無論是既有線路還是新建線路，都存在一個橋上軌道與土路基軌道如何相連接的問題，由于橋上和路基兩種結(jié)構(gòu)的軌下支承條件不同，其軌下基礎(chǔ)乃至軌道整體的剛度及其變形就會不同，致使路橋連接部分產(chǎn)生軌道折角現(xiàn)象，破壞了軌道面的平順性，使得列車經(jīng)過該區(qū)段時附加動力明顯加大，導(dǎo)致軌道累積變形加大，石碴粉碎，道床翻漿，軌枕空吊，繼而引發(fā)行車事故。隨著列車速度的提高，這些問題愈來愈嚴(yán)重[1] 。為了減小軌面不平順對線路造成的危害，運輸部門往往采用限速通過的辦法。列車在運營過程中頻繁限速，既影響列車速度的提高，又使乘客感到不舒適，導(dǎo)致運營品質(zhì)降低。全國鐵路正在全面提速，過渡段問題如得不到很好地解決，將會成為制約我國鐵路提速事業(yè)發(fā)展的重要因素。目前，南昌鐵路局正對京九線進(jìn)行提速改造，對部分路橋不平順段進(jìn)行了軌道過渡段的設(shè)計，本文就這方面進(jìn)行探討。

    1 　既有線路橋過渡段的設(shè)計

    國外鐵路先進(jìn)國家在處理過渡段方面已有一定基礎(chǔ)，并積累了較豐富的經(jīng)驗，提出了一些經(jīng)實踐檢驗是可行的技術(shù)處理措施，歸納起來主要有如下幾類[2] ：

    (1) 在過渡段較軟一側(cè)，增大基床剛度，減小路堤沉降；

    (2) 在過渡段較軟一側(cè)，增大軌道豎向剛度；

    (3) 在過渡段較硬一側(cè)，通過設(shè)置軌下、枕下、碴底橡膠墊塊(板)來調(diào)整軌道豎向剛度。本文在參考《京滬高速鐵路線橋隧設(shè)計暫行規(guī)定》的基礎(chǔ)上，對京九提速改造部分路橋過渡段中，采用了第一種處理方法———用級配碎石填筑過渡段，設(shè)計參考如圖1 、2 、3 所示。
 

圖1 　過渡段縱斷面Ⅰ(單位：m)



 

圖2 　過渡段縱斷面圖Ⅱ(單位：m)



 

圖3 　過渡段橫斷面(單位：m)

 

路橋過渡段長度跟路橋的工后沉降差有關(guān)，《京滬高速鐵路線橋隧站設(shè)計暫行規(guī)定》中要求路橋過渡段沉降差α≤5 cm，《 秦沈客運專線橋隧站設(shè)計暫行規(guī)定》中要求路橋過渡段沉降差α≤8 cm ，本文考慮到既有線的改造，要求路橋過渡段沉降差α≤10 cm。本文在參考文獻(xiàn)[3～4 ]的基礎(chǔ)上取過渡段長度L = 20 m。過渡段斷面形式根據(jù)路堤與過渡段施工先后順序采用不同形式，先施工過渡段采用正梯形(圖2) ，反之先施工路堤則采用倒梯形(圖1) 。

    2 　路橋過渡段的動力學(xué)性能評
 
    為了保證過渡段的設(shè)計能夠滿足運營的動力學(xué)要求，本文采用仿真的方法對路橋過渡段的動力學(xué)性能進(jìn)行了評價。

    2.1 　過渡段的動力學(xué)計算模型

    關(guān)于車輛軌道垂向振動的仿真計算，國內(nèi)外已有多種模型，本文采用了一個被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的車輛軌道耦合系統(tǒng)豎向振動分析模型(圖4) 。該模型是一個線路與車輛豎向耦合系統(tǒng)，車體和轉(zhuǎn)向架簡化為剛體，均有點頭和沉浮兩個自由度。車輪和簧下質(zhì)量簡化成質(zhì)量塊，各部件之間由彈簧和阻尼器連接。線路部分是由鋼軌、軌枕、道床和路基組成的三層點支承梁模型。鋼軌視為連續(xù)支承歐拉梁，軌枕簡化為剛體，道床離散化為集中質(zhì)量塊。另外，為了有效模擬輪軌之間的赫茲非線性接觸，并使編程簡單化，本文同時采用車輛、軌道振動方程分開求解的有限元法[5 ] 。
 

