铁路轨道刚度的确定方法 (1)

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1、万方数据第26卷，第1期205年1月中国铁道科学CHINARAIIjWAYSCIEN(、EVd．26No．1January，2005文章编号：1001—4632(2005)01，0001—06铁路轨道刚度的确定方法赵国堂(铁道部高速办，北京100844)摘要：对轨道合理刚度问题进行分析，阐述轨道容许变形量与轨道部件容许应力相互平衡关系以及维修工作量与行车舒适性相互制约关系。给出三种确定轨道整体刚度的方法，钢轨允许应力法、轨道允许变形法和临界速度法。论述部件刚度合理匹配关系。从安全和控制维修的角度，提出基于合理变形确定轨道部件刚度的方法，即变形分配法。应用所提出的方法，对高

2、速铁路轨道刚度问题进行探讨，建议采用轨道允许变形法和变形分配法确定高邃铁路鞔道整体尉度和部件尉度。给出我国高速铁路在车辆轮载作吊下轨道澍度的建议值，轨道整体刚度100kN·Inln～、钢轨支座刚度37kN·rllrn～、轨下垫板和道床刚度74kN·mm～。关键词：高速铁路；轨道刚度；允许应力法；允许变形法；临界速度法；变形分配法中图分类号：U211．2文献标识码：A轨道刚度是影响轨道振动与变形、列车运行速度[1q]、列车运行安全性、平稳性以及轨道维修工作量的重要参数。轨道结构是由力学性能差异很大的材斟组成的。其刚度的非线性特征明显，确定困难，甚至还存在概念上的模糊。一般来

3、说，轨道刚度(尤其是轨下垫板刚度)是指合理荷载范围内的割线刚度。由于每个国家选取的荷载范围不同，所以，刚度值的可比性很差。另外，加载频率对轨道刚度的影响也比较大。因此，在选取轨道刚度时，必须根据运输条件确定加载范围和加载频率。随着铁路高速和重载技术的发展，国外对轨道刚度高度重视。在理论上，A．LopezPita教授1984年提出了应用轨道耗散能量与簧下质量引起的垂向动态应力相互平衡得到最优轨道垂向刚度的办法【4]。一般铁路常采用弹性地基梁计算原理，而欧洲的高速铁路则采用允许变形的确定方法，即假设车辆轴重200kN情况下，轨道允许变形不超过1～2rain，来确定轨道整体刚度

4、bj。实际中，考虑维修工作量和行车舒适性等多方面因素，高速铁路轨道整体刚度值一般控制在50～100kN·rnrn‘1范围。为了提高乘坐舒适性，则力求降低距钢轨最近的垫层刚度。比如，日本新干线板式轨道，将轨下垫板刚度通过改善垫板材料特性由60kN·InIn。1降为30kN·Inln一，并正在进行降为20kN·Inln。的研究。德国高速铁路无碴轨道采用的弹性基板刚度值，区间线路为22．5kN·1Tlln一，道岔区为17．5kN·1Tlln～。西班牙甚至将采用弹性基板降低轨道刚度作为马德里一巴塞罗那高速铁路开行350km·h_1列车的一个支撑条件旧j。国内在轨道刚度计算和试验方

5、法方面也做了大量工作。基于弹性地基梁的计算方法已列入了行业标准[6]，并在实测方面取得一定成果[7]。铁道部1998年专门立项对“轨道刚度合理值及其匹配”进行研究[8’9]。由于国内既有方法缺乏实用性，现有研究成果大多以既有轨道刚度和部件刚度实测结果为基础，把实测结果作为动力仿真的输人，进行所谓合理性分析与优化，而没有从原理上探讨是否存在合理值及最优匹配关系。本文拟从系统的角度提出轨道刚度确定的原则和方法，并对高速铁路轨道刚度问题进行探讨。1轨道整体刚度的确定1．1轨道整体刚度的定义与合理值轨道整体刚度定义为当一个集中荷载作用在钢轨上，钢轨产生单位下沉所对应的集中荷载大小

6、。假设集中荷载为P，钢轨最大下沉为z一，则轨道整体刚度忌为收稿日期：2004—08．18作者简介：赵国堂(1964年一)，男，安徽淮南人，研究员，博士，北京交通大学兼职教授。万方数据2中国铁道科学第26卷k=乒(1)厶In口如果将轨道视为连续地基梁，当钢轨产生单位下沉时，在单位长度的基础上作用到钢轨上的反力，称为轨道模量或钢轨基础弹性系数，用“表示。甜与k的关系为3厂—■r一“=√喾而(2)“2√石面Lz，式中：EI为钢轨抗弯刚度。如果将轨道视为连续弹性点支承梁，使一个支点产生单位下沉需要钢轨作用到支点上的压力，称为钢轨支座刚度，用D表示。D与k及“的关系为。：凇：濡式中

7、：口为轨枕间距。(3)研究认为‘4‘，轨道下沉变形耗散的能量与轨道刚度大小呈反比，而车辆簧下质量引起的垂向动态应力与轨道刚度大小呈正比(如图1所示)，两条曲线的交叉点，就是轨道的最优刚度。图1轨道最优刚度的确定图1的实质是，轨道刚度越小，簧下质量引起的动态应力越小，对减少轨道部件伤损是有利的，但轨道变形增大，在有碴轨道中将导致道床的长期累积变形增加，从而带来较大的维修工作量；相反，轨道刚度越大，轨道变形小，对枕下基础沉降有利，但应力增大，钢轨和轨枕伤损将增加，甚至造成道床应力过大，道碴粉化现象加剧，因此，轨道刚度存在合理值问题