尹 峰

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081)

CRTSⅡ型無(wú)砟軌道的軌道板采用縱連方式形成連續(xù)型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。我國(guó)近年來(lái)開(kāi)通的一些高速鐵路采用這種結(jié)構(gòu)形式[1]，累計(jì)鋪設(shè)里程超過(guò) 9 000 km。在極端連續(xù)高溫條件下，軌道板間接縫出現(xiàn)擠碎甚至上拱現(xiàn)象，影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)危及行車(chē)安全。

我國(guó)對(duì)軌道板拱起變形的檢測(cè)主要是依靠現(xiàn)場(chǎng)人工檢查，靠視覺(jué)觀察。當(dāng)軌道板拱起產(chǎn)生離縫時(shí)，才能被肉眼識(shí)別。受夜間檢查環(huán)境影響，這種作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不佳。當(dāng)軌道板拱起產(chǎn)生離縫造成較大的軌道不平順時(shí)，利用綜合檢測(cè)列車(chē)可以間接發(fā)現(xiàn)，但由于軌道板拱起引起的軌道不平順?lè)岛苄?，且影響范圍往往較窄，遠(yuǎn)達(dá)不到我國(guó)高速鐵路目前的日常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，很難引起檢測(cè)分析人員的注意[2]。早期嘗試通過(guò)2次綜合檢測(cè)車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)的差異來(lái)查找疑似軌道板拱起位置，但由于受綜合檢測(cè)列車(chē)的精度限制，會(huì)造成當(dāng)閾值設(shè)置較小時(shí)出現(xiàn)大量的結(jié)果輸出，給地面復(fù)核人員造成很大的工作量，而當(dāng)閾值設(shè)置較大時(shí)，又很容易漏掉軌道板拱起處所，因此，需要研究新的方法提高軌道板上拱離縫辨識(shí)的精度。

CRTSⅡ型無(wú)砟軌道的軌道板上拱量多數(shù)在5 mm 左右(極端情況超過(guò)10 mm)。綜合檢測(cè)車(chē)軌道檢測(cè)系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)向架上，屬于有載動(dòng)態(tài)檢測(cè)，部分上拱處所有可能因受壓變形而無(wú)法被檢測(cè)到。本文通過(guò)建立含軌道板與砂漿層離縫的精細(xì)化車(chē)輛-軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究離縫對(duì)軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響，分析列車(chē)通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)軌道變形以及回彈情況；研究當(dāng)軌道剛度存在較大變化時(shí)，動(dòng)態(tài)有載檢測(cè)與靜態(tài)無(wú)載測(cè)量值之間的差異，提出利用動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的差異間接檢測(cè)軌道板離縫的方法。

1 模型建立

通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件建立軌道與車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型和軌道靜力學(xué)模型，模擬分析列車(chē)通過(guò)軌道板與砂漿層離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板動(dòng)位移變化情況。

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

動(dòng)力學(xué)模型(見(jiàn)圖1)用于計(jì)算軌道板和砂漿層產(chǎn)生離縫后，車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)鋼軌和軌道板的動(dòng)態(tài)變形。

對(duì)某高速鐵路的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用CRH2型車(chē)車(chē)輛模型參數(shù)[3]，建立了3節(jié)連續(xù)車(chē)輛模型。車(chē)輛包括輪對(duì)、構(gòu)架、車(chē)體、一系懸掛以及二系懸掛。其中輪對(duì)、構(gòu)架和車(chē)體均采用剛體模擬，一系懸掛和二系懸掛采用彈簧單元模擬，不同車(chē)輛之間采用耦合約束。

圖1 動(dòng)力學(xué)模型

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道模型包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層和底座(路基支承層)，扣件采用彈簧單元模擬，其余部件均采用實(shí)體單元模擬[4-5]。假設(shè)軌道結(jié)構(gòu)中僅存在軌道板與砂漿層離縫病害，將軌道結(jié)構(gòu)在縱向上視為一體，忽略板間連接因材料、黏結(jié)、結(jié)構(gòu)等因素所產(chǎn)生的差異[6]。CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道軌道板采用C60混凝土，寬 2 550 mm，高 200 mm；CA砂漿層與軌道板等寬，高30 mm，彈性模量取7 GPa;鋼軌采用CHN60鋼軌，彈性模量取210 GPa?？奂瓜騽偠热?0 kN/mm，橫向剛度取35 kN/mm[7]。

