高速铁路轨道结构理论研究进展

王 平 徐井芒 方嘉晟 陈 嵘

(西南交通大学， 成都 610031)

随着高速铁路技术的大力发展，截止2019年底，中国高速铁路运营总里程已达3.5万km，占世界高速铁路总里程的2/3以上，远超世界其他国家总和。目前，铁路科技工作者们均在将研究重点由建设向运营维护转变，高速铁路技术创新的主旨正在由轨道结构、功能的设计和建造逐步转向线路运营的安全保障、品质提升、优化与维护[1]。我国高速铁路经过多年技术积累与自主创新，已形成了一套涵盖各领域的高速铁路产业体系，但在高速铁路安全运营及维护方面，还缺乏持续且卓有成效的基础理论研究。

在高速铁路蓬勃发展的环境下,如何科学高效地维护我国规模庞大的运营线路，实现高速铁路在全生命周期内的稳定、安全运营，是目前我国高速铁路面临的一个至关重要且亟待解决的问题[2]，而探明高速铁路轨道结构在长期运营过程中动态性能演变及服役安全控制机制则是解决这一问题的关键。安全是铁路运输永恒的主题，更是高速铁路的核心要求。深入研究保障高速铁路轨道结构安全服役的关键理论，揭示其长效工作的科学规律，成为确保我国大规模高速铁路路网高效运营的重大基础性工作，其迫切性和必要性不言而喻。

1 高速铁路轨道结构研究现状分析

自1964年世界首条高速铁路在日本东海道新干线开通以来，高速铁路技术已历经了五十多年的发展，但其运营安全问题仍未得到全面彻底的解决，危及高速列车运行安全的故障和事故在德国、韩国、日本等地仍时有发生[3]。出现此类问题的原因，除了对车辆结构关键工程材料失效机理、高速列车脱轨机制等问题认识不足之外，未系统研究作为固定设备之一的高速铁路轨道结构服役性能的时空演变机制，未深入了解高速铁路轨道结构初始损伤演变、动态性能劣化、特殊条件下状态突变对行车安全的影响，以及对高速铁路运营安全保障和长效服役能力关键支撑理论的研究和认识不足，也是极其重要原因[4-5]。

国内外相关研究成果表明，在动荷载和环境因素耦合循环作用下，高速铁路轨道结构在长期服役过程中，其各项构成材料(如水泥乳化沥青砂浆、混凝土等)的微观结构会发生变化，从而导致关键部件出现伤损甚至失效(如轨道板裂纹、水泥乳化沥青砂浆劣化、扣件折断、钢轨波磨等)，而轨道结构与关键部件材料初始损伤的动态演化，轨道结构与关键部件的持续劣化以及特殊条件下结构局部状态的瞬时突变等，势必会引起轨道服役状态与结构动态性能的持续劣化，导致轨道结构与高速车辆系统不匹配，从而加剧高速铁路线路服役状态的恶化，耐久性和经济性的明显降低，同时影响行车品质，甚至留下安全隐患，危及高速列车运行安全[6]。

高速铁路关键的轨道结构如由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆充填层、混凝土支承层等不同材料组成的无砟轨道、线路交叉处轨线连续性中断的高速道岔以及跨越不同地区及不同基础结构的无缝线路等，因构成材料属性不同、结构形式迥异、界面传递机制复杂以及荷载环境耦合交变等，其动态服役性能的时空演变机制与规律十分复杂，其劣化与失效模式呈多样性，是完善高速铁路运营安全技术体系的主要障碍之一，也是当前高速铁路技术发展面临的国际性难题。与提速铁路一样，仍面临着环境与动荷载耦合重复作用下关键工程材料与结构动态性能的演变机制，复杂服役环境下材料劣化、部件损伤、结构不均匀累积变形机制，轨道结构服役性能与高速列车-轨道结构耦合系统动态性能的相互影响及演化机制等科学挑战[7]。

2 高速铁路轨道结构基础理论研究

传统铁路多采用有砟轨道、有缝线路，列车动荷载大、行车平稳性差、安全性低、养修工作量大。随着铁路运输向高速方向不断发展，为保证轨道结构的竖向稳定性，减缓累积变形所致的轨道不平顺，散粒体的碎石有砟道床逐步为整体性和稳定性良好的混凝土无砟道床所替代；为消除线路纵向的钢轨接头以保证行车的平稳性，有缝线路逐步发展为区段无缝线路、区间无缝线路以及跨区间无缝线路[8-11]；为降低线路平面交叉点处轮轨动力作用、延长道岔服役寿命以提高行车的安全性，普通道岔逐步发展成为提速道岔、高速道岔[12]。因此，线路水平方向上的铁路道岔、纵向上的无缝线路、竖向上的无砟轨道已成为直接反映一个国家高速铁路整体科技水平的三大关键基础结构。本文根据轨道结构安全、长效服役的现实需求，结合现有的研究积累，从严重影响高速铁路轨道结构服役性能的结构失效、材料伤损、轨道平顺性和环境影响四个方面，围绕高速铁路三大关键轨道结构的基础问题开展相关研究，技术路线如图1所示。

