轨道板弹性模量 Es 轨道板质量 CA砂浆阻尼 轨道板长度 钢轨支点间距 Ms c ls lb 3.5×1010 2 500 4N/m2 kg N/m3 ．轨道板截面惯性矩 Is 6.687 5×10-4 m4 CA砂浆模量(K30) KCA 1.25×109 4.95 0.625 8.3×10 Ns/m m m 2注：表中所列数值对应于单股钢轨。
2.3 高速车辆通过板式轨道竖错不平顺时的动力响应
图5所示为高速车辆JR300以v=250km/h速度通过h=2mm竖错不平顺区段
时车辆-板式轨道系统的振动响应。为清楚起见，车体垂向加速度响应图的横坐标取为0～50m。此处假设有两块轨道板下沉，即图中代表车辆走行距离的横坐标10～20m间。
图5 竖错激扰作用下的系统响应
竖错不平顺对轮轨系统动力性能指标影响不大，而对轨道变形及其承载强度影响较大。如图5所示，当车辆高速通过竖错不平顺区域时，轮轨力、车体垂向振动加速度等反映不平顺动力效应的指标变化并不明显，而板式轨道部件的变形与应力指标却有显著变化，如钢轨最大位移达2.4mm，轨道板最大位移为1.95mm左右。这是由于基础发生2mm沉降时，基础上面的轨道板也产生接近2mm的位移，在钢轨扣件作用下钢轨随之产生2mm左右位移，当车辆通过时又加剧了钢轨的变形。同时，从图5(d)可以看出，竖错处(相应图中横坐标的10m与20m处)两侧轨道板下CA砂浆表面压应力大为不同，一侧为0.09MPa左右，已接近其轮重作用下的允许值［2］；而另一侧为负值，表明此处轨道板下CA砂浆承受拉应力，日久将会导致轨道板与CA砂浆脱开，从而使轨道板承载状态发生本质变化，若长时间在这种状态下行车，必将给板式轨道的使用寿命和养护维修带来极为不利的影响。
2.4 高速车辆通过钢轨焊接区轨面短波不平顺时的动力响应
图6(a)～(d)分别给出了车辆以250km/h速度通过板式轨道上长钢轨焊接区轨面短波不平顺（λ=0.1m, δ1=0.3mm, δ2=0.2mm）时轮轨垂向作用力P、钢轨加速度ar、轨道板加速度as和钢轨位移Zr响应波形。由图可见，焊接不平顺区轮轨冲击效应十分明显，这显然是短波不平顺(波长λ)的作用结果。因此，在高速行车条件下，必须对焊接区短波不平顺的深度予以严格限制。
图6 板式轨道焊接区轮轨动力响应
3 高速铁路板式轨道CA砂浆动力参数研究
众所周知，无碴轨道的结构刚度远大于有碴轨道。轨道板下水泥沥青砂浆(简称CA砂浆)垫层是提高板式轨道弹性，减缓振动的重要环节。因此，合理选取板式轨道CA砂浆弹性模量和阻尼系数，对提高板式轨道结构整体动力性能，具有
十分重要的意义。 3.1 CA砂浆垫层弹性模量
研究表明，随着轨道板下CA砂浆垫层弹性模量KCA的增大（亦即刚度变大），轮轨作用力P稍有增大，轨道板位移Zs逐渐降低，轨道板加速度as和板下CA砂浆垫层压应力σCA明显增大，如图7(a)～(d)所示。由此可以看出，选择CA砂浆垫层弹性模量时既要考虑板下支承刚度又要考虑板式轨道的强度。图示结果显
3
示出其合理范围是1000～1500MN/m。
图7 板下CA砂浆垫层弹性模量的影响
3.2 CA砂浆垫层阻尼
轨道板下CA砂浆垫层阻尼c对轮轨动力作用的影响，如图8所示。随着c的增大，轮轨力P、钢轨振动加速度ar都无甚变化，但轨道板加速度as、板下CA砂浆垫层压应力σCA以及轨道板振动位移均明显下降，特别是当c＞105N．s/m2时下降得尤为显著。可见，尽量采用高量值阻尼的板下CA砂浆垫层是有利于降低轨道板振动的。
图8 CA砂浆垫层阻尼对轮轨相互作用的影响
4 结论
利用作者建立的高速车辆与板式轨道垂向相互作用模型及动力学仿真计算软件，对长钢轨焊接区表面短波不平顺与板式轨道竖错不平顺激扰作用下的无碴
板式轨道动力特性进行了初步分析，结果表明：
(1) 轨道焊接不平顺激励特性主要表征为短波低凹处剧烈的轮轨冲击作用，应当严格加强对短波低凹波深的控制。 (2) 板式轨道竖错不平顺主要影响板式轨道的变形与承载强度，必须予以足够重视。
(3) 轨道板下CA砂浆垫层弹性对板式轨道动力性能有重要影响，其弹性模量的合理取值(K30值)范围是1000～1500MN/m3。
(4) 轨道板下CA砂浆垫层阻尼取大值将有利于降低板式轨道结构振动。 该项研究工作为进一步研究高速铁路板式轨道的动力学特性、影响因素、参数优化和板式轨道动力学设计等提供了理论基础和可操作的方法。
基金项目: 霍英东教育基金资助研究项目；铁道部科技研究开发计划项目(98G01, 99G06)
作者简介: 翟婉明(1963—), 男, 教授， 博导
作者单位：西南交通大学 列车与线路研究所，四川 成都 610031 参考文献
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责任编辑 张武美
收稿日期：1999-04-12；修订日期：1999-06-07
铁道学报
OJURNAO LHT FEHC NIR AWLIAYAS OEICYT
1999年 第21卷 第2期 Vol.21 No.6 1999
高速铁路板式轨道动力特性研究