1.2 靜力學(xué)模型

靜力學(xué)模型僅針對(duì)軌道結(jié)構(gòu)，用于模擬軌道板上拱產(chǎn)生離縫后對(duì)軌道不平順的影響。

2 計(jì)算工況選取

本文中鋼軌不平順為某高速鐵路無(wú)離縫區(qū)段實(shí)測(cè)不平順，見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)測(cè)不平順

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]中的計(jì)算工況，認(rèn)為離縫均橫向貫通軌道板。計(jì)算工況分為2大類(lèi)：一類(lèi)是軌道板與砂漿層離縫對(duì)上部鋼軌不產(chǎn)生影響，對(duì)鋼軌僅施加實(shí)測(cè)不平順；另一類(lèi)是軌道板和砂漿層產(chǎn)生離縫后對(duì)鋼軌產(chǎn)生影響，鋼軌受下部結(jié)構(gòu)變形的影響，不平順為實(shí)測(cè)值和離縫影響計(jì)算值的疊加。軌道板和砂漿層離縫形態(tài)采用正弦函數(shù)模擬。

半塊板長(zhǎng)范圍內(nèi)離縫幅值計(jì)算公式為

(1)

式中：S為離縫幅值；A為最大離縫幅值；L為距離離縫中心的距離。

整塊板長(zhǎng)范圍離縫幅值計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)計(jì)算公式得到的不同計(jì)算工況匯總于表1。其中，工況1、工況2和工況3三種條件下均含有綜合檢測(cè)列車(chē)實(shí)測(cè)的高低和軌向不平順[10]。

表1 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 靜力分析

假設(shè)半塊軌道板范圍內(nèi)軌道板上拱產(chǎn)生離縫的同時(shí)也使鋼軌產(chǎn)生連帶變形，最大離縫幅值為4,8，12 mm 時(shí)鋼軌產(chǎn)生的變形幅值見(jiàn)圖3。離縫12 mm時(shí)的垂向變形云圖見(jiàn)圖4，鋼軌的相應(yīng)靜態(tài)垂向位移最大值為3.28,6.57，9.85 mm。

圖3 軌道板變形傳遞鋼軌變形幅值

圖4 垂向變形云圖(單位：m)

3.2 動(dòng)力分析

在工況2下，假設(shè)軌道板上拱與砂漿層產(chǎn)生離縫范圍為半塊軌道板長(zhǎng)度，對(duì)上部鋼軌不產(chǎn)生影響。鋼軌、軌道板垂向動(dòng)位移和輪軌垂向力見(jiàn)圖5。盡管離縫的幅值不同，鋼軌、軌道板垂向動(dòng)位移以及輪軌垂向力變化趨勢(shì)和幅值大小卻幾乎完全一致，軌道板的動(dòng)變形幅值最大為0.6 mm左右，列車(chē)無(wú)法將軌道板壓下至密貼狀態(tài)。

圖5 工況2鋼軌、軌道板垂向動(dòng)位移和輪軌垂向力

在僅有實(shí)測(cè)不平順的情況下，列車(chē)通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)，車(chē)輪經(jīng)過(guò)處鋼軌和軌道板產(chǎn)生向下的動(dòng)位移。當(dāng)車(chē)輪離開(kāi)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)變形處的鋼軌會(huì)快速回彈。同一轉(zhuǎn)向架通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板回彈量較小，而同一節(jié)車(chē)2個(gè)轉(zhuǎn)向架之間通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板幾乎完全回彈(可視為無(wú)載荷狀態(tài))。鋼軌垂向位移在有載與無(wú)載狀態(tài)下差值最大為1.44 mm。

