 1，一共 15 种工况。 表 4.1-1 仿真计算方案 工况 填士厚度 涵洞改造方案 1 0.65 宽轨枕 2 0.65 弹性宽轨枕 3 0.65 宽轨枕道砟垫 4 0.65-0.8 普通轨枕 5 0.65-0.8 弹性轨枕 6 0.65-0.8 普通轨枕道砟垫 7 0.65-0.8 宽轨枕 8 0.65-0.8 弹性宽轨枕 9 0.65-0.8 宽轨枕道砟垫 10 0.8-1.2 普通轨枕 11 0.8-1.2 弹性轨枕 12 0.8-1.2 普通轨枕道砟垫 13 0.8-1.2 宽轨枕 14 0.8-1.2 弹性宽轨枕 15 0.8-1.2 宽轨枕道砟垫 4.2 计算结果 表 4.2-1 不同方案计算结果对比（填士厚度 0.65m 及以下） 方案 1 2 3 车体最大加速度(g) 0.122 0.118 0.117 最大轮轨力(kN) 139.666 138.026 136.551 轮重减载率 0.493 0.468 0.446
