铁道建筑RailwayEngineering
September，2012
文章编号：1003-1995（2012）09-0122-04
合成轨枕式无砟轨道结构垂向动力特性分析
刘
丹，李培刚，肖杰灵，刘学毅
（西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031）
摘要：通过合成轨枕式无砟轨道结构的半车—轨道垂向耦合动力学模型，研究了焊接不平顺激励下，扣
件刚度、枕下支承刚度等对结构垂向动力特性的影响。分析表明：扣件刚度、阻尼及树脂砂浆弹性模量对轨道系统的动力特性有一定影响，其中钢轨位移减对行车安全性及平稳性影响不大。扣件刚度增加，少最为显著；扣件阻尼增加后，钢轨垂向振动加速度明显减小；树脂砂浆弹性模量增加，轨枕垂向振动加速度减小显著，钢轨垂向振动加速度增加。
关键词：合成轨枕扣件刚度扣件阻尼树脂砂浆弹性模量
+
中图分类号：U213.3；U213.244
文献标识码：A
动力特性
DOI：10．3969/j．issn．1003-1995．2012．09-37
的锚固力，树脂砂浆可抵消道床板表面不平整对轨道
并提供一定弹性保持轨道结构纵横向稳结构的影响，定性。
我国山区地质条件复杂，长隧道较多，轨道结构易
影响线路运营安全。为了因地质灾害发生较大变形，
最大限度地减小对线路运营的影响，轨道结构应具备
便于拆卸、搬运和快速修复等特点，而合日常维护少，
成轨枕式无砟轨道在这方面具有独特的优势。合成轨枕是一种以玻璃长纤维和硬质聚氨酯树脂
为主要成分的成型板，经压缩、粘结制造而成的产品，具有耐久性好、密度小（约为混凝土质量1/5）、弹性
加工灵活方便、施工精度高、稳定性好、易于维护管好、
理等优点。合成轨枕最先由日本开发并应用于新干线的岔区和钢桥等特殊地段。近来来，在中国广州地铁4号线、上海地铁8号线、台湾新干线、维也纳地铁等均有应用。但在我国数量庞大的大铁路市场中还没有应用案例。
通过建立合成轨枕式无砟轨道的半车—轨道垂向耦合振动模型，研究扣件刚度、阻尼及树脂砂浆弹性模量对其动力特性的影响，为合成轨枕式无砟轨道结构的应用提供理论依据。
图1合成轨枕无砟轨道结构
2
2.1
计算模型和计算参数
计算模型
根据车辆—轨道耦合动力学理论，建立如图2所
1合成轨枕式无砟轨道结构
示车辆—轨道垂向耦合动力学模型。将车辆视为由车体、前后转向架及轮对组成的多刚体系统，各刚体之间阻尼系统相连接。考虑车体及前后转向架通过弹簧、的沉浮、点头位移。轨道系统简化为连续弹性点支承梁模型。钢轨采用弹性点支承Euler梁模型，其支承
道床板视间距为扣件实际间距。轨枕视为质量单元，为连续支承的有限梁单元。将扣件、树脂砂浆及路基
支承均简化为弹簧和阻尼单元。钢轨及道床板考虑垂轨枕考虑垂向自由度。向及转动自由度，2.2
参数选取
车辆结构参数选取参照《车辆—轨道—路基系统。根据实际情况，动力学》并参考现行规范，拟定轨道
利用树脂砂浆将合成轨枕与道床板粘结成整体，
并在轨枕中间用一颗螺栓将其固定在道床板上，以提高轨道结构稳定性。合成轨枕无砟轨道结构如图1所示。
合成轨枕式无砟轨道具有轨枕易于更换，可以快
而且新修复的孔位仍具有足够速修复扣件孔位错动，
收稿日期：2011-11-15；修回日期：2012-05-20
作者简介：刘丹（1988—），女，四川南充人，硕士研究生。
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图2
车辆—轨道垂向耦合平面模型
计算参数如表1所示。本文采用焊缝凹接头不平顺为
激励，
焊缝凹接头不平顺一般用长1m的余弦波上叠加一短波不平顺来描述。本文中，不平顺短波长λ=
当模型输入焊接凹接头不平顺作为轮轨系统激励
时，计算得以下结果：车体加速度为0.026m/s2
，车体加速度小于允许限值，不会对车体的振动产生太大的影响。轮轨垂向力最大值为149.586kN（后转向架后
表1
轨道结构主要参数选取
轨枕宽轨枕轨枕质道床板道床板质路基面支承度/m高/m量/kg高度/m量/（kg/m）刚度/（N/m3）0.2
0.145
55.8
0.2
1500
1200×106
