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高速铁路无碴轨道结构的试验研究

信息来源:hunningtu.biz  时间:2006-06-09  浏览次数:169

  提要:结合国外高速铁路无碴轨道的发展与应用情况,提出并设计了3种结构型式无碴轨道:长枕埋入式、弹性支承块式与板式轨道,并对室内铺设的实尺模型进行静栽、疲劳及落轴试验,综合评估其整体性能,为今后高速铁路无碴轨道的选用提供技术依据。
  关键词:高速铁路无碴轨道轨道试验性能试验与传统的有碴轨道相比,无碴轨道具有维修工作
  量少、轨道稳定性与耐久性好、平顺性高的突出优点,因此世界上许多国家在无碴轨道领域开展了长期系统的研究工作,一些国家已把无碴轨道作为高速铁路的主要结构型式而全面推广应用,并取得了显著的社会效益和经济效益。近年来随着我国铁路运输向提速、高速方向发展,对线路质量提出了更高的要求,借鉴国外高速铁路无碴轨道成熟的技术与研究发展模式(“结构型式的提出与设计一室内实尺模型试验_+现场试验段的运营考验一全区间推广应用”),结合我国既有的技术基础,研究适合我国高速铁路的无碴轨道结构,不仅可以少走弯路,而且对提高我国高速铁路无碴轨道的科研、设计、施工等各项技术水平具有极大的推动作用。
  1 国外无碴轨道概况
  从60年代开始,高速铁路无碴轨道结构在日本德国、英国、意大利等国家得到了广泛应用,以下概要介绍目前国外铁路应用较成熟的几种无碴轨道结构型式。
  (1)日本板式轨道。日本铁路由于其独特的地理条件以及劳动力短缺等原因,极力发展板式轨道,从60年代在山阳新干线试铺的8 km板式轨道算起,到1997年完工的北陆新干线155 km板式轨道,累计铺设长度已超过2 400 km。日本铁路在板式轨道研究发展过程中,通过室内模型试验与现场试验段的运营考验,积累了丰富的研究与实践经验。开发出适用于隧道和高架桥上的A型轨道板、框架式轨道板,适用于土质路基上的RA型轨道板,以及防振型轨道板等;配合使用的CA砂浆有适用于温暖、寒冷、海岸线、修补等各种不同的配方,从而构成了不同使用范围的板式轨道系列。
  (2)德国Rheda型无碴轨道。德国高速铁路对无碴轨道的研究与应用主要针对隧道和路基。1959—1988年的试验阶段,试铺了各类无碴轨道试验段36处,累计长度达21.3 km,到1989年基本定型 并开始成段铺设,截止到1997年,共铺设无碴轨道达190km,其结构型式以Rheda型为主,在此基础上,通过在道床板与底座问增设减振层,实现在特殊地段的减振要求。
  (3)弹性支承块式无碴轨道。弹性支承块式无碴轨道由于其特有的减振、降噪、减磨等优越性能而被世界上许多国家所采用,如瑞士、丹麦、英国等。设计时速200 km/h的英吉利海底隧道通过多种无碴轨道结构比选,采用了该种结构型式.并于1993年6月开通运营 美国成立的Sonneville国际集团公司还对该轨道系统提供成套技木咨询服务,其技术已相当成熟。我国的18 km长秦岭隧道,也采用了这种结构型式。
  (4)其它结构型式的无碴轨道。世界上许多国家根据自己的技术基础与线路特点,开发出多种型式的无碴轨道结构,如:英国的PACT型、法国的VSB型、意大利的IPA型等。
  2 3种无碴轨道的结构组成与设计特点
  在高速铁路无碴轨道的前期研究中,初步提出了3种无碴轨道结构型式。