2.1 高速铁路道岔伤损机理、服役状态评估理论与监测技术研究

针对道岔关键部件(如尖轨、心轨等)在长期列车、温度及转换荷载耦合、循环作用下的动态性能演化规律、伤损机理及疲劳破坏问题，建立了可考虑岔区复杂轮轨接触关系、钢轨接触疲劳与磨损关系、道岔多种轨道不平顺、道岔部件实际组合状态、钢轨件伤损程度的精细化列车-道岔耦合动力学分析模型与瞬态接触模型，如图2、图3所示。分析列车过岔时，轮轨动力作用的随机分布规律及轮轨接触应力、蠕滑力波动对钢轨接触疲劳及磨损的影响规律，分析随通过总重累积轨件接触疲劳及磨损的发展规律。

借助现场试验和断裂、疲劳理论，获取道岔运营过程中的工作谱，用统计理论来处理工作谱子样，编制道岔疲劳载荷谱，建立道岔疲劳累积损伤模型，对道岔主要部件的受力状态和裂纹扩展特性进行分析，以期估算其裂纹形成及扩展寿命，为道岔的服役寿命预测、制定合理的道岔检修周期提供理论依据。

图1 技术路线框图

图2 跨尺度耦合动力学模型图

图3 瞬态接触模型图

列车-道岔耦合系统动力学响应既是列车、道岔服役综合性能的直观表现，也是加剧道岔结构服役性能演变的催化剂，二者之间相互影响。因此，应研究道岔损伤及动态性能恶化对岔区轮轨关系、岔区轨道刚度等轨道性能的影响，继而研究岔区轮轨动力作用下，轮轨关系、轨道刚度变化时，高速列车过岔时运行品质及对道岔结构动力作用的变化规律。研究提出道岔结构损伤评价方法及技术体系，根据道岔伤损的发展规律，提出不同类型伤损的限值，科学评定高速道岔结构运用的安全性。

研究提出服役过程中道岔结构疲劳关键部件的动态损伤与安全监控参数指标，基于用户平台层级化、岔群监测管理站段化与主机化、单组道岔监测单元化、各项监测项目模块化、数据处理前端化、软件硬件化及软硬件一体化，构建高速道岔的安全监控系统方案。

2.2 无砟轨道结构及材料伤损机理、服役状态评估理论与修复技术研究

研究提出高速铁路无砟轨道结构动荷载与温度力的耦合作用关系及表征方法，研究轨面伤损、胶垫老化、基础局部沉陷、关键材料在动荷载和温度长期作用下的性能劣化等对无砟轨道结构的损伤特性及动态性能演变的影响规律，建立高速铁路无砟轨道结构损伤累积预测模型，分析列车荷载和温度荷载耦合作用下的无砟轨道伤损的发生、发展过程；研究裂纹扩展速率及影响裂纹扩展的关键参数，研究无砟轨道结构的开裂机理、开裂过程及破坏形态[13-14]。

基于损伤力学及断裂力学理论，建立高速车辆与损伤状态下的无砟轨道耦合作用模型，研究高速铁路无砟轨道支承状态在长期运营中发生劣化以后轮轨系统动力性能的变化特征，包括钢轨扣件失效、水泥乳化沥青砂浆充填层劣化等对高速轮轨动力作用的影响规律，研究主要轨道结构部件在服役期间不同损伤状态下的动态行为，分析提出结构损伤评价方法及技术体系。根据无砟轨道伤损发展规律，提出无砟轨道不同类型伤损的限值，科学评定无砟轨道结构的运用安全性。

针对无砟轨道病害类型多、尺寸小、隐蔽性强等检测难题，开展高速铁路线路多层复合结构缺陷模型试验，其重复加载应力-应变曲线如图4所示。建立无砟轨道典型病害的随机介电特性及应力波波场传播模型，开展检测特征提取及缺陷识别研究，研究传导类及波动类无损检测方法在无砟轨道检测中应用的适应性，研究典型伤损无砟轨道的修复材料、修复方法及修补复合结构的力学特性(如图5所示)，为提升无砟轨道服役性能提供技术支撑。