0.1m，长波波幅δ1=0.2mm，短波波幅δ2=0.1mm。
3
动力计算分析
3.1
计算结果分析
在焊缝接头不平顺激励下，主要动力响应如图3
～图8所示。
轴轮），
轮重减载率为0.393，钢轨垂向加速度最大值为510.363m/s2
，垂向最大位移为1.014mm，轨枕和
道床垂向加速度最大值分别为24.69870m/s2
，
18.121m/s2，均满足允许限值要求。
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铁道建筑September，2012
3.2扣件刚度影响分析
扣件刚度影响车辆及轨道结构各系统的动力性
能。在其它参数不变的情况下，扣件刚度由20kN/mm
表2
扣件刚度/（kN/mm）
20304050607080
ac/（m/s）0.0210.0230.0250.0260.0270.0280.028
2
变化至70kN/mm。车辆及合成轨枕式无砟轨道结构的动力响应最大值见表2。
车辆及轨道结构随扣件刚度变化的最大动力响应
yr/
as/（m/s）28.13528.42028.75029.12729.50129.98630.379
2
ar/（m/s）497.217497.407497.078497.380496.871495.844494.639
2
ab/（m/s）17.58417.71217.86118.03718.20718.40918.598
2
Pmax/kN147.852148.558149.553150.653151.642152.606153.722
mm1.9251.4271.1721.0140.9020.8200.757
减载率Zji0.4010.4040.4040.4020.4000.3970.394
从表2中可以看出，由于车辆系统本身的减振装置作用，随着扣件刚度的增加，车体垂向振动加速度及轮轨垂向力增加，轮重减载率减小，但变化幅度均较小，故行车安全性及平稳性所受影响较小。随着扣件刚度的增加，钢轨垂向振动加速度及钢轨垂向位移减
特别是钢轨垂向位移变化明显，轨枕及道床板加速小，
度随之少量增加。
钢轨的振动情况在很大程度上往往影响着钢轨的伤损。同时也是轨道噪声的主要来源，尤其是钢轨的振动加速度。因此扣件刚度的增加，有利于减小钢轨
表3
扣件阻尼/（kN·s/m）
2035507590115130
ac/（m/s）0.0300.0280.0270.0260.0260.0260.025
2
但会增加下部轨道结构振动，导致路损伤及轨道噪声，
基面动力响应增加。鉴于以上分析，扣件刚度不宜过小，也不宜过大，宜取30～60kN/mm。3.3扣件阻尼影响分析
阻尼大小对改善车辆—合成轨枕式无砟轨道结构的动力性能具有重要的实际意义。选择合适的阻尼可减小冲击荷载，降低车辆—轨道结构振动强度。
在其它参数不变的情况下，扣件阻尼由20kN·s/m变化至130kN·s/m。车辆及合成轨枕式无砟轨道结构的动力响应最大值见表3。
车辆及轨道结构随扣件阻尼变化的最大动力响应
yr/
as/（m/s）13.53318.40923.03029.12732.07536.13438.170
2
ar/（m/s）580.119551.538528.968497.380481.208458.023446.176
2
ab/（m/s）8.87811.68714.02418.03720.20023.22824.764
2
Pmax/kN159.902156.077153.606150.653149.371147.852147.242
mm1.0441.0351.0261.0141.0070.9980.992
Zji0.3980.3990.4000.4020.4030.4040.404
由表3可看出，随着扣件阻尼的增加，车辆垂向振
动加速度及轮轨力都随之减少，轮重减载率增加，故扣件阻尼对行车安全性及平稳性影响较小。对轨道系统而言，随着扣件阻尼的增加，钢轨振动加速度迅速降低，钢轨位移变化较小，轨枕及道床板的振动加速度迅速增加。
分析可知，扣件阻尼的改变对轨道结构动力响应
影响十分明显。扣件阻尼的增加对车辆及其上部轨道
