梁軌相互作用簡(jiǎn)介

在我國(guó)《新建橋上無(wú)縫線路暫行規(guī)定》、以及《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（送審稿）中，均提及在進(jìn)行鐵路橋上設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮梁軌相互作用，對(duì)無(wú)縫線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，在檢算下部結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮鋼軌傳遞給下部結(jié)構(gòu)的縱向力。

無(wú)縫線路縱向力，指橋上無(wú)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(zhǎng)鋼軌相對(duì)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(zhǎng)鋼軌相對(duì)位移而產(chǎn)生的縱向力。

斷軌力：因長(zhǎng)鋼軌折斷，引起橋梁與長(zhǎng)鋼軌相對(duì)位移而引起的縱向力。

國(guó)內(nèi)鐵道科學(xué)研究院、中南大學(xué) （原長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院）、西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)對(duì)該問(wèn)題有過(guò)一定的研究和探討。

對(duì)于無(wú)縫線路縱向力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。關(guān)于其力學(xué)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?jiǎn)卧M橋梁，該模型被證明可以正確模擬無(wú)縫線路與橋梁之間的相互作用問(wèn)題 。

首先在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)DT-2、WJ-2、克隆蛋三種扣件進(jìn)行了有載和無(wú)載的情況下的位移阻力系數(shù)的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了鋼軌位移阻力系數(shù)滯回特性和有載到無(wú)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(guó)學(xué)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(shí)際情況，具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性。 其后，根據(jù)獲得的軌梁位移阻力雙彈簧模型，在簡(jiǎn)支梁體系內(nèi)進(jìn)行了考慮加載歷程的鋼軌附加力的計(jì)算，并和傳統(tǒng)的線性疊加方法對(duì)比。分析表明：由于梁軌作用問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的非線性問(wèn)題，必須考慮荷載反復(fù)作用下的鋼軌殘余應(yīng)力，它對(duì)附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。按加載歷程方法計(jì)算的鋼軌附加應(yīng)力比線性疊加法小，而軌梁相對(duì)位移要大很多。對(duì)斜拉橋進(jìn)的計(jì)算分析得出了相同的結(jié)論，但是位移差值要更大些。斜拉橋鋼軌附加力和梁軌相對(duì)位移最大值位于斜拉橋兩邊墩處，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。鋼軌附加力主要與斜拉橋結(jié)構(gòu)體系有關(guān)，和主梁剛度大小關(guān)系不大，對(duì)塔梁固結(jié)體系，鋼軌附加應(yīng)力將變得很小。 移動(dòng)車輛制動(dòng)和啟動(dòng)作用下梁軌相互作用屬于動(dòng)力問(wèn)題，目前都用靜力方法計(jì)算。課題組針采用移動(dòng)車輛荷載過(guò)橋方式，對(duì)斜拉橋鋼軌在制動(dòng)和啟動(dòng)作用下的附加應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，并將結(jié)果與靜力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)論是兩種方法計(jì)算結(jié)果相差不大，可以用靜力方法來(lái)計(jì)算制動(dòng)作用下的梁軌的相互問(wèn)題，回答了這個(gè)長(zhǎng)期爭(zhēng)議問(wèn)題。 斜拉橋結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)對(duì)鋼軌溫度附加應(yīng)力影響研究表明：拉索、橋塔、墩臺(tái)和鋼軌雖然具有不同的溫度分布，但拉素、橋塔、墩臺(tái)和鋼軌的溫差產(chǎn)生的鋼軌溫度附加應(yīng)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(duì)軌道U梁和鋼軌溫度場(chǎng)進(jìn)行了大量測(cè)試，并應(yīng)用熱力學(xué)理論進(jìn)行日照作用下溫度場(chǎng)分布計(jì)算研究。研究發(fā)現(xiàn)，目前梁軌溫度附加應(yīng)力計(jì)算的假定和實(shí)際出入太大，梁內(nèi)溫度場(chǎng)不宜采用單一溫度值和平面假定來(lái)計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)采用熱力學(xué)理論計(jì)算日照下溫度場(chǎng)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)吻合，可以用來(lái)計(jì)算梁軌溫度附加應(yīng)力。 最后，對(duì)斜拉橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置的合理跨進(jìn)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(shè)置鋼軌調(diào)節(jié)設(shè)置的合理跨度。此項(xiàng)研究已有一些初步結(jié)論，可作為后續(xù)研究。

軌道不平順是引起列車振動(dòng)、輪軌動(dòng)作用力增大的主要根源。對(duì)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(guó)外高速鐵路的實(shí)踐證明，在高平順的軌道上，高速列車的振動(dòng)和輪軌間的動(dòng)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(zhǎng)。反之，即使軌道、路基和橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度方面完全滿足要求，而軌道平順性不良時(shí)，在高速條件下各種軌道不平順引起的車輛振動(dòng)、輪軌噪聲和輪軌動(dòng)作用力將大幅度者加，使平穩(wěn)、舒適、安全性嚴(yán)重惡化，甚至導(dǎo)致列車脫軌。

軌道不正指數(shù)軌道不平順的主要影響

國(guó)內(nèi)外的研究試驗(yàn)均表明，各種軌道不平順對(duì)車輛振動(dòng)、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(zhǎng)區(qū)分軌道不平順及影響

隨機(jī)性軌道不平順的波長(zhǎng)范圍很寬，0.01～200m波長(zhǎng)的不平順均常見(jiàn)。

1m以下的軌面短波不平順?lè)岛苄?，多?.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(zhǎng)成分主要是鋼軌在軋制過(guò)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(zhǎng)為基波的復(fù)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(dòng)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(guò)程中形成的先天性不平、橋梁動(dòng)撓度等構(gòu)成。更長(zhǎng)的長(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)，產(chǎn)生很大的輪軌作作用力。周期性成分可能引起機(jī)車車輛的諧振。而中、長(zhǎng)波尤其是敏感波長(zhǎng)成分常常是引起車體產(chǎn)生較大振動(dòng)的重要原因。

在速度為120km/h以下時(shí)，軌道不平順有影響的波長(zhǎng)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(zhǎng)相應(yīng)增長(zhǎng)。速度為350km/h時(shí)，有影響的波長(zhǎng)可達(dá)百余米。

按軌道不平順的波長(zhǎng)特征可分為短波、中波、長(zhǎng)波不平順三類。各國(guó)劃分的波長(zhǎng)范圍不盡相同。我國(guó)波長(zhǎng)劃分如下：

軌道不正指數(shù)波長(zhǎng)和行車速度的影響規(guī)律

當(dāng)不平順波長(zhǎng)和行車速度一定時(shí)，幅值越大，所引起的車輛振動(dòng)和輪軌作用力等響應(yīng)也越大。

當(dāng)軌道不平順?lè)岛托熊囁俣纫欢〞r(shí)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)影響越小，非線性遞減，但敏感波長(zhǎng)、周期性的諧振波長(zhǎng)影響大。

當(dāng)軌道不平順?lè)岛筒ㄩL(zhǎng)一定時(shí)，速度越高影響越大，非線性遞增。