重载铁路桥上无砟轨道动力学选型研究

徐 浩,蔡文锋,林红松,颜 华

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

近年来，重载铁路在世界范围内迅速发展，重载铁路的轨道结构形式以有砟轨道为主，然而有砟轨道在应用过程中出现了道砟粉化严重、残余变形量大等典型缺点[1-3]，与有砟轨道相比，无砟轨道具有高稳定性、高可靠性、平顺性和强耐久性[4-6]，因此发展无砟轨道是重载铁路的重要趋势。

目前，我国正承担设计孟加拉帕德玛大桥铁路连接线，拟在孟加拉帕德玛主桥及部分混凝土简支梁桥上采用无砟轨道结构，近期设计轴重25 t，远期考虑32.5 t，轨距为1 676 mm，货车运营速度80 km/h。由于国内重载铁路无规模铺设无砟轨道结构的工程应用经验，且无砟轨道类型众多并主要在隧道地段铺设[7-11]，因此有必要研究重载铁路桥上无砟轨道结构选型。

本文通过分别建立重载货车与各种无砟轨道动力相互作用模型，计算分析了25 t和32.5 t轴重重载货车通过不同无砟轨道结构时的轮轨动力响应，通过对比分析，从动力学的角度提出了重载铁路桥上无砟轨道结构的选型建议。

1 计算模型与计算参数

1.1 重载货车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型

结合国内外无砟轨道的应用情况以及孟加拉帕德玛大桥铁路连接线无砟轨道的初设方案，本文选取现浇板式无砟轨道、单层长枕埋入式无砟轨道、单元板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道4种方案。基于轮轨系统耦合动力学理论[12-15]，分别建立1676 mm宽轨距25t和32.5t重载货车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型，如图1所示(以现浇板式无砟轨道为例)。

图1 重载货车-现浇板式轨道-桥梁耦合动力学模型

模型中，重载货车视为由车体、侧架、摇枕及轮对组成的多刚体系统，为建模方便，模型中将侧架与摇枕简化为一个刚体考虑。侧架与轮对由一系悬挂连接，车体与摇枕由二系悬挂连接，一系和二系悬挂采用弹簧-阻尼单元模拟，弹簧的刚度为线性，阻尼按黏性阻尼计算。钢轨采用点支承梁模拟，扣件系统采用线性弹簧-阻尼单元模拟，支承间距为扣件间距。道床板/轨道板、底座板均采用板单元模拟。单元板式轨道的水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)层简化为均布的弹簧-阻尼单元，弹簧-阻尼单元的刚度根据CA砂浆层的弹性模量和厚度计算得到。底座板或道床板与桥梁之间的连接也采用均布的弹簧-阻尼单元模拟，刚度根据桥梁的面支承刚度计算得到。简支混凝土箱梁采用板单元模拟。运用大型通用显式动力分析程序LS-DYNA建立模型，并利用内置的求解器进行求解。

重载铁路桥上无砟轨道动力性能采用车体垂向振动加速度、轮轨垂向力、轮重减载率、钢轨垂向位移、钢轨振动加速度、道床板/轨道板垂向位移、道床板/轨道板振动加速度、扣件支点反力、轨道与桥梁的接触应力和桥梁振动加速度等指标评价。

1.2 计算参数

本文计算时只考虑1节车辆的作用，25 t轴重货车和32.5 t轴重货车均在我国C80货车的基础上通过修改参数得到，重载货车的运行速度为80 km/h。25 t轴重货车的车体质量为91 400 kg，侧架质量497 kg，摇枕质量为745 kg，轮对质量为1 257 kg，车体侧滚转动惯量为0.92×105kg·m2，点头转动惯量为0.96×106kg·m2，摇枕点头转动惯量为138 kg·m2，摇头转动惯量为244 kg·m2，侧架点头转动惯量为190 kg·m2，摇头转动惯量为176 kg·m2，轮对点头转动惯量为100 kg·m2，一系悬挂垂向刚度为160 MN/m，垂向阻尼为3.0 kN·s/m，二系悬挂垂向刚度为4.89 MN/m，垂向阻尼为40 kN·s/m，轴距1.83 m，车轮半径0.42 m。32.5 t轴重货车的车体质量为12 000 kg，侧架质量497 kg，摇枕质量为745 kg，轮对质量为1 630 kg，车体侧滚转动惯量为1.196×105kg·m2，点头转动惯量为1.248×106kg·m2，摇枕点头转动惯量为138 kg·m2，摇头转动惯量为244 kg·m2，侧架点头转动惯量为190 kg·m2，摇头转动惯量为176 kg·m2，轮对点头惯量为100 kg·m2，一系悬挂垂向刚度为200 MN/m，垂向阻尼为4.0 kN·s/m，二系悬挂垂向刚度为6.36 MN/m，垂向阻尼为52 kN·s/m，轴距1.83 m，车轮半径0.42 m。