2.3 高速铁路无缝线路状态演变机理、服役状态评估理论与诊控技术研究

考虑支座摩阻力、桩-土非线性作用、加载历史引起的扣件塑性变形以及端刺和摩擦板的非线性刚度，建立无缝线路与多跨长联连续梁桥相互作用的轨-枕(轨排)-梁-墩一体化计算模型，如图5、图6所示。研究轨道结构工作状态演变对梁轨系统受力特性的影响，提出典型地区多跨长联连续梁桥极限温度跨度、钢轨伸缩调节器的设置条件和方法以及桥梁墩台纵向刚度限值。

图4 重复加载应力-应变曲线图

图5 轨-枕(框架)-梁-墩一体化计算模型主视图

图6 轨-枕(框架)-梁-墩一体化计算模型Ⅰ-Ⅰ断面图

建立复杂条件下路基或桥上无缝道岔状态演变预测模型，构建考虑温度循环变化条件下的无缝道岔结构受力与变形的求解方法，探究路基/桥上无缝道岔服役状态对行车安全性和平稳性的影响规律，提出其各项性能劣化指标评判标准及允许限值[15]。

运用轮轨系统动力学、结构随机振动分析方法和结构动力可靠度理论，建立考虑温度荷载作用的车辆与不同轨道结构耦合振动的计算模型，揭示高速铁路不同轨道结构无缝线路长钢轨横向、竖向变形机理及演化规律，提出相应的长钢轨横向、竖向变形评判指标及允许限值，研究在各种随机因素作用下，不同钢轨温升幅度所对应的无缝线路长钢轨横向、竖向变形规律，提出控制无缝线路长钢轨横向、竖向变形的有效方法。

2.4 高速铁路轨道不平顺状态演化机理、评价理论与高效检测技术研究

研究高速行车条件下钢轨表面短波不平顺引起的轮轨动力响应特征及其演化规律，研究高速列车动荷载反复作用下轨道结构伤损与轨道不平顺累积变化机制，确立动荷载作用与线路几何状态演化之关系，根据实际轨道不平顺变化规律及其综合影响因素，研究建立轨道几何状态演变模型，预测轨道不平顺的变化规律[16]。

研究我国高速铁路轨道不平顺检测数据基本特性，分析关键点局部轨道不平顺特征及其描述方法，分析单元轨道不平顺谱的概率分布特征及时频域特征，提出高速铁路轨道不平顺的评价方法，如轨道质量指数、轨道谱、三维谱、车体响应谱法等，研究高速铁路运营过程中轨道几何不平顺变化对高速列车运行安全性和乘车舒适性的影响规律，提出相应的幅值控制准则，研究钢轨表面局部几何状态恶化对轮轨动力作用及高速行车品质的影响，提出相应的维护标准建议。

建立了精细化的车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学分析模型，结合虚拟轨检理论，对大跨度桥梁轨道几何形位进行虚拟检测，如图7～图9所示。研究轨道刚度限值及变化率对轮轨动力行为的影响，提出其控制指标；研究宽频动刚度反演的轨道刚度综合评价体系，建立轨道刚度检测数据的分析模型及评判机制；研究扣件动刚度与钢轨振动模态的内在联系，揭示非均匀支撑刚度影响结构模态的机理；研究钢轨振动的纵向及竖向传递规律，提出钢轨激振点及传感器布置方法；研究钢轨人工激振检测轨道动刚度的方法，研究基于检测信息的轨道刚度反演求解理论与方法，实现轨道动刚度的在线检测。

图7 惯性基准法原理图

图8 轨道高低不平顺图

图9 动静态高低不平顺轨道谱对比图

2.5 高速铁路轨道部件高频振动特性及共振疲劳研究

轮轨高频激振力会激起轮轴的高频弯曲和车轮节径、扇形模态等高频柔性变形，同时轮对的高速旋转效应和惯性效应还会影响轮轨相互作用和轮轨滚动接触行为，需发展能考虑轮轨结构高频柔性变形的刚柔耦合动力学，甚至是多柔性或多弹性体系统动力学，从而得到列车系统、轨道系统及桥隧等基础结构在时域、频域内的各项动力学响应，并根据相应的评价准则和标准来判定列车运行的安全性、平稳性和舒适性，轨道结构的承载能力、变形特性、荷载传递特性以及轮轨系统各部件的疲劳特性、使用可靠性等，为确保列车安全、平稳以规定速度不间断运行提供理论支撑[17]。

