[논문]교량 토공 접속부에서 궤도강성변화에 대한 실험적 연구

나성훈; 서사범; 손기준; 김정환

교량 토공 접속부에서 궤도강성변화에 대한 실험적 연구
Experimental Study on the Variation of Track Stiffness between Earthwork and Bridge 원문보기

나성훈 (한국철도기술연구원) , 서사범 (한국고속철도건설공단 궤도) , 손기준 (한국고속철도건설공단 궤도처) , 김정환 (한국철도기술연구원)

In order to evaluate the effect of impact load at support stiffness transition area, the field estimations are performed at the transition zone between earthwork and bridge on test operation of KTX. Due to differential settlement caused by the variations of track support stiffness, large impact forces are investigated. However, the measured values such as wheel load, rail stress, displacement and acceleration in the transition area shows that the stiffness changes in the transition area are not abrupt, and the stiffness in the infra track structure varies continuously. In this experimental study, the parameters influencing safety of transition area are not governed by partial or local stiffness because cumulative passing loads are not sufficient on test operation of KTX.

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문제 정의

현재 건설중에 있는 경부고속철도는 총연장 412km중 터널과 교량이 각각 44%와 27%로 구조물이 차지하는 비중이 전체의 71%에 해당한다. 따라서, 본 연구에서는 경부고속철도 시험선 구간의 교량과 토공 접속구간에서 차량 하중 충격력의 효과에 대해 실험하고 그 결과를 분석하여, 강성변화구간에 대한 하중분산효과와 점진적인 강성변화 여부에 대해 논하고자 한다.
본 연구에서는 대표적인 강성변화구간인 교량과 토공구간의 접속부에서 강성변화여부와 주행 차량의 충격력의 효과에 대해 실험하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
이와 같은 교량과 토공의 접속부 강성변화구간의 거동을 경부고속철도 시험선 구간에 대해 측정을 실시하여 궤도의 실제 거동을 파악하고자 한다.

제안 방법

과 에서 보는 바와 같이 토공, 접속부, 교량구간에 대해 3m 간격으로 침목 가속도계를 설치하고 이때 발생하는 침목가속도의 변화를 분석하였다.
교량과 토공의 접속부에서 윤중 9개, 레일변위와 침목변위 각각 3개, 레일휨응력 5개, 도상가속도 3개, 레일가속도 3개, 침목가속도 3개 지점에 계측을 실시하였으며, 계측결과를 주행방향별로 비교 분석하였다. 특히, 강성이 변화하는 교량과 토공구간의 접속부 A지점에 집중적으로 센서를 배치하였으며, 토공구간과 교량구간에도 센서를 배치하여 접속부와 비교하였다.
또한 측정값의 최대값이 위치한 차량의 부분을 표시하기 위해 와 같이 동력차, 동력객 차, 객차 부분으로 나누어 최대값을 나타내는 차량부분과 차축을 분석하였다.
교량과 토공의 접속부에서 윤중 9개, 레일변위와 침목변위 각각 3개, 레일휨응력 5개, 도상가속도 3개, 레일가속도 3개, 침목가속도 3개 지점에 계측을 실시하였으며, 계측결과를 주행방향별로 비교 분석하였다. 특히, 강성이 변화하는 교량과 토공구간의 접속부 A지점에 집중적으로 센서를 배치하였으며, 토공구간과 교량구간에도 센서를 배치하여 접속부와 비교하였다.

대상 데이터

토공과 교량의 접속구간 계측은 고속철도 시험선 구간중에 궁현2교 북단 DKP 124km772 지점에서 실시 되었다. <그림 2>은 접속구간의 궤도 전경이고, <그림 3>의 A점은 계측이 실시된 접속부 이다.

성능/효과

. 침목변위, 침목가속도, 도상가속도의 측정결과 큰 충격의 영향은 없는 것으로 판단되며, 궤도 하부구조의 접속구간에서 구간별 궤도의 강성변화는 점진적이며 연속성이 있는 것으로 판단된다.
• 접속부 레일변위의 측정결과 접속부에서 토공, 교량구간보다 약 0.1mm(20%)정도 크게 발생하고 있으며, 레일응력은 50kg/cm²(10%)정도 크게 발생하고 있으므로, 계측이 실시된 접속부에서 국부적으로 레일의 스프링 강성이 저한된 것으로 판단된다. 그러나, 접속구간이 아닌 다른 토공구간의 계측값과 일정한 값을 나타내고 있으며 일본 신간선의 레일변위 표준치(3mm)의 20%정도, 레일옹력은 표준치