不同无砟轨道的轨距均为1 676 mm，钢轨采用UIC60钢轨，扣件拟采用WJ-12型扣件系统，扣件刚度取为80 kN/mm，扣件垂向阻尼取为7.5×104N·s/m，扣件间距取为0.6 m，混凝土采用孟加拉当地的M50混凝土，桥梁支承面刚度为1 000 MPa/m，桥梁的截面面积为4.958 8 m2，截面惯性矩为4.193 3 m4。轨道不平顺采用美国五级谱。不同类型无砟轨道的主要参数如表1所示。

2 计算结果及分析

2.1 不同轴重的影响

以现浇板式无砟轨道为例，当不同轴重货车通过桥上无砟轨道时，桥上无砟轨道动力响应的各项指标如图2所示。

表1 不同类型无砟轨道主要参数

图2 不同轴重下现浇板式无砟轨道的各项动力响应

从图2可知，当25 t和32.5 t轴重货车通过桥上无砟轨道时，各项动力响应的时程曲线类似，仅在数值上存在差异。车体的最大振动加速度分别为1.296 m/s2和1.291 m/s2，轮轨垂向力最大值分别为160.30 kN和206.6 kN，轮重减载率分别为0.284和0.249，桥梁跨中钢轨的垂向位移分别为2.46 mm和2.82 mm，钢轨的垂向振动加速度分别为147.69 m/s2和152.93 m/s2，桥梁跨中道床板的垂向位移分别为1.80 mm和1.96 mm，钢轨的垂向振动加速度分别为19.37 m/s2和21.33 m/s2，扣件支点反力分别为55.03 kN和71.89 kN，轨道与桥梁的接触应力分别为104.76 kPa和131.12 kPa，桥梁跨中的振动加速度分别为2.29 m/s2和2.50 m/s2。可见，随着重载货车轴重的增大，轮轨垂向力、钢轨垂向位移、钢轨振动加速度、扣件支点反力、轨道与桥梁的接触应力、桥梁跨中的振动加速度均增大。文献[16]规定货车最大垂向振动加速度限值为0.7g，轮重减载率限值为0.6；文献[17]规定，对于无砟轨道，桥梁的最大垂向振动加速度限值为0.5g；文献[18]规定钢轨垂向位移限值为3 mm，文献[19-20]也提出重载铁路无砟轨道可按该限值考虑。从上述计算结果可知，不同轴重重载货车通过桥上现浇板式无砟轨道时安全性和平稳性满足要求，且钢轨位移和桥梁振动加速度均小于相关限值要求。

2.2 无砟轨道类型的影响

由于25 t轴重与32.5 t轴重货车作用下，桥上不同无砟轨道类型的动力响应变化趋势相同，本文仅列出32.5 t轴重重载货车以80 km/h速度通过不同类型无砟轨道结构的动力响应最大值，如图3所示。

图3 桥上不同类型无砟轨道系统动力响应

从上述计算结果可以得出如下结论。

(1)不同类型轨道结构的车体垂向振动加速度、轮重减载率等行车安全性和平稳性指标相差不大。

(2)现浇板式无砟轨道和单层长枕埋入式无砟轨道的钢轨垂向位移、钢轨垂向振动加速度、道床板垂向位移和道床板垂向振动加速度基本相同，这是由于两者道床板的厚度基本相同；由于水泥乳化沥青砂浆层具有减振降噪的功能，且弹性模量较小，因此单元板式无砟轨道的钢轨垂向振动位移、钢轨垂向振动加速度、道床板垂向位移和道床板垂向振动加速度最大。

(3)由于不同类型无砟轨道结构的钢轨、扣件系统和扣件间距相同，导致通过钢轨传递至扣件系统的荷载大小基本相同。

(4)单元板式无砟轨道与长枕埋入式无砟轨道的轨道与桥梁的接触应力、桥梁振动加速度均小于现浇板式无砟轨道和单层长枕埋入式无砟轨道，说明采用单元板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道对桥梁受力有利。

3 结论

通过研究重载货车通过不同类型桥上无砟轨道结构的动力特性，得到如下结论。

(1)随着列车轴重的增大，桥上无砟轨道系统的动力响应指标均增大。

(2)从降低轨道结构变形的角度考虑，优先选取现浇板式无砟轨道和单层长枕埋入式无砟轨道等单层无砟轨道结构；从降低轨道与桥梁的接触应力及桥梁振动加速度的角度考虑，应优先选取单元板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道等双层无砟轨道结构。

(3)由于不同类型无砟轨道均能满足行车安全性及平稳性的要求，重载铁路桥上无砟轨道的结构选型除了考虑系统的动力特性外，还应结合线路特点及无砟轨道与相关专业的接口关系，选择合适的无砟轨道类型。