列车高速运行会导致轨道不平顺激振频率提高，由低频段逐渐拓宽到中高频段，外部激扰频率增大至接近或超过轮轨系统固有频率时，将会导致轮轨系统产生谐振或局部共振(或颤振)。一方面导致钢轨波磨和车轮多边形磨损朝着与共振频率相对应的固定波长发展，另一方面加剧轮轨系统各部件的振动及疲劳伤损，大幅降低这些关键部件的结构强度和服役寿命。因此需探究轮轨系统共振对钢轨波磨、车轮多边形发展及部件疲劳损伤的影响机制。

过去，在车辆轨道系统设计过程中，一般只注意其强度和可靠性问题，很少关注轮轨系统结构自身的高频振动特性[18-19]，在某些条件下被激发出来后，可能会导致难以预测的轮轨伤损，如车轮多边形和高速铁路钢轨短波长波磨问题。因此，需要从控制高频振动的激励源、减缓高频振动向探究列车及轨道结构传递、优化列车及轨道结构设计避开共振模态等途径来综合调控轮轨系统的高频振动及其影响。通过优化结构线型，可提高弹条的固有频率并延长其疲劳寿命。优化前后弹条的性能参数对比如图10～图12所示。

图10 弹条加速度频响函数图

图11 弹条振动加速度时域对比图

2.6 高速铁路轮轨振动与噪声预测、评价理论与控制技术研究

建立高速列车与不同状态下无砟轨道、高速列车与不同状态下道岔系统的动态相互作用模型，研究轨道几何状态演化、轨道结构伤损及性能劣化等实际演化因素对高速行车安全性与旅客乘坐舒适性的影响规律，对轨道结构动态服役性能演化的影响规律，继而提出确保高速列车安全、平稳运营的轨道结构性能演变与状态控制准则和方法，完善高速铁路运维标准和保障体系[20]。

图12 弹条振动加速度频域对比图

建立列车、轨道(道岔)、基础结构(桥梁、隧道、路基等)大系统动力学分析模型，研究不同轨道结构状态及轨道不平顺对基础结构的动力影响、不同基础及其过渡结构对轨道动态性能演化的影响以及对行车品质的影响规律，研究轮轨振动向基础结构的传递规律(无砟轨道振动传递特性现场试验如图13所示)，从确保行车安全性及乘客舒适性角度，提出基础结构动变形及动强度等控制指标与限值[21]。

图13 无砟轨道振动传递特性现场试验图

建立高速铁路轮轨系统幅频交变动力学模型，基于分段线性化的虚拟激励求解方法，研究减振材料性能随振幅、频率、环境温度而衰减、地质条件与建筑环境变化、轨道不平顺及轨道结构损伤等因素对轮轨系统振动、噪声产生及传播规律的影响(如图14、图15所示)，研究轮轨共振对钢轨波磨、轮轨冲击对钢轨伤损的影响，提出高速铁路轮轨系统振动及噪声水平预测与评估方法。

图14 垂向弯曲波传递系数图

图15 横向弯曲波/扭转波传递系数图

深入探索高速铁路轮轨系统减振、隔振、吸振、消振机理，基于高速铁路轮轨系统振动及噪声控制指标及限值，提出适合于高速铁路轨道高平顺性要求的吸振、吸声策略，研发吸振钢轨、吸振无砟轨道板、吸音覆盖板等新型减振降噪轨道结构，并细致探讨各种减振降噪技术对轨道结构自身服役性能的影响，形成符合高速铁路线路运营安全要求的轨道结构减振降噪技术体系。

3 高速铁路轨道结构安全服役性能研究关键科学问题

针对高速铁路轨道基础结构动态性能演变及服役安全研究，笔者提出以下关键科学问题，拟通过探明复杂环境因素与动荷载耦合作用下关键工程材料与高速道岔、无砟轨道、无缝线路等关键结构的动态性能演化规律，掌握高速铁路轨道结构累积变形及轨道几何不平顺的演化规律，揭示高速车辆与固定轨道系统及其下部基础结构间的动态相互作用演变机制，推动高速铁路轨道结构运营管理与维护技术变革。

3.1 揭示环境与动荷载耦合重复作用下轨道关键工程材料与结构动态性能的演变机制

高速铁路轨道结构的水泥乳化沥青砂浆、现浇混凝土和蒸养混凝土等关键材料均属于水泥基复合材料，其成分较为复杂，同时具有多孔性、匀质性差、极限应变小等特点。在列车动荷载循环作用下，该类材料内部的界面区和孔缝会逐渐演变，微空洞、微裂隙等伤损的产生和演变会软化结构材料，从而劣化结构材料的动态力学性能。此外，该类材料亲水性较强，在轨道结构长期服役过程中，外界水分会渗透进入内部孔缝中，可能导致水泥基复合材料长期处于含水状态条件下，并同时承受列车动荷载作用，因此需考虑材料含水量对孔缝演化的影响。需要解决以下两个关键问题，一是动荷载作用下水泥基复合材料动态力学性能本构关系和材料破坏临界值的确定；二是在列车动荷载与温度、水等环境因素耦合重复作用下，水泥基复合材料性能的时空动态演变和劣化行为。

