高速铁路路桥过渡段路基动响应特性研究

振第２５卷第３期　动与冲击　ＪＯＵＲＮＡｌ　ＯＦ　ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＳＨＯＣＫ　高速铁路路桥过渡段路基动响应特性研究　陈雪华律文田王永和　４１００７５）　（中南大学土木建筑学院，长沙摘　要　通过现场实测，对秦沈客运专线动力分散型机车在某路桥过渡段高速行车条件下的动响应规律进行了研　究。分析了沿路桥过渡段线路纵向的动应力分布规律、列车速度和动应力的关系，以及动应力沿路基深度方向的变化规　律等。分析表明：沿铁路线纵向随车速的增大，动应力有不同程度的增加；动应力随路基深度的增加衰减很快。并且随着　深度的增加。动应力值和静态应力值越来越接近：过渡段路基速度动力系数小于Ｏ．３。用速度动力系数能够直观地表示速　度对路基的动力作用。　关键词：高速铁路，路桥过渡段，动响应，路基　中图分类号：Ｕ２１３．１　文献标识码：Ａ　０引　言　随着铁路向高速重载方向发展，作为轨下基础的　路基发挥出越来越重要的作用。列车速度的提高对铁　路路基的要求也越来越高。铁路路基基床承受列车和　轨道荷载，必须具有足够的强度和稳定性，若基床出现　下沉病害，将影响线路质量和行车速度，这个问题在路　桥过渡段处尤为突出¨　。在路基与桥梁之间设置一定　长度的过渡段，可使线路的刚度逐渐变化，并最大限度　地减小路基与桥梁之间的沉降差，以减缓线路结构的　变形，保证列车安全、平稳、舒适地运行。目前，我国的　路基设计方法仍以静态或准静态为主；显然随着高速　铁路的发展，这一设计方法已经不合时宜。为了研究　列车在高速运行情况下，路基动应力的变化规律，日本　曾对路基动应力与下沉进行了试验　Ｊ，刘林芽等　利　用有限元法，通过建立车辆轨道耦合系统竖向振动分　力增大；李世军等　通过引入波传导单元和完全的能　量传递边界，用有限元法分析了铁路路基在高速列车　作用下的动力反应；罗强等　应用车辆与线路相互作　用的动力学理论，分析了路桥过渡段的不平顺对高速　行车的影响规律。由于高速铁路的建设在我国刚刚起　步，所以现场测试研究并不多见＿８’　’”Ｊ。在秦沈客运专　线某工点路桥过渡段进行了原位试验，在路基中分层　埋没了土压力盒和加速度传感器，利用动态测试仪器　进行测试分析。本文主要研究了路桥过渡段路基动应　力的变化规律。　１试验概况　１．１路桥过渡段形式　路基部分采用倒梯形过渡形式，利用级配碎石分　层填筑并增加土工格栅加强台后填筑质量，以使桥台　与路基之间的刚度平缓过渡。桥台与路基过渡段的基　床表层下采用土工格栅填筑，该过渡段形式如图１所　示，图中Ｈ＝４．２ｍ。路基基底至基床表层下填筑级配　碎石，路基横断面两侧填筑Ａ、Ｂ组粗粒土，期间分层铺　设土工格栅，土工格栅间距０．３ｍ，每层与桥台尾相接　处，包裹反折５．０ｍ压铺于上层填土之上。　析模型，对列车经过路桥过渡段时轨道结构的动力学　性能进行评价。杨灿文　等研究认为，路基面动应力　随车速（低于１４０ｋｍ／ｈ）的提高有增加趋势，速度的影　响随深度增人而减小；曹新文等　通过模型试验得出，　路基动应力与轴重成正比；随运行速度增加，路：基动应　纵断面　横断面　图１过渡段形式　１．２测试元件的埋设及测试系统　基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（２０００（；０４７一Ｃ）　收稿日期：２００５—０３—２５修改稿收到日期：２００５—０５—０９　第一作者陈雪华男，博士生，１９６６年２月生　为研究过渡段线路纵向和深度方向在基床中的动　响应变化规律，故在过渡段路基的线路纵向和垂直横　维普资讯 http://www.cqvip.com

