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提要：結(jié)合國外高速鐵路無碴軌道的發(fā)展與應用情況，提出并設計了3種結(jié)構型式無碴軌道：長枕埋入式、彈性支承塊式與板式軌道，并對室內(nèi)鋪設的實尺模型進行靜栽、疲勞及落軸試驗，綜合評估其整體性能，為今后高速鐵路無碴軌道的選用提供技術依據(jù)。
關鍵詞：高速鐵路無碴軌道軌道試驗性能試驗與傳統(tǒng)的有碴軌道相比，無碴軌道具有維修工作
量少、軌道穩(wěn)定性與耐久性好、平順性高的突出優(yōu)點，因此世界上許多國家在無碴軌道領域開展了長期系統(tǒng)的研究工作，一些國家已把無碴軌道作為高速鐵路的主要結(jié)構型式而全面推廣應用，并取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。近年來隨著我國鐵路運輸向提速、高速方向發(fā)展，對線路質(zhì)量提出了更高的要求，借鑒國外高速鐵路無碴軌道成熟的技術與研究發(fā)展模式(“結(jié)構型式的提出與設計一室內(nèi)實尺模型試驗_+現(xiàn)場試驗段的運營考驗一全區(qū)間推廣應用”)，結(jié)合我國既有的技術基礎，研究適合我國高速鐵路的無碴軌道結(jié)構，不僅可以少走彎路，而且對提高我國高速鐵路無碴軌道的科研、設計、施工等各項技術水平具有極大的推動作用。
1 國外無碴軌道概況
從60年代開始，高速鐵路無碴軌道結(jié)構在日本德國、英國、意大利等國家得到了廣泛應用，以下概要介紹目前國外鐵路應用較成熟的幾種無碴軌道結(jié)構型式。
(1)日本板式軌道。日本鐵路由于其獨特的地理條件以及勞動力短缺等原因，極力發(fā)展板式軌道，從60年代在山陽新干線試鋪的8 km板式軌道算起，到1997年完工的北陸新干線155 km板式軌道，累計鋪設長度已超過2 400 km。日本鐵路在板式軌道研究發(fā)展過程中，通過室內(nèi)模型試驗與現(xiàn)場試驗段的運營考驗，積累了豐富的研究與實踐經(jīng)驗。開發(fā)出適用于隧道和高架橋上的A型軌道板、框架式軌道板，適用于土質(zhì)路基上的RA型軌道板，以及防振型軌道板等；配合使用的CA砂漿有適用于溫暖、寒冷、海岸線、修補等各種不同的配方，從而構成了不同使用范圍的板式軌道系列。
(2)德國Rheda型無碴軌道。德國高速鐵路對無碴軌道的研究與應用主要針對隧道和路基。1959—1988年的試驗階段，試鋪了各類無碴軌道試驗段36處，累計長度達21．3 km，到1989年基本定型 并開始成段鋪設，截止到1997年，共鋪設無碴軌道達190km，其結(jié)構型式以Rheda型為主，在此基礎上，通過在道床板與底座問增設減振層，實現(xiàn)在特殊地段的減振要求。
(3)彈性支承塊式無碴軌道。彈性支承塊式無碴軌道由于其特有的減振、降噪、減磨等優(yōu)越性能而被世界上許多國家所采用，如瑞士、丹麥、英國等。設計時速200 km／h的英吉利海底隧道通過多種無碴軌道結(jié)構比選，采用了該種結(jié)構型式．并于1993年6月開通運營 美國成立的Sonneville國際集團公司還對該軌道系統(tǒng)提供成套技木咨詢服務，其技術已相當成熟。我國的18 km長秦嶺隧道，也采用了這種結(jié)構型式。
(4)其它結(jié)構型式的無碴軌道。世界上許多國家根據(jù)自己的技術基礎與線路特點，開發(fā)出多種型式的無碴軌道結(jié)構，如：英國的PACT型、法國的VSB型、意大利的IPA型等。
2 3種無碴軌道的結(jié)構組成與設計特點
在高速鐵路無碴軌道的前期研究中，初步提出了3種無碴軌道結(jié)構型式。
(1)長枕埋入式。由橫向穿孔軌枕、道床板、底座等構件組成，結(jié)構耐久可靠，制造、施工簡單，初期投資相對較小，可修復。