圖4 　車輛軌道耦合系統(tǒng)豎向振動分析模型
 

　
    2.2 　過渡段的不平順模擬

    為了盡可能準(zhǔn)確模擬列車通過路橋過渡段的動力響應(yīng)，過渡段的不平順綜合考慮了3 種情況。

    (1) 軌面隨機不平順， 線路軌道譜作為激擾輸入[5] ，文獻(xiàn)[6]將軌道不平順分為幾何的和彈性的兩部分，通過實測和研究，給出了我國一級鐵路軌道高低不平順功率譜推薦公式   

   
    上述不平順譜最短波長約1 m。

    (2) 路橋過渡段由于工后沉降不一致，過渡段軌面產(chǎn)生了靜不平順，普通路基線路與橋臺等剛性軌道之間過渡段的曲線應(yīng)根據(jù)實際線路檢查的記錄考慮。本文將折角不平順簡化為四分之一波長的余弦，其表達(dá)式為

    y = (α/ 2) [1 - cos (πx/ l) ]     (2)
　　
    式中， y 代表軌面的豎向不平順； l 為過渡段長度； x 代表計算點到過渡段起始點的距離；α代表總的沉降差。

    (3) 路橋過渡段由于巨大剛度差而引起的軌道動不平順，路橋間剛度變化如圖5 所示。
 

圖5 　軌道底部剛度
 

　
    2.3 　過渡段的動力學(xué)計算結(jié)果分析

    迄今為止，還未見有對路橋過渡段動力學(xué)性能評價指標(biāo)體系，這里從軌道強度、列車運行的舒適性和安全性方面出發(fā)，主要采用以下3 項指標(biāo)作為分析和評價路橋過渡段動力學(xué)性能： 
 
    (1) 輪軌垂向力≤250 kN ；

    (2) 車體垂向加速度≤1.3 m/ s2 ； (3) 鋼軌垂向加速度≤200 g 。表1 列出了對路橋過渡段動力學(xué)效應(yīng)仿真計算結(jié)果的評價結(jié)果。

    表1 　路橋過渡段動力學(xué)效應(yīng)仿真計算結(jié)果
 
   
    3 　結(jié)論

    既有線提速線路路橋過渡段對線路工程的重要性已成共識，本文在參考國內(nèi)外處理過渡段的技術(shù)措施上，設(shè)計了我國既有線提速線路過渡段。為了保證過渡段的設(shè)計能夠滿足運營的動力學(xué)要求，利用有限元法，通過建立車輛軌道耦合系統(tǒng)豎向振動分析模型，對列車經(jīng)過路橋過渡段時軌道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能進(jìn)行了評價，計算結(jié)果表明該過渡段滿足動力學(xué)性能要求，為既有線提速和新線建設(shè)提供了設(shè)計依據(jù)。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 　Arnold D。 Kerr and Brian E。 Moroney。 TRACK TRANSITION PROBL EMS AND REMEDIES[ C] 。 Bulletin 7422American Rail2
way Engineering Association ， 2672298。

    [2] 　王其昌。 高速鐵道土木工程[M] 。 成都： 西南交通大學(xué)出版社，1999。

    [3] 　羅強，蔡英等。 高速鐵路路橋過渡段的動力學(xué)性能分析[J ] 。 工程力學(xué)，1999 (5) 。

    [4] 　王其昌，蔡成標(biāo)等。 高速鐵路路橋過渡段軌道折角限值的分析[J ] 。 鐵道學(xué)報， 1998 (3) 。

    [5] 　雷曉燕。 鐵路軌道結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法[M] 。 北京：中國鐵道出版社，1998。

    [6] 　長沙鐵道學(xué)院隨機振動研究室。 關(guān)于機車車輛/ 軌道系統(tǒng)隨機激勵函數(shù)的研究[C] 。 長沙鐵道學(xué)院，1985。