振动与冲击　２００６年第２５卷　剖面方向都布设传感器。在过渡段线路纵向的下行线　上，沿基床表层顶面的水平方向，自桥台背起，按间距　为２．４ｍ依次布设了８个土压力盒和８个加速度传感　器，其中土压力盒距轨枕端面３０ｅｍ，加速度传感器距轨　枕端面８０ｅａｒ（如图２）。另外在垂直剖面方向上距桥台　背３ｍ、１０ｍ和１５ｍ处共埋设ｌ０个土压力盒（如图３）。　其中距离桥台背９．６ｍ和１９．２ｍ两处的土压力盒在测　试之前已经损坏。　２　４ｍ２　４ｍ　２　４ｍ　２　４ｍ　２　４ｍ　２．４ｍ　２　４ｍ．２　４ｍ　０土压力盒　口加速度传感器　图２沿线路纵向元件的埋设　轨底道心轨底　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　单位：ｃｍ　路堤中心　图３断面图（距桥台背１０ｍ处）　土压力盒为ＢＹ一１型双油腔式土压力传感器，加　速度传感器采用ＺＦＣＪ０１型固态加速度传感器。测试　时将士压力盒（或加速度传感器）通过ＤＨ５９３５动态应　变仪（或ＩＮＶ３０６Ｇ智能数据自动采集处理分析仪）联　接到计算机上。列车通过时，计算机可以同时记录下　测试过程中所有测试元件的电信号，并将其转换成各　个测点的动土压力（或加速度）波形。该动态测试系统　采用人机交互界而，实用性强，并且可以长时间连续采　集数据。　试验列车采用“先锋号”动力分散型电力动车组，　该车组由２个动力单元组成，每个动力单元由２辆动　力车和１辆拖车组成“２Ｍ＋ＩＴ”，全列编组６辆车，即　“Ｍ。＋Ｔ＋Ｍｉ＋Ｔ＋Ｍ。”ｐｐ，最大轴重ｌ４．５ｔ。以车速　５ｋｍ／ｈ的动应力值作为静态标定值，然后车速从　１６０ｋｍ／ｈ增至２９０ｋｍ／ｈ，测试了不同速度下两基床表　层的动应力与加速度。　２试验数据分析　２．１沿铁路线纵向动应力分布规律　图４（ａ）表示试验列车在不同车速下纵向上各测点　最大动应力变化曲线，图４（ｂ）给出的是纵向上各测点　最大动应力与行车速度的关系。影响路基动应力的因　素很多，如机车类型、行车速度、轨道刚度、基础、路基　结构和周围环境等都会对动应力产生不同程度的影　响　ｊ。但本次试验中，由于试验列车的轴重、线路与路　基状态等方面影响因素保持不变，行车速度是影响路　基动应力变化的主要因素。从图４（ａ）可以看出，在纵　向上动应力随车速的增加呈现不同幅度的增大，并且　都大于车速５ｋｍ／ｈ下的准静态应力值。在同一车速　下，过渡段基床面动应力随距桥台背距离增大而呈波　动下降趋势。当车速小于２００ｋｍ／ｈ的情况下，动应力　曲线形状是相同的，呈现出波动曲线形状，距离桥台背　７．２ｍ和１４．４ｍ两处，动应力曲线上两次达到极大值，　其值分别为１４．２５ｋＰａ、１１．４０ｋＰａ；在距桥台背１６．８ｍ　处，动应力曲线达到极小值，为７．６１ｋＰａ。当列车时速　大于２００ｋｍ／ｈ时，动应力曲线上出现两个极大值，其值　拄　２Ｏ　１８　蔓’。　１４　幅１２　１Ｏ　８　６　２　４　６　８　１Ｏ　１２　１４　１６　１８　距桥台背距离／ｍ　（ａ）　１４ｏ　１６ｏ　１８０　２ｏ０　２２０　２４０　２６０　２８０　列车速度／ｋｍ／ｈ　（ｂ）　图４铁路线纵向动应力变化曲线　钮　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　陈雪华等：高速铁路路桥过渡段路基动响应特性研究　分别为２０．６２ｋＰａ、１６．１２ｋＰａ，其位置是在距桥台背　４．