  (1)长枕埋入式。由横向穿孔轨枕、道床板、底座等构件组成,结构耐久可靠,制造、施工简单,初期投资相对较小,可修复。
  (2)弹性支承块式。由弹性支承块(支承块、橡胶套靴、块下大橡胶垫板)、道床板、底座等构件组成,该结构减振、降噪性能好,结构简单,施工方便,初期投资较大,可修复。
  (3)板式轨道。由预制轨道板(PC或RC)、CA砂浆调整层、凸形挡台、底座等构件组成,轨道高度低、自重轻,现场组装工作量少,需专门制造、施工设备,初期投资大,可修复。
  3 无碴轨道的整体性能
  为综合评估上述3种结构型式无碴轨道的整体性能,考察其结构强度与动力特性,在试验室内分别铺设10m长的无碴轨道实尺模型,利用多点液压伺服加载系统及落轴试验设备,对无碴轨道进行了静载、疲劳与落轴试验。
  3.1 静截与疲劳试验
  静载试验单点最大荷载值为结构的设计荷载,疲劳试验单点最大荷载值根据静轮重,并考虑动力附加系数,确定为150 kN,加载频率范围5-25 Hz。
  3.1.1 试验测试内容
  道床板的表面应变;钢轨支点压力的分配;钢轨的绝对位移。
  3.1.2 试验结果
  (1)在静载过程中,3种结构无碴轨道道床板的表面应变随荷载增加成线性增长,其受力状态在弹性范围内,结构具有足够的强度储备。
  (2)200万次模拟列车荷载的疲劳试验前后.道床板的应变未发生变化。
  (3)单点荷载作用下,钢轨支点压力的分配基本在以加载点为中心的5个钢轨支点上;荷载越大,加载点下的钢轨支点压力分配比例越大;弹性支承块式钢轨支点压力的分配比例相对较均匀;长轨枕埋人式与板式轨道的钢轨支点压力分配比例基本相同。
  (4)弹性支承块式钢轨位移最大,其次为板式轨道,长轨枕埋入式最小。 3种结构的残余变形均较小。
  3.2 落轴试验
  落轴试验是评估轨道动力特性的有效手段,试验过程中利用一定质量的轮对,在选定的轨道断面上,在一定落高下自由落体,造成对钢轨轨面的垂向冲击,一方面测定钢轨的垂向冲击力及冲击时间,可得出轨道的弹性系数K与阻尼系数C;另一方面通过钢轨冲击力幅值的衰减及轨道各部分的振动加速度,分析轨道的振动传递与衰减性能。
  3.2.1 无碴轨道的弹性系数与阻尼系数
  根据日本铁路落轴试验及其计算理论,对3种结构进行了钢轨冲击力及其衰减时间段的测试,通过计算得出轨道的弹性系数与阻尼系数,如表1。
  从试验结果可看出,3种轨道结构的弹性系数K值的大小顺序为:长轨枕埋人式、板式、弹性支承块式。轨道阻尼系数C反映的是轨道的减振性能,C值越大,其减振性能越好,从表中看出,C值的大小顺序与K值正好相反。
  3.2.2 轨道的振动传递与衰减性能
  (1)轨道各部分的振动加速度。表2为落高25mm时的3种结构的钢轨振动加速度测试结果,以及轨道各组成部分的加速度比值。可以看出,轨道各部分的振动加速度从钢轨到道床板逐渐减小;由于弹性支承块式无碴轨道结构的组合刚度相对其它2种结构要小,反映在同样冲击条件下钢轨的振动加速度要小。从振动加速度比值盾,相应的下部基础(底座)加速度值也小。
