梁軌相互作用

在我國《新建橋上無縫線路暫行規(guī)定》、以及《鐵路無縫線路設計規(guī)范》（送審稿）中，均提及在進行鐵路橋上設計時，必須考慮梁軌相互作用，對無縫線路的強度和穩(wěn)定性進行檢算，在檢算下部結構時應考慮鋼軌傳遞給下部結構的縱向力。

無縫線路縱向力，指橋上無縫線路所承受的伸縮力、撓曲力和斷軌力。

伸縮力：因溫度變化，橋梁與長鋼軌相對位移而產(chǎn)生的縱向力。

撓曲力：列車荷載作用下，橋梁撓曲引起橋梁與長鋼軌相對位移而產(chǎn)生的縱向力。

斷軌力：因長鋼軌折斷，引起橋梁與長鋼軌相對位移而引起的縱向力。

國內(nèi)鐵道科學研究院、中南大學 （原長沙鐵道學院）、西南交通大學、北京交通大學對該問題有過一定的研究和探討。

對于無縫線路縱向力，國內(nèi)外學者進行了廣泛的研究。關于其力學模型，通常采用縱向非線性彈簧模擬梁軌之間的非線性作用，采用帶剛臂的梁單元模擬橋梁，該模型被證明可以正確模擬無縫線路與橋梁之間的相互作用問題 。

首先在試驗室內(nèi)對DT-2、WJ-2、克隆蛋三種扣件進行了有載和無載的情況下的位移阻力系數(shù)的試驗，根據(jù)試驗結果分析了鋼軌位移阻力系數(shù)滯回特性和有載到無載之間變化規(guī)律，提出了能反映軌梁相互作用的位移阻力系數(shù)的雙彈簧模型，該模型糾正了德國學者P.Ruge and C.Birk等人的位移阻力系數(shù)模型一些不合理的假定，更加符合實際情況，具有創(chuàng)新性和先進性。 其后，根據(jù)獲得的軌梁位移阻力雙彈簧模型，在簡支梁體系內(nèi)進行了考慮加載歷程的鋼軌附加力的計算，并和傳統(tǒng)的線性疊加方法對比。分析表明：由于梁軌作用問題是一個復雜的非線性問題，必須考慮荷載反復作用下的鋼軌殘余應力，它對附加應力計算結果產(chǎn)生較大的影響。按加載歷程方法計算的鋼軌附加應力比線性疊加法小，而軌梁相對位移要大很多。對斜拉橋進的計算分析得出了相同的結論，但是位移差值要更大些。斜拉橋鋼軌附加力和梁軌相對位移最大值位于斜拉橋兩邊墩處，數(shù)值計算結果和試驗數(shù)據(jù)吻合。鋼軌附加力主要與斜拉橋結構體系有關，和主梁剛度大小關系不大，對塔梁固結體系，鋼軌附加應力將變得很小。 移動車輛制動和啟動作用下梁軌相互作用屬于動力問題，目前都用靜力方法計算。課題組針采用移動車輛荷載過橋方式，對斜拉橋鋼軌在制動和啟動作用下的附加應力進行動力計算，并將結果與靜力學計算數(shù)據(jù)進行了比較，結論是兩種方法計算結果相差不大，可以用靜力方法來計算制動作用下的梁軌的相互問題，回答了這個長期爭議問題。 斜拉橋結構溫度場對鋼軌溫度附加應力影響研究表明：拉索、橋塔、墩臺和鋼軌雖然具有不同的溫度分布，但拉素、橋塔、墩臺和鋼軌的溫差產(chǎn)生的鋼軌溫度附加應力影響不大，可以不予考慮，影響鋼軌溫度附加力的主要因素是梁軌的溫差。對軌道U梁和鋼軌溫度場進行了大量測試，并應用熱力學理論進行日照作用下溫度場分布計算研究。研究發(fā)現(xiàn)，目前梁軌溫度附加應力計算的假定和實際出入太大，梁內(nèi)溫度場不宜采用單一溫度值和平面假定來計算。研究發(fā)現(xiàn)采用熱力學理論計算日照下溫度場和現(xiàn)場實測吻合，可以用來計算梁軌溫度附加應力。 最后，對斜拉橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設置的合理跨進行了研究。分別建立了303 m, 454.5m, 606 m, 757.5 m, 909 m, 1060.5 m的軌道交通斜拉橋模型，研究必須設置鋼軌調(diào)節(jié)設置的合理跨度。此項研究已有一些初步結論，可作為后續(xù)研究。