(2)彈性支承塊式。由彈性支承塊(支承塊、橡膠套靴、塊下大橡膠墊板)、道床板、底座等構件組成，該結(jié)構減振、降噪性能好，結(jié)構簡單，施工方便，初期投資較大，可修復。
(3)板式軌道。由預制軌道板(PC或RC)、CA砂漿調(diào)整層、凸形擋臺、底座等構件組成，軌道高度低、自重輕，現(xiàn)場組裝工作量少，需專門制造、施工設備，初期投資大，可修復。
3 無碴軌道的整體性能
為綜合評估上述3種結(jié)構型式無碴軌道的整體性能，考察其結(jié)構強度與動力特性，在試驗室內(nèi)分別鋪設10m長的無碴軌道實尺模型，利用多點液壓伺服加載系統(tǒng)及落軸試驗設備，對無碴軌道進行了靜載、疲勞與落軸試驗。
3．1 靜截與疲勞試驗
靜載試驗單點最大荷載值為結(jié)構的設計荷載，疲勞試驗單點最大荷載值根據(jù)靜輪重，并考慮動力附加系數(shù)，確定為150 kN，加載頻率范圍5-25 Hz。
3．1．1 試驗測試內(nèi)容
道床板的表面應變；鋼軌支點壓力的分配；鋼軌的絕對位移。
3．1．2 試驗結(jié)果
(1)在靜載過程中，3種結(jié)構無碴軌道道床板的表面應變隨荷載增加成線性增長，其受力狀態(tài)在彈性范圍內(nèi)，結(jié)構具有足夠的強度儲備。
(2)200萬次模擬列車荷載的疲勞試驗前后．道床板的應變未發(fā)生變化。
(3)單點荷載作用下，鋼軌支點壓力的分配基本在以加載點為中心的5個鋼軌支點上；荷載越大，加載點下的鋼軌支點壓力分配比例越大；彈性支承塊式鋼軌支點壓力的分配比例相對較均勻；長軌枕埋人式與板式軌道的鋼軌支點壓力分配比例基本相同。
(4)彈性支承塊式鋼軌位移最大，其次為板式軌道，長軌枕埋入式最小。 3種結(jié)構的殘余變形均較小。
3．2 落軸試驗
落軸試驗是評估軌道動力特性的有效手段，試驗過程中利用一定質(zhì)量的輪對，在選定的軌道斷面上，在一定落高下自由落體，造成對鋼軌軌面的垂向沖擊，一方面測定鋼軌的垂向沖擊力及沖擊時間，可得出軌道的彈性系數(shù)K與阻尼系數(shù)C；另一方面通過鋼軌沖擊力幅值的衰減及軌道各部分的振動加速度，分析軌道的振動傳遞與衰減性能。
3．2．1 無碴軌道的彈性系數(shù)與阻尼系數(shù)
根據(jù)日本鐵路落軸試驗及其計算理論，對3種結(jié)構進行了鋼軌沖擊力及其衰減時間段的測試，通過計算得出軌道的彈性系數(shù)與阻尼系數(shù)，如表1。
從試驗結(jié)果可看出，3種軌道結(jié)構的彈性系數(shù)K值的大小順序為：長軌枕埋人式、板式、彈性支承塊式。軌道阻尼系數(shù)C反映的是軌道的減振性能，C值越大，其減振性能越好，從表中看出，C值的大小順序與K值正好相反。
3．2．2 軌道的振動傳遞與衰減性能
(1)軌道各部分的振動加速度。表2為落高25mm時的3種結(jié)構的鋼軌振動加速度測試結(jié)果，以及軌道各組成部分的加速度比值?？梢钥闯?，軌道各部分的振動加速度從鋼軌到道床板逐漸減??；由于彈性支承塊式無碴軌道結(jié)構的組合剛度相對其它2種結(jié)構要小，反映在同樣沖擊條件下鋼軌的振動加速度要小。從振動加速度比值盾，相應的下部基礎(底座)加速度值也小。