  (2)钢轨冲击力的峰值及其衰减。在相同冲击条件下,由于轨道组合刚度的不同,3种结构钢轨冲击力的峰值及其衰减明显不同,表3为落高25mm时3种轨道结构型式的钢轨冲击力峰值P及其大于2O kN之前的衰减总时问 与衰减次数的测试结果。从表中钢轨冲击力峰值的衰减时间与衰减次数可以较直观地看出3种轨道振动特性的不同,其中弹性支承块式相对长轨枕埋入式与板式轨道的差异更为明显,其减振性能优越,这也是这种低振动轨道的设计初衷。从钢轨冲击力峰值的大小看,其受轨道刚度的影响规律也较明显。轨道刚度越大,其相应冲击力的峰值增大,由于落轴试验实际上反映的是轮轨冲击荷载作用下轨道的动力性能,因此如果在运营线路上轨道产生较大不平顺,轮轨间产生冲击荷载,在相同的线路与车辆状态下,相对有碴轨道来说刚度较大的无碴轨道,其动力响应将相应增大。但从另一方面来说,高速铁路无碴轨道线路具有稳定性、平顺性与刚度均匀性好的突出优点,可弥补其组合刚度较大的不足。
  4 无碴轨道综合经济效益初评
  从国内外无碴轨道的初期投资看,无论哪种结构型式都肯定要比有碴轨道大,如:我国60年代施工的成昆线整体道床造价比同样条件下碎石道床高出14.2%-22.5% ;在运营线上铺设整体道床则约高如30% 一50% 。英国PACT型无碴轨道造价高出碎石道床约17% 一33% ;日本板式轨道的造价为有碴轨道的1~2倍。但无碴轨道结构可大幅度减少养护维修费用,减少列车限速、中断行车等对运营的干扰,因此被世界各国所公认。我国各铁路局统计资料表明,一般情况下,隧道内无碴轨道线路可减少养护维修费用约50% ,由于取消了道碴,可不进行轨道中修,大修的内容也减少。特别对于长大隧道、繁忙干线、高架桥上等养护维修困难地段,无碴轨道不仅节省了养护维修费用,减少了对运营的干扰,而且大大改善工人的劳动条件,消除了有碴轨道中频繁的道碴清筛、捣固等繁重的体力劳动,将会带来显著的社会效益与经济效益。综合考虑轨道与结构物(如:桥、隧)的工程总费用,由于无碴轨道的单线每延米重量要小于有碴轨道,对于桥上无碴轨道来说,可减轻桥梁的二期恒载,在一定程度上可节省桥梁、墩台的造价;对于隧道内的无碴轨道,由于其结构高度低,可降低隧道净空,减小隧道的开挖面,同样可降低工程造价。
  5 结束语
  (1)不同结构组成的3种无碴轨道结构型式具有各自不同的结构特点。这3种结构型式在国外应用已相当成熟,通过静载与疲劳试验表明,其结构强度有足够的储备。不会影响高速列车的行车安全。
  (2)由于3种无碴轨道结构的组合刚度不同,从落轴试验中也侧面反映出,在轮轨表面不平顺引起的冲击荷载作用下,其轨道的振动衰减特性不同,轨道组合刖度的大小对轮轨表面不平顺引起的轨道动力响应较敏感。但从另一方面看,对于高速铁路无碴轨道,并不是说组合刚度越小越合理。从理论上说,轨道的动力响应在轮轨表面平顺的情况下,几乎不受轨道刚度的影响 由于无碴轨道线路特有的高平顺性、刚度的均匀性,在一定程度上弥补了无碴轨道结构整体刚度大的不足,因此对于无碴轨道结构型式与轨道刚度的合理选择需要根据具体线路的特点与铺设地段的要求作技术经济比较,合理确定。
  (3)受室内试验条件的限制,轨道结构的一些动态性能试验尚无法进行,在目前适合高速铁路的无碴轨道结构型式尚未定型的情况下,部有关部门根据室内试验得出的结论,在保证运行安全的前提下,选定了2种无碴轨道结构在秦沈客运专线上建立试验段,以接受运营考验。并结合这一试验工程,综合开展无碴轨道设计、制造、施工暂规及相应工艺与机具的研究开发,这不仅将为我国高速铁路无碴轨道提供必要的技术储备,也是我国铁路轨道技术尽快赶上世界先进水平的一个必要发展过程。

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