軌道不平順是引起列車振動、輪軌動作用力增大的主要根源。對行車平穩(wěn)舒適和行車安全都有重要影響，是軌道方面直接限制行車速度的主要因素。

輪軌相互作用的理論研究和國外高速鐵路的實踐證明，在高平順的軌道上，高速列車的振動和輪軌間的動作用力都不大，行車安全和平穩(wěn)舒適性能夠得到保證，軌道和車輛部件的壽命和維修周期也較長。反之，即使軌道、路基和橋梁結構在強度方面完全滿足要求，而軌道平順性不良時，在高速條件下各種軌道不平順引起的車輛振動、輪軌噪聲和輪軌動作用力將大幅度者加，使平穩(wěn)、舒適、安全性嚴重惡化，甚至導致列車脫軌。

軌道不正指數(shù)軌道不平順的主要影響

國內(nèi)外的研究試驗均表明，各種軌道不平順對車輛振動、輪軌噪聲、輪輪相互作用力、舒適生、安全性等都有直接影響，但不同種類的不平順，其激擾方向、影響性質(zhì)、影響程度又各不相同。

軌道不正指數(shù)波長區(qū)分軌道不平順及影響

隨機性軌道不平順的波長范圍很寬，0.01～200m波長的不平順均常見。

1m以下的軌面短波不平順幅值很小，多在0.02～2mm，主要由鋼軌接頭焊縫、不均勻磨耗、軌頭擦傷、剝離掉塊、波浪和波紋磨耗以及軌枕間距等因素形成。

1～3.5m范圍的波長成分主要是鋼軌在軋制過程中形成的周期性成分和波浪形磨耗。

3.5～30m波段主要由道床路基的不均勻殘余變形、各部件間的間隙不等、道床彈性不均、焊頭形成的以軌長為基波的復雜周期波成分，以及橋、隧頭尾、涵洞等軌道剛度突變和橋梁動撓度等形成。

30～200m波段多由道床及路基沉降不均、路基施工過程中形成的先天性不平、橋梁動撓度等構成。更長的長波多為地形起伏、線路坡度變化等形成。

軌道不平順不僅幅值和波長的變化范圍大，而且其影響也各不相同。短波不平順可能引起簧下質(zhì)量與鋼軌間的沖擊振動，產(chǎn)生很大的輪軌作作用力。周期性成分可能引起機車車輛的諧振。而中、長波尤其是敏感波長成分常常是引起車體產(chǎn)生較大振動的重要原因。

在速度為120km/h以下時，軌道不平順有影響的波長范圍在30m以下。隨著行車速度的提高，軌道不平順有影響的波長相應增長。速度為350km/h時，有影響的波長可達百余米。

按軌道不平順的波長特征可分為短波、中波、長波不平順三類。各國劃分的波長范圍不盡相同。我國波長劃分如下：

軌道不正指數(shù)波長和行車速度的影響規(guī)律

當不平順波長和行車速度一定時，幅值越大，所引起的車輛振動和輪軌作用力等響應也越大。

當軌道不平順幅值和行車速度一定時，波長越長影響越小，非線性遞減，但敏感波長、周期性的諧振波長影響大。

當軌道不平順幅值和波長一定時，速度越高影響越大，非線性遞增。