无论是既有线路还是新建线路，都存在一个桥上轨道与土路基轨道如何相连接的问题，由于桥上和路基两种结构的轨下支承条件不同，其轨下基础乃至轨道整体的刚度及其变形就会不同，致使路桥连接部分产生轨道折角现象，破坏了轨道面的平顺性，使得列车经过该区段时附加动力明显加大，导致轨道累积变形加大，石碴粉碎，道床翻浆，轨枕空吊，继而引发行车事故。随着列车速度的提高，这些问题愈来愈严重[1] 。为了减小轨面不平顺对线路造成的危害，运输部门往往采用限速通过的办法。列车在运营过程中频繁限速，既影响列车速度的提高，又使乘客感到不舒适，导致运营品质降低。全国铁路正在全面提速，过渡段问题如得不到很好地解决，将会成为制约我国铁路提速事业发展的重要因素。目前，南昌铁路局正对京九线进行提速改造，对部分路桥不平顺段进行了轨道过渡段的设计，本文就这方面进行探讨。

1 　既有线路桥过渡段的设计

国外铁路先进国家在处理过渡段方面已有一定基础，并积累了较丰富的经验，提出了一些经实践检验是可行的技术处理措施，归纳起来主要有如下几类[2] ：

(1) 在过渡段较软一侧，增大基床刚度，减小路堤沉降；

(2) 在过渡段较软一侧，增大轨道竖向刚度；

(3) 在过渡段较硬一侧，通过设置轨下、枕下、碴底橡胶垫块(板)来调整轨道竖向刚度。本文在参考《京沪高速铁路线桥隧设计暂行规定》的基础上，对京九提速改造部分路桥过渡段中，采用了第一种处理方法———用级配碎石填筑过渡段，设计参考如图1 、2 、3 所示。

图1 　过渡段纵断面Ⅰ(单位：m)

图2 　过渡段纵断面图Ⅱ(单位：m)

图3 　过渡段横断面(单位：m)

路桥过渡段长度跟路桥的工后沉降差有关，《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》中要求路桥过渡段沉降差α≤5 cm，《 秦沈客运专线桥隧站设计暂行规定》中要求路桥过渡段沉降差α≤8 cm ，本文考虑到既有线的改造，要求路桥过渡段沉降差α≤10 cm。本文在参考文献[3～4 ]的基础上取过渡段长度L = 20 m。过渡段断面形式根据路堤与过渡段施工先后顺序采用不同形式，先施工过渡段采用正梯形(图2) ，反之先施工路堤则采用倒梯形(图1) 。

2 　路桥过渡段的动力学性能评

为了保证过渡段的设计能够满足运营的动力学要求，本文采用仿真的方法对路桥过渡段的动力学性能进行了评价。

2.1 　过渡段的动力学计算模型

关于车辆轨道垂向振动的仿真计算，国内外已有多种模型，本文采用了一个被国内外广泛应用的车辆轨道耦合系统竖向振动分析模型(图4) 。该模型是一个线路与车辆竖向耦合系统，车体和转向架简化为刚体，均有点头和沉浮两个自由度。车轮和簧下质量简化成质量块，各部件之间由弹簧和阻尼器连接。线路部分是由钢轨、轨枕、道床和路基组成的三层点支承梁模型。钢轨视为连续支承欧拉梁，轨枕简化为刚体，道床离散化为集中质量块。另外，为了有效模拟轮轨之间的赫兹非线性接触，并使编程简单化，本文同时采用车辆、轨道振动方程分开求解的有限元法[5 ] 。

图4 　车辆轨道耦合系统竖向振动分析模型

2.2 　过渡段的不平顺模拟

为了尽可能准确模拟列车通过路桥过渡段的动力响应，过渡段的不平顺综合考虑了3 种情况。

(1) 轨面随机不平顺， 线路轨道谱作为激扰输入[5] ，文献[6]将轨道不平顺分为几何的和弹性的两部分，通过实测和研究，给出了我国一级铁路轨道高低不平顺功率谱推荐公式


上述不平顺谱最短波长约1 m。

(2) 路桥过渡段由于工后沉降不一致，过渡段轨面产生了静不平顺，普通路基线路与桥台等刚性轨道之间过渡段的曲线应根据实际线路检查的记录考虑。本文将折角不平顺简化为四分之一波长的余弦，其表达式为

y = (α/ 2) [1 - cos (πx/ l) ] (2)

式中， y 代表轨面的竖向不平顺； l 为过渡段长度； x 代表计算点到过渡段起始点的距离；α代表总的沉降差。

(3) 路桥过渡段由于巨大刚度差而引起的轨道动不平顺，路桥间刚度变化如图5 所示。

图5 　轨道底部刚度

2.3 　过渡段的动力学计算结果分析

迄今为止，还未见有对路桥过渡段动力学性能评价指标体系，这里从轨道强度、列车运行的舒适性和安全性方面出发，主要采用以下3 项指标作为分析和评价路桥过渡段动力学性能：

(1) 轮轨垂向力≤250 kN ；

(2) 车体垂向加速度≤1.3 m/ s2 ； (3) 钢轨垂向加速度≤200 g 。表1 列出了对路桥过渡段动力学效应仿真计算结果的评价结果。

表1 　路桥过渡段动力学效应仿真计算结果


3 　结论

既有线提速线路路桥过渡段对线路工程的重要性已成共识，本文在参考国内外处理过渡段的技术措施上，设计了我国既有线提速线路过渡段。为了保证过渡段的设计能够满足运营的动力学要求，利用有限元法，通过建立车辆轨道耦合系统竖向振动分析模型，对列车经过路桥过渡段时轨道结构的动力学性能进行了评价，计算结果表明该过渡段满足动力学性能要求，为既有线提速和新线建设提供了设计依据。

参考文献：

[1] 　Arnold D。 Kerr and Brian E。 Moroney。 TRACK TRANSITION PROBL EMS AND REMEDIES[ C] 。 Bulletin 7422American Rail2
way Engineering Association ， 2672298。

[2] 　王其昌。 高速铁道土木工程[M] 。 成都： 西南交通大学出版社，1999。

[3] 　罗强，蔡英等。 高速铁路路桥过渡段的动力学性能分析[J ] 。 工程力学，1999 (5) 。

[4] 　王其昌，蔡成标等。 高速铁路路桥过渡段轨道折角限值的分析[J ] 。 铁道学报， 1998 (3) 。

[5] 　雷晓燕。 铁路轨道结构数值分析方法[M] 。 北京：中国铁道出版社，1998。

[6] 　长沙铁道学院随机振动研究室。 关于机车车辆/ 轨道系统随机激励函数的研究[C] 。 长沙铁道学院，1985。