將工況1下得到的鋼軌垂向變形附加到工況2下得到工況3，進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，得到鋼軌、軌道板垂向動(dòng)位移和輪軌垂向力見(jiàn)圖6?？芍?疊加了上拱產(chǎn)生的軌道不平順后鋼軌和軌道板的動(dòng)位移相對(duì)于工況1明顯增加，且隨著離縫幅值的增加，同一節(jié)車(chē)2個(gè)轉(zhuǎn)向架之間通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)不再是接近無(wú)載荷狀態(tài)，而是產(chǎn)生向上的動(dòng)位移，但在車(chē)體中部位置向上的動(dòng)位移會(huì)回彈至0。該處動(dòng)位移理論上接近無(wú)載荷狀態(tài)，列車(chē)荷載無(wú)法將產(chǎn)生離縫的軌道板下壓至密貼狀態(tài)。該工況下離縫達(dá)到12 mm時(shí)，2節(jié)車(chē)連接處向上的動(dòng)位移較大且回彈較慢。由于鋼軌產(chǎn)生了疊加的不平順，輪軌垂向力幅值也相應(yīng)增大。

圖6 工況3鋼軌、軌道板垂向動(dòng)位移和輪軌垂向力

車(chē)輪通過(guò)離縫區(qū)域前后鋼軌和軌道板動(dòng)位移最大值見(jiàn)表2。車(chē)輪和車(chē)體中部通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板動(dòng)位移見(jiàn)表3。當(dāng)離縫幅值超過(guò)一定范圍時(shí)，鋼軌向上的垂向動(dòng)位移會(huì)急劇增大，而向下的動(dòng)位移增長(zhǎng)較緩慢。

表2 車(chē)輪通過(guò)離縫區(qū)域前后鋼軌和軌道板動(dòng)位移最大值

由圖6(a)、圖6(b)和表2可知，在工況3下車(chē)輪和同一節(jié)車(chē)2節(jié)轉(zhuǎn)向架之間通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌、軌道板動(dòng)位移差值隨離縫幅值增大而增大。由圖6(a)、圖6(b)與表3可知，同一節(jié)車(chē)車(chē)體中部通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌、軌道板動(dòng)位移已回彈至0.1 mm以?xún)?nèi)，接近無(wú)載荷狀態(tài)，與車(chē)輪經(jīng)過(guò)離縫區(qū)域時(shí)相比動(dòng)位移差值較為明顯。

表3 車(chē)輪和車(chē)體中部通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板動(dòng)位移

圖7 鋼軌、軌道板垂向動(dòng)位移和輪軌垂向力(工況4)

假設(shè)軌道板上拱與砂漿層產(chǎn)生離縫范圍為整塊軌道板長(zhǎng)度(工況4)，離縫對(duì)上部鋼軌不產(chǎn)生影響，并且在該工況下鋼軌靜態(tài)是平直的，不施加綜合檢測(cè)列車(chē)實(shí)測(cè)不平順。從鋼軌和軌道板的垂向動(dòng)位移(圖7(a)、圖7(b))可以看出：在離縫幅值為4 mm時(shí)車(chē)輪經(jīng)過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌動(dòng)位移達(dá)到-2.626 mm，軌道板動(dòng)位移達(dá)到-1.938 mm。車(chē)輪和同一節(jié)車(chē)2個(gè)轉(zhuǎn)向架之間通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌和軌道板產(chǎn)生回彈，且回彈量較大，鋼軌最大回彈至0.807 mm，軌道板最大回彈至0.817 mm。在車(chē)體中部通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)，鋼軌回彈至-0.448 mm，軌道板回彈至-0.525 mm，此時(shí)不可視為無(wú)載荷狀態(tài)，鋼軌動(dòng)位移差值接近2.2 mm。

當(dāng)離縫幅值為8 mm和12 mm時(shí)，軌道板和鋼軌的動(dòng)位移變化趨勢(shì)和幅值幾乎一致，車(chē)輪經(jīng)過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌動(dòng)位移達(dá)到-6.334 mm，軌道板動(dòng)位移達(dá)到-5.597 mm。同一節(jié)車(chē)的2個(gè)轉(zhuǎn)向架之間通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)，鋼軌和軌道板產(chǎn)生向上的動(dòng)位移，最大位移幅值為3.3 mm。離縫8 mm時(shí)，車(chē)體中部通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)鋼軌動(dòng)位移為-0.702 mm，軌道板動(dòng)位移為-1.088 mm；離縫12 mm 時(shí)，鋼軌動(dòng)位移為-0.657 mm，軌道板動(dòng)位移為-1.041 mm，鋼軌動(dòng)位移差值達(dá)到5.6 mm。