(2)鋼軌沖擊力的峰值及其衰減。在相同沖擊條件下，由于軌道組合剛度的不同，3種結(jié)構鋼軌沖擊力的峰值及其衰減明顯不同，表3為落高25mm時3種軌道結(jié)構型式的鋼軌沖擊力峰值P及其大于2O kN之前的衰減總時問 與衰減次數(shù)的測試結(jié)果。從表中鋼軌沖擊力峰值的衰減時間與衰減次數(shù)可以較直觀地看出3種軌道振動特性的不同，其中彈性支承塊式相對長軌枕埋入式與板式軌道的差異更為明顯，其減振性能優(yōu)越，這也是這種低振動軌道的設計初衷。從鋼軌沖擊力峰值的大小看，其受軌道剛度的影響規(guī)律也較明顯。軌道剛度越大，其相應沖擊力的峰值增大，由于落軸試驗實際上反映的是輪軌沖擊荷載作用下軌道的動力性能，因此如果在運營線路上軌道產(chǎn)生較大不平順，輪軌間產(chǎn)生沖擊荷載，在相同的線路與車輛狀態(tài)下，相對有碴軌道來說剛度較大的無碴軌道，其動力響應將相應增大。但從另一方面來說，高速鐵路無碴軌道線路具有穩(wěn)定性、平順性與剛度均勻性好的突出優(yōu)點，可彌補其組合剛度較大的不足。
4 無碴軌道綜合經(jīng)濟效益初評
從國內(nèi)外無碴軌道的初期投資看，無論哪種結(jié)構型式都肯定要比有碴軌道大，如：我國60年代施工的成昆線整體道床造價比同樣條件下碎石道床高出14．2％-22．5％ ；在運營線上鋪設整體道床則約高如30％ 一50％ 。英國PACT型無碴軌道造價高出碎石道床約17％ 一33％ ；日本板式軌道的造價為有碴軌道的1～2倍。但無碴軌道結(jié)構可大幅度減少養(yǎng)護維修費用，減少列車限速、中斷行車等對運營的干擾，因此被世界各國所公認。我國各鐵路局統(tǒng)計資料表明，一般情況下，隧道內(nèi)無碴軌道線路可減少養(yǎng)護維修費用約50％ ，由于取消了道碴，可不進行軌道中修，大修的內(nèi)容也減少。特別對于長大隧道、繁忙干線、高架橋上等養(yǎng)護維修困難地段，無碴軌道不僅節(jié)省了養(yǎng)護維修費用，減少了對運營的干擾，而且大大改善工人的勞動條件，消除了有碴軌道中頻繁的道碴清篩、搗固等繁重的體力勞動，將會帶來顯著的社會效益與經(jīng)濟效益。綜合考慮軌道與結(jié)構物(如：橋、隧)的工程總費用，由于無碴軌道的單線每延米重量要小于有碴軌道，對于橋上無碴軌道來說，可減輕橋梁的二期恒載，在一定程度上可節(jié)省橋梁、墩臺的造價；對于隧道內(nèi)的無碴軌道，由于其結(jié)構高度低，可降低隧道凈空，減小隧道的開挖面，同樣可降低工程造價。
5 結(jié)束語
(1)不同結(jié)構組成的3種無碴軌道結(jié)構型式具有各自不同的結(jié)構特點。這3種結(jié)構型式在國外應用已相當成熟，通過靜載與疲勞試驗表明，其結(jié)構強度有足夠的儲備。不會影響高速列車的行車安全。
(2)由于3種無碴軌道結(jié)構的組合剛度不同，從落軸試驗中也側(cè)面反映出，在輪軌表面不平順引起的沖擊荷載作用下，其軌道的振動衰減特性不同，軌道組合刖度的大小對輪軌表面不平順引起的軌道動力響應較敏感。但從另一方面看，對于高速鐵路無碴軌道，并不是說組合剛度越小越合理。從理論上說，軌道的動力響應在輪軌表面平順的情況下，幾乎不受軌道剛度的影響 由于無碴軌道線路特有的高平順性、剛度的均勻性，在一定程度上彌補了無碴軌道結(jié)構整體剛度大的不足，因此對于無碴軌道結(jié)構型式與軌道剛度的合理選擇需要根據(jù)具體線路的特點與鋪設地段的要求作技術經(jīng)濟比較，合理確定。
(3)受室內(nèi)試驗條件的限制，軌道結(jié)構的一些動態(tài)性能試驗尚無法進行，在目前適合高速鐵路的無碴軌道結(jié)構型式尚未定型的情況下，部有關部門根據(jù)室內(nèi)試驗得出的結(jié)論，在保證運行安全的前提下，選定了2種無碴軌道結(jié)構在秦沈客運專線上建立試驗段，以接受運營考驗。并結(jié)合這一試驗工程，綜合開展無碴軌道設計、制造、施工暫規(guī)及相應工藝與機具的研究開發(fā)，這不僅將為我國高速鐵路無碴軌道提供必要的技術儲備，也是我國鐵路軌道技術盡快趕上世界先進水平的一個必要發(fā)展過程。
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