８ｍ、１４．４ｍ处；在距桥台背１６．８ｍ处，动应力曲线达　到极小值，为７．５７ｋＰａ。从上面的分析也可以看出，高　速情况下动应力最大值的位置和低速时还是有差　别的。　从图４（ｂ）可以看出，在车速小于２００ｋｎｖ　ｈ时，纵　向上六个测点动应力都呈现随车速的提高而增大趋　势，车速在２００ｋｍ／ｈ一２２０ｋｍ／ｈ的范围内，各测点的动　应力值达到最大值，当车速大于２２０ｋｍ／ｈ，各测点动应　力值基本保持不变或减小。这里称达到峰值时的车速　为临界车速，所谓临界车速就是使体系达到共振时的　车速。本文测试与文献［Ｌ０］中基面竖向动应力与车速　关系曲线所反映的规律是一致的。　２．２路基动应力随路基深度的变化　图５描述了深度方向上各测点的最大动应力随深　度的变化特征。由于阻尼作用，列车荷载以动力波形　式向深处传播要消耗能量，因此动应力随深度的增加　而衰减，实测结果再次证实了此结论。在任何行车速　度下，随着深度的增加动应力都近似呈直线衰减趋势，　呈“倒三角形”分布。基床表层顶面动应力一般为３５　～４５ｋＰａ，而在基床底层底面处动应力一般在ｌ０～　１８ｋＰａ之间，路基下２．５ｍ处动应力衰减至基床顶面处　的１／３左右。当列车通过时，各个测点的动应力值都　大于与之对应的准静态应力值。各车速下的动应力值　比准静态应力值大１６％～３７％，并且随着深度的增加，　动应力值逐渐接近准静态应力值。　动应力／ｋＰａ　１Ｏ　１５　２０　２５　３ｏ　３５　柏　．５　ＳＯ　１００　■　鞋１５ｏ　２００　图５动应力随路基深度的变化　２．３速度动力系数分析　列车在直线区间轨道上运行，因轮轨之间的动力　效应，导致作用在钢轨上的动轮载比静轮载大，其增量　随行车速度的增加而增大。设Ｐ　为动轮重，Ｐ．　为静轮　重，　为速度动力系数（％），　为动力影响系数，则轮轨　动效应公式¨　：　Ｐｄ＝Ｐ０－卢（１＋“－Ｖ）　因口与机车车辆和轨馗的平顺性、轨道结构类型　及货物偏载等有关。把轮轨效应公式引入到计算路基　的动力作用；只考虑速度对动力作用的影响时，口可取　为１，并定义Ａ为速度动力系数［％，（ｋｒｎ／ｈ）。。，］，Ｐ　为路基动应力（ｋＰａ），Ｐ　为路基静应力（ｋＰａ），Ｖ为时速　（ｋｍ／ｈ），则有：　Ａ＝１００（Ｐｄ—Ｐ　）／（Ｐ　・Ｖ）　引入速度动力系数Ａ表示与速度相关的动力冲击　系数，其物理意义上可理解为单位速度所激起的动应　力增量，当Ａ为正值时，表示速度所产生的动力作用增　大；当Ａ为负值时，表示速度所产生的动力作用减小，　因此它能更直观地表示速度对动力作用影响程度。　２．３．１　过渡段基床面速度动力系数分析　在过渡段基床面水平方向上，行车速度对速度动　力系数的影响有如下特征：①速度动力系数．４的波动　范围在０～０．２８之间，表示速度增加引起了动应力增　加。如图６（ａ）所示，在４．８ｍ、１４．４ｍ测点处速度动力　系数Ａ较大，也仅为０．１５～０．２８，而在其它四个测点速　度动力系数Ａ较小，一般小于０．１５。②速度动力系数　在线路纵向的变化总趋势为，当行车速度　≥２００ｋｍ／ｈ　时，速度动力系数曲线呈明显的“双驼峰”形状；当行车　速度Ｖ＜２００ｋｒｎ／ｈ时，这种趋势不很明显，但速度动力　系数Ａ表现出明显的随行车速度增大而增大趋势。③　纵向上同一测点速度动力系数Ａ随着行车速度的增　大，表现出先增大然后呈小幅度波动变化的趋势。　０　Ｏ．２ｏ　癌　差ｏ，ｓ　懈Ｏ１２　摇Ｏ∞　蹦　嘲ｏ　０４　０∞　－Ｏ∞　２　■　６　８　１０　１２　＇●　１ｅ　＇８　桥ｆ　背距离／ｍ　图６铁路线纵向动力系数变化曲线　２．３．