由于未施加實(shí)測(cè)不平順，鋼軌僅在車(chē)輛通過(guò)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)位移，因此輪軌力的靜態(tài)不平順激擾源較小，相對(duì)于工況3產(chǎn)生的輪軌垂向力小很多(見(jiàn)圖7(c))。

在未施加軌道不平順條件下，整塊軌道板離縫時(shí)在列車(chē)荷載的作用下已經(jīng)產(chǎn)生很大的鋼軌和軌道板動(dòng)位移，若在鋼軌施加實(shí)測(cè)不平順，相應(yīng)的量值均會(huì)增大。

通過(guò)以上各工況的分析，車(chē)輪經(jīng)過(guò)離縫區(qū)域時(shí)與同一節(jié)車(chē)車(chē)體中部通過(guò)時(shí)相比，鋼軌動(dòng)位移差異較大，尤其在半塊板離縫情況下可視為有載荷與無(wú)載荷的差異，因此在車(chē)體中部安裝檢測(cè)設(shè)備就可對(duì)鋼軌近似于無(wú)載荷狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)與綜合檢測(cè)列車(chē)(檢測(cè)位置為輪軌接觸位置)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在理論上通過(guò)這種較大的差值可間接尋找離縫較大的處所，同樣也能識(shí)別出軌道剛度變化較大的處所，為尋找軌道結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)以及保障鐵路運(yùn)營(yíng)安全提供新的思路。

4 結(jié)論

本文通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件建立軌道與車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型和軌道靜力學(xué)模型，模擬列車(chē)通過(guò)軌道板與砂漿層離縫區(qū)域時(shí)，鋼軌和軌道板動(dòng)位移變化情況。主要結(jié)論如下：

1)在離縫范圍為半塊板情況下，車(chē)輪經(jīng)過(guò)離縫區(qū)域時(shí)與同一節(jié)車(chē)車(chē)體中部通過(guò)時(shí)相比，鋼軌與軌道板動(dòng)位移存在較大差值，理論上可視為有載荷與無(wú)載荷狀態(tài)的差值。

2)在離縫范圍超過(guò)整塊板的情況下，同一節(jié)車(chē)車(chē)體中部通過(guò)離縫區(qū)域時(shí)并未完全回彈，并不是無(wú)載荷狀態(tài)，但與車(chē)輪經(jīng)過(guò)離縫區(qū)域時(shí)的有載荷狀態(tài)相比，動(dòng)位移差值較大。

3)采取在同一節(jié)車(chē)體中部加裝無(wú)載荷檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)有載荷與無(wú)載荷條件下的數(shù)據(jù)對(duì)比，理論上可以找到離縫較大處所。

[1]吳斌,陳文榮,劉參,等.列車(chē)豎向荷載下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力特性試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,11(3):37-42.

[2]田新宇,楊飛,趙文博,等.京滬高鐵上海局管段2016年軌道板上拱區(qū)段軌道幾何特征分析[R].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2017.

[3]郝建芳.高速鐵路路橋過(guò)渡段軌道動(dòng)力特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京交通大學(xué),2014.

[4]尤明熙,高亮,趙國(guó)堂,等.板式無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)和溫度梯度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)分析[J].鐵道建筑,2016，56(5):1-5.

[5]李培剛.CRTSⅡ型板式軌道層間損傷及其影響研究[D].成都：西南交通大學(xué),2015.

[6]何川.CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道砂漿離縫的影響及維修指標(biāo)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[7]高亮,劉亞男,鐘陽(yáng)龍,等.寬窄接縫破損對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線(xiàn)路受力的影響[J].鐵道建筑,2016，56(5):58-63.

[8]姜子清,江成,楊飛,等.高速鐵路工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)評(píng)估報(bào)告[R].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2017.

[9]趙國(guó)堂,高亮,趙磊,等.CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道板下離縫動(dòng)力影響分析及運(yùn)營(yíng)評(píng)估[J].鐵道學(xué)報(bào),2017,39(1):1-10.

[10]尹峰,尤明熙,王昊.Ⅱ型軌道板上拱快速檢測(cè)技術(shù)方案研究[R].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2017.