有砟-无砟轨道过渡段动刚度平缓过渡的扣件参数调整研究

xuhu

有砟-无砟轨道过渡段动刚度平缓过渡的扣件参数调整研究

摘要：有砟-无砟轨道过渡段的实质是轨道刚度的缓冲段，以往研究多集中于静刚度过渡，而轮轨动力作用下的轨道动刚度更能反映过渡段的真实受力与变形状态。本文依据既有研究资料，以路基上有砟-旭普林无砟轨道过渡段为对象，梳理其动刚度计算模型与参数取值，分析静刚度过渡方案在动刚度层面的不足，并归纳通过调整扣件刚度与阻尼实现动刚度平缓过渡的思路。分析表明，静刚度过渡方案在部分过渡级中动刚度差值与变化率偏大，而改变对静刚度影响有限、对动刚度影响明显的扣件阻尼等参数后，各级过渡的动刚度变化率明显减小，过渡效果趋于合理。

关键词：轨道动刚度；轨道静刚度；过渡段；扣件刚度；扣件阻尼

引言

轨道刚度是轨道结构动力特性的重要参量。铁路轨道轮轨系统中存在多种引起轮轨系统振动的因素，随之引起轨道刚度的变化，因此轨道刚度不能简单地由静刚度来衡量。轨道动刚度表征动态条件下轨面受力和变形的关系，是轨道结构动力特性的一个重要参量。随着客运专线的大规模建设，实际工程中不可避免地存在不同轨道结构之间的过渡，轨道过渡段的实质就是轨道刚度的缓冲段，其应尽量实现动刚度的平缓过渡。

以往对过渡段的研究多针对轨道静刚度。既有研究以有砟-旭普林无砟轨道过渡段为例，对过渡段静刚度过渡方案进行了分析，发现静刚度过渡方案不能满足动刚度的平缓过渡；又根据轨道结构和参数变化对动刚度的影响规律，调整了静刚度过渡方案，提出了动刚度过渡相对合理的方案。这一研究路径对工务专业理解过渡段刚度控制具有训练价值：它提示现场技术学习和养护维修分析不能停留在静刚度层面，而应关注激振频率变化下动刚度的实际表现。

本文的分析范围限定为路基上有砟-旭普林无砟轨道过渡段的动刚度问题，重点梳理其计算模型与参数、静刚度过渡方案在动刚度层面的局限，以及基于参数影响规律提出的调整思路。文中涉及的具体数值均来自参考资料，未提供出处的内容不作展开。

一、动刚度的计算模型与参数取值

计算轨道动刚度时，可在钢轨某一点上作用一个垂向稳态激振力，力的作用点处钢轨产生一个动位移，作用力幅值与动位移幅值之比即为轨道动刚度。综合对比相关文献，该研究取分析频段为0～2000 Hz。在总结以往过渡段模型的基础上，根据轨道结构的实际情况，建立了过渡段动刚度分析模型。

模型中车体作用考虑为简谐荷载，将钢轨视为弹性点支撑基础上的Timoshenko梁，扣件考虑为线性弹簧和阻尼元件，轨枕、有砟道床、路基、无砟轨道道床板和混凝土底座等均考虑为实体。有砟和无砟轨道各取50跨枕。

模型参数方面：采用60 kg/m钢轨；有砟轨道采用Ⅲ型混凝土枕；扣件间距0.6 m，刚度60 kN/mm，阻尼值75 kN·s/m；旭普林轨道扣件刚度22.5 kN/mm，阻尼值30 kN·s/m；扣件间距0.65 m。利用有限元法将模型进行离散，钢轨单元按实际扣件节点间距划分。

上述模型与参数的梳理，是理解后续静刚度过渡方案及其动刚度校核结果的前提。需要说明的是，该模型为分析模型，其参数取值服务于过渡段动刚度规律研究，不能直接等同于现场作业的扣件安装参数。

二、静刚度过渡方案的构成与动刚度校核

为保证客运专线轨道结构的高平顺性，在轨道刚度差较大的地段应按较高的标准设置刚度过渡段，将轨道刚度差引起的钢轨挠度变化率控制在0.3 mm/m以下。结合工程中有砟和旭普林无砟轨道过渡段的技术措施，对轨道刚度过渡方案进行理论分析。

过渡段设于有砟轨道段，采用35根过渡段枕。刚度过渡分为三级：第一级过渡从有砟轨道过渡到过渡区，扣件刚度为40 kN/mm；第二级过渡从过渡区扣件刚度40 kN/mm到过渡区扣件刚度为27 kN/mm；第三级过渡从过渡区扣件刚度为27 kN/mm到无砟轨道部分。

分析表明，采用过渡段枕对轨道静刚度的影响有限，改变扣件刚度对轨道刚度影响很大。对于路基上有砟和旭普林无砟轨道的过渡，有砟轨道静刚度大于无砟轨道静刚度，逐步减小有砟轨道扣件刚度可实现与无砟轨道静刚度的平稳过渡。该方案中钢轨挠度变化率小于0.3 mm/m，静刚度过渡合理。