２过渡段垂向上速度动力系数分析　在距桥台背１０ｍ处垂直剖面的深度方向上，各测　点速度动力系数Ａ随行车速度的提高表现出如下规　律：①速度动力系数Ａ的波动范围在０．０６～０．２５之　间，说明随着速度增加，动应力增量为正，动应力在增　大。如图７所示，距轨枕底正下方６０ｃｍ、１２０ｃｍ、２５０ｃｍ　测点的速度动力系数Ａ变化范围分别在０．１１～０．２５、　０．０６—０．２４、０．０７—０．１５。②ｉ贝４点的速度动力系数　随着行车速度提高呈现出两种变化趋势。当车速等于　１６０ｋｍ／ｈ和１８０ｋｍ／ｈ时，速度动力系数Ａ在１２０ｃｍ测　点处比６０ｅｒａ、２５０ｅｍ测点处大；当车速Ｖ≥２００ｋｍ／ｈ　时，速度动力系数Ａ沿深度方向呈减小的总趋势。③　同一测点速度动力系数随车速提高呈现出先增大然后　维普资讯 http://www.cqvip.com

９８　振动与冲击　２００６年第２５卷　迅速减小的趋势。　参考文献　１王炳龙，周文杰，周顺华等．土工固格网改善基床土的动应　力分析［Ｊ］．铁道学报，１９９８，２０（５）：ｌ０３一ｌＯ８　２　Ｓｕｎａｇａ，Ｍａｋｏｔｏ．Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｒｏａｄｂｅｄ　ｏｎ　ｓｏｆｔ　ｇｒｏｕｎｄｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｒａｉｎｌｏａｄ［Ｊ］．Ｑｕａｒｔｌｙ　Ｒｅｐｏ￣ｏｆ　ＲＴＲＩ，１９９０，（３１）：　２９—－３５　３刘林芽，雷晓燕，刘晓燕．既有线路桥过渡段的设计与动力　学性能评价［Ｊ］．铁道标准设计，２００４，（１）：９—１Ｏ　４杨灿文，龚亚丽．列车通过时路基的动应力和振动［Ｊ］．土木　工程学报，１９９３，９（２）：４９—５７　５曹新文，蔡英．铁路路基动态特性的模型试验研究［Ｊ］．西　南交通大学学报，１９９６，３１（１）：３６—４１　６李军世，李克钏．高速铁路路基动力反应的有限元分析［Ｊ］．　图７动力系数随路基深度的变化　铁道学报，１９９５，１７（１）：６６—７５　３结论　７罗强，蔡英，翟婉明．高递铁路路桥过渡段的动力学性　能分析［Ｊ］．工程力学，１９９９，１６（５）：６５—７Ｏ　通过对秦沈客运专线某试验工点过渡段基床纵向　８律文田，王永和．秦沈客运专线路桥过渡段路基动应力测试　和垂向上动应力特性的测试和分析，得出如下结论：①　分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００４，２３（３）：５００—５ｏ４　动应力受行车速度影响显著，沿铁路线纵向随车速的　９王炳龙，余绍锋，周顺华等．提速状态下路基动应力测试分　增大，动应力有不同程度的增加，但动应力的增加存在　析［Ｊ］．铁道学报，２０００，２２（增）：７９—８１　１Ｏ梁波，蔡英．不平顺条件下高速铁路路基的动力分析　一个临界速度，超过临界速度后，基床动应力不再继续　［Ｊ］．铁道学报，１９９９，２１（２）：８４—８８　增加，甚至有所减小：②动应力随路基深度的增加衰　１１郝瀛．铁道工程［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，２００２　减很快，并且随着深度的增加，动应力值和静态应力值　１２聂志红，阮波，李亮．秦沈客运专线路堑段基床结构动　越来越接近；③对于无缝线路，过渡段路基速度动力　态测试分析．振动与冲击，２００５，２４（２）：３Ｏ一３２　系数　小于Ｏ．３，用速度动力系数来表征速度对路基的　１３王祥秋，杨林德，高文华．