结构具有减振作用，但会明显增加下部轨道结构振动。因此，扣件阻尼既不能过大，也不能过小，建议取40～75kN·s/m。3.4
树脂砂浆弹性模量影响分析
树脂砂浆垫层是道床板与轨枕之间的一个结构层，道床板刚度很大，受力变形较小；而轨枕刚度较小，
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受力变形较大，若无支承层的缓解和协调，两者过大的变形差将不利于结构的稳定和耐久性，不利于力的连续传递。砂浆层起着逐步适应从上至下刚度增加的作用，从而提高整个系统的承载能力。选择合理的树脂砂浆
表4
砂浆弹性模量/
MPa
501003001000200010000
ac/（m/s）0.0260.0260.0260.0260.0260.025
2
层弹性模量有利于提高轨道结构稳定性及耐久性。
在其它参数不变的情况下，树脂砂浆弹性模量由50MPa变化至10000MPa。车辆及合成轨枕式无砟轨道结构的动力响应最大值见表4。
车辆及轨道结构随树脂砂浆弹性模量变化的最大动力响应ar/（m/s）492.064494.996497.380506.286507.199522.660
2
yr/mm1.0601.0331.0141.0071.0061.005
as/（m/s）151.64289.12429.12718.38315.86715.454
2
ab/（m/s）19.14318.17918.03717.81617.38616.319
2
Pmax/kN157.289152.713150.653151.156151.397151.536
Zji0.4040.4020.4020.4020.4020.401
由表4可看出，树脂砂浆弹性模量的改变对车体
轮轨力及轮重减载率的影响很小，故垂向振动加速度、
对行车安全性及稳定性影响很小。对轨道结构而言，
随着树脂砂浆弹性模量增加，钢轨加速度增加，轨枕垂向振动加速度变化明显（从表中看出，当砂浆弹性模
轨枕加速度增加趋势变得非常量超过1000MPa后，
缓慢），钢轨垂向位移及道床板加速度变化很小。当
轨枕振动加速度为树脂砂浆弹性模量为50MPa，
2
151.642m/s2，而道床板振动加速度为19.143m/s，
钢轨损伤及轨道噪声，但会增加下部轨道结构振动，导
致路基面动力响应增加。
3）扣件阻尼对轨道结构动力响应影响十分明显，尤其是钢轨垂向振动加速度。扣件阻尼的增加对车辆及其上部轨道结构有直接的缓冲和减振作用，但会明显增加下部轨道结构振动。
4）增加树脂砂浆弹性模量，可显著降低轨枕的垂
协调轨枕与道床板因刚度不同造成的向振动加速度，
位移差，提高轨道结构的稳定性及耐久性，但会增加钢
轨损伤。同时当弹性模量高于1000MPa后，轨枕垂向振动加速度变化趋于平缓，故树脂砂浆弹性模量不应大于1000MPa。综上所述，树脂砂浆弹性模量建议选取为300～1000MPa范围内。
参
考
文
献
二者相差很大，变形无法协调，不利于结构稳定。当树
脂砂浆弹性模量为10000MPa时，轨枕振动加速度为
215.454m/s2，而道床板振动加速度为16.319m/s，二
者振动基本同步。
分析可知，树脂砂浆弹性模量对车辆结构动力响应影响较小。对轨道结构动力响应影响较为明显，尤其是合成轨枕垂向振动加速度。增加树脂砂浆弹性模量，可协调轨枕与道床板因刚度不同造成的位移差，提
但会增加钢轨损伤。高轨道结构的稳定性及耐久性，
同时当弹性模量高于1000MPa后，轨枕垂向振动加
速度变化趋于平缓，故树脂砂浆弹性模量不应大于1000MPa。综上所述，树脂砂浆弹性模量建议选取为300～1000MPa范围内。
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4结论
1）由于车辆结构一系簧及二系簧本身的减振作用，扣件刚度、阻尼及树脂砂浆弹性模量均对行车安全性及平稳性影响很小。
2）扣件刚度对轨道结构动力响应具有一定影响，尤其是钢轨垂向位移。扣件刚度的增加，有利于减小
（责任审编
王
红）
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