然而，由于动刚度随激振频率的变化而变化，过渡区刚度差和刚度变化率也随着激振频率的变化而变化。研究用动刚度差值和动刚度变化率两个因素来定性衡量动刚度的过渡，二者越小，轨道结构越平顺。

对静刚度过渡方案的动刚度校核结果显示：第一级过渡静刚度差为15.5 kN/mm，静刚度变化率为0.164，动刚度差在激振频率为1000 Hz左右变化较大，达到将近400 kN/m，最大动刚度变化率为0.31；第二级过渡静刚度差为14.5 kN/mm，静刚度变化率为0.183，动刚度差随着频率增大而增大，在2000 Hz时达到最大值120 kN/mm，动刚度变化率变化很平缓，逐渐趋于0，最大值即为0.164；第三级过渡静刚度差为1.5 kN/mm，静刚度变化率为0.023，动刚度差在激振频率为2000 Hz左右达到最大值400 kN/mm，动刚度变化率随频率变化很大，最大值达到1.2。

由此可见，就动刚度过渡而言，该方案第三级过渡动刚度差值和变化率都偏大，不能满足动刚度的平缓过渡。这一结果说明，静刚度过渡合理并不等于动刚度过渡合理，二者不能相互替代。

三、轨道参数对动刚度的影响规律

利用过渡段模型对有砟轨道和旭普林无砟轨道的动刚度进行分析，可以得到两方面认识。

其一，激振频率为0 Hz时的动刚度即为静刚度。扣件刚度和道床弹性模量对有砟轨道的静刚度有很大影响，而无砟轨道静刚度主要受扣件的影响。

其二，扣件刚度和阻尼、道床弹性模量和阻尼对有砟轨道的动刚度影响较大；旭普林无砟轨道动刚度主要受扣件刚度和阻尼的影响。

上述规律为调整过渡方案提供了依据：要实现动刚度的平缓过渡，应改变对静刚度没有影响但能影响动刚度的轨道参数。这一思路与单纯调整静刚度的做法不同，它把控制对象从静力状态扩展到动力状态。

四、动刚度过渡方案的调整与效果

根据轨道参数对动刚度的影响规律，研究对静刚度过渡方案进行了调整，以实现动刚度的平缓过渡。经多次调整比较，又将静刚度过渡方案加以补充：在过渡区，当有砟轨道扣件刚度减小到40 kN/mm的同时，减小扣件阻尼值到50 kN·s/m；当有砟轨道扣件刚度减小到27 kN/mm的同时，减小扣件阻尼值到40 kN·s/m。

调整方案后，第一、第二和第三级过渡的动刚度差值和动刚度变化率都变小。第一级和第二级过渡的动刚度差值在激振频率为1600 Hz左右达到最大值，约300 kN/mm，动刚度变化率的变化较平缓，最大值约为0.25和0.30。第三级过渡动刚度差最大值增大到800 kN/mm，动刚度变化率最大值由1.20减至0.27。

调整方案后，动刚度过渡效果较为理想，但该研究同时指出，目前还没有定量的评价标准。这一表述提示，在将动刚度指标用于现场判定时，应保持审慎，不能把研究中的相对比较结果直接当作验收阈值使用。

结论与建议

综合上述分析，可以得出以下结论。

第一，轨道动刚度随激振频率变化很大，过渡段应实现轨道动刚度的平稳过渡。静刚度过渡方案虽然能使钢轨挠度变化率满足要求，但不能满足动刚度的平缓过渡，第三级过渡的动刚度变化率最大值达到1.2即为典型表现。

第二，有砟-无砟轨道过渡段的静刚度过渡方案与动刚度过渡要求之间存在差距，静刚度合理不能替代动刚度校核。

第三，为保持轨道结构的平顺性、满足过渡段动刚度的平稳过渡，可通过调整过渡段静刚度过渡方案来实现；调整时应改变对静刚度没有影响但能影响动刚度的轨道参数。在本例中，即在减小有砟轨道扣件刚度的同时相应减小扣件阻尼值，调整后各级过渡的动刚度变化率明显减小。

结合上述结论，提出以下建议。在过渡段相关技术学习和养护维修分析中，应把动刚度作为与静刚度并列的考察对象，避免仅以静刚度过渡方案判断过渡段状态。在分析过渡段参数调整方向时，可优先关注扣件刚度与阻尼等对动刚度影响明显的参数，并结合道床弹性模量和阻尼对有砟轨道动刚度的影响一并考虑。需要强调的是，本文所引数值均为特定分析模型条件下的研究结果，且该研究指出目前尚无动刚度过渡的定量评价标准，因此实际作业中涉及参数调整和状态判定时，应以现行规章、设计文件和现场管理要求为准。

参考资料：

方宜，李成辉. 有砟-无砟轨道过渡段动刚度研究. 路基工程，2010年第4期（总第151期）.

引用依据：
《有砟-无砟轨道过渡段动刚度研究》

资料使用说明：本文依据已抽取铁路专业原始文本整理，仅供学习参考。涉及规章、技术参数和作业要求时，请以现行有效文件为准。