铁路隧道提速列车振动测试与荷　动力作用有直观的物理意义。　载模拟．振动与冲击，２００５，２４（３）：９９—１Ｏ２　（上接第８４页）　知道，计人噪声影响后，前６阶ＩＭＦ分量对应的瞬时频　的变化，当计人噪声影响后，瞬时频率在结构损伤前后　率在盒段损伤前后仍发生了明显的变化。由表２可以看　仍发生了明显的变化，表明所提出的指标量　对微小　出，计人噪声影响后，在盒段损伤前后，除了第二阶瞬时　损伤的敏感性较好，并具有一定的抗噪声干扰能力。　频率变化量发生了一些变化外，其余的各阶瞬时频率几　这为进一步研究如何检测结构损伤大小、位置与本文　乎没有受到噪声的什么影响，而且计人噪声影响后，第二　所提指标量之间的关系，提供了一种可行的方法。　阶瞬时频率变换量的变化值相对于损伤对瞬时频率变化　参考文献　量的影响要小得多，由此我们知道选择瞬时频率变化最　１　Ｎｏｒｄｅｎ　Ｅ．Ｈｕａｎｇ，Ｚｈｅｎｇ　Ｓｈｅｎ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　Ｍｏｄｅ　Ｄｅ・　大量作为损伤特征参数具有一定的抗噪声干扰能力。　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｈｅ　Ｈｉｌｂｅａ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｆｏｒ　Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　Ｎｏｎ－・Ｓｔａ・－　表２各阶ＩＭＦ分量对应的瞬时频率变化量最大值（Ｈｚ）　ｔｉｏｎａｒｙ　Ｔｉｍｅ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　Ｒｏｙａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｌｏｎ－　ｄｏｎ．Ａ　４５４，１９９８，９Ｏ３—９９５　２罗奇峰，石春香，Ｈｉｌｂｅｒｔ．Ｈｕａｎｇ变换理论及其计算中的问题．　同济大学学报，２００３，３１（６）　３　Ｈｕａｎｇ　Ｄａｊｉ，Ｚｈａｏ　Ｊｉｎｐｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｉｌ—　３．１８２８　２　０ｌ＿１８　１７．９７９　２５．９９５　１４５．９１９８。２６８　ｂｅｒｔ—Ｈｕａｎｇ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ａｃｔａ　Ｏｃｅａｎｏｌｏｇｉｅａ　Ｓｉｎｉｃａ，　｛　）１．２６ｅ一２　７．５８　１．１１ｅ一２　ｏ一６．８５ｅ－３３　２６ｅ一２　２００３，２２（１）：１—１４　４邓拥军，王伟，钱成春等．ＥＭＤ方法及Ｈｉｌｂｅｒｔ变换中边界　６结论　问题的处理．科学通报，２００１，４６（３）　５韩海明，沈涛虹，宋汉文．工况模态分析的ＥＭＤ方法．振动与　以飞机机翼中的主承力部件盒段为研究对象，采　冲击，２００２，２１（４）：６９＿７】　用ＨＨＴ方法，提取了同损伤相联系的特征量。通过算　６杨字，于德介，程军圣．基于ＥＭＤ与神经网络的滚动轴承　例表明，结构原始响应信号经过ＥＭＤ分解得到的各阶　故障诊断方法．振动与冲击，２００５，２４（１）：８５—８８　ＩＭＦ分量对应的瞬时频率在结构损伤前后发生了明显　７程军圣，于德介，杨　字．Ｈｉｌｂｅａ—Ｈｕａｎｇ变换端点效应问题的　探讨．振动与冲击，２００５，２４（６）：４０－－４２