高速铁路轨道结构的另一类关键工程材料为制作车轮与钢轨的金属材料。在高速运行条件下，轮轨材料服役时存在交变的机械应力和热应力、湿空气和氢环境以及接触表面的“第三介质”。另外，服役时轮轨表层由珠光体变为马氏体会使失效加速。因此，需要解决多场耦合下轮轨磨损疲劳机制以及低接触应力、低磨耗、良好曲线通过性能和高蛇行失稳临界速度等条件的最优综合控制等关键问题。

对于高速铁路轨道结构而言，其构成材料性能的劣化势必会弱化相应结构或部件的动态性能，而轨道结构在宏观上服役性能的动态演变不单是材料微观层面演化的简单线性叠加，还与轨道结构形式及其组合方式、外界荷载特性等因素密切相关。因此，由于结构的多尺度效应，即使获得了其组成材料的性能劣化规律，还不能直接由此获得结构的动态性能演变规律。为了能由定性到定量地具体表征高速铁路轨道结构的动态性能演化机制，至少需要从轨道结构层面上开展相关研究，因此需要解决高速铁路无砟轨道结构动荷载与温度荷载的耦合作用机制、无砟轨道结构动态性能演化及失效机理等关键问题。

3.2 探明复杂服役环境下轨道材料劣化、部件损伤、结构不均匀累积变形与轨道几何状态演变机制

高速铁路轨道结构在复杂的服役环境下，其材料会不断劣化，部件结构的动态性能也会不断演化，在长时间的疲劳荷载累积作用或偶然荷载作用下会发生部件的损伤，这种累积变形和伤损，都会以某种方式、从不同程度表现为轨面动静态的几何形态变化，从而进一步增大轮轨系统的动力响应，同时又影响轨道结构服役状态的演变。研究高速铁路轨道结构及材料性能劣化、部件损伤、结构累积变形与轨面动静态几何形态之间的演化与映射关系需要解决以下关键问题：(1)列车动荷载和环境荷载反复耦合，轨道结构多尺度累积损伤机理及对轨道动静态不平顺的作用机制；(2)竖向多层、纵向异性的高速铁路轨道多层结构之间几何形态、动态服役性能的交互协调与影响机制；(3)高速铁路轨道及基础各层结构状态时空演化特征、结构状态协调变形以及长期变形传递机制[22]。

3.3 轨道结构服役性能与高速列车-轨道结构耦合系统动态性能的相互影响及演化机制

高速铁路服役过程中，结构关键材料劣化、部件伤损以及轨道结构不均匀变形等持续变化，将使列车、轨道、基础结构耦合系统动力学问题复杂多变，甚至随着损伤程度的加深，还有可能改变该动力系统的耦合作用关系，加剧工程材料、关键部件和结构动态的性能劣化甚至失效，除此之外，还会促使轨道不平顺发生演变与恶化。作为车辆-轨道耦合大系统的主要激扰源，轨道不平顺恶化会明显加剧系统动态相互作用，从而加速关键部件、工程材料的劣化进程以及轨道结构累积变形的持续增长。要准确分析、把握这种相互作用机制需要解决以下关键问题：(1)不同服役条件下高速列车与轨道结构耦合动力分析理论与方法；(2)轨道结构服役性能劣化对层间及承载基础层耦合作用机制的影响及动力响应传递与衰减规律等。

4 结束语

本文以国家交通发展战略的重大需求和相关学科前沿为导向，以高速道岔、无砟轨道、无缝线路三大关键轨道结构为研究对象，围绕复杂环境因素与动荷载耦合、重复作用下工程结构与材料动态性能演化、高速铁路轨道结构损伤及累积变形、高速车辆系统与固定轨道结构的动态相互作用演变机制等关键问题，采用理论分析、数值仿真、室内试验、现场试验和长期监测等多种研究方法，开展其动态性能演变及服役安全基础理论和工程技术方面的研究，探明轨道结构在复杂条件下的动态性能演化规律、累积损伤变形与轨道不平顺的演变机制以及对轮轨系统的动力相互作用规律，提出关键工程结构及材料服役性能评价与预测方法，研发轨道结构服役状态检测及监测技术，提出轨道结构维修控制策略和方法，为我国高速铁路轨道结构服役安全与高效维护提供了基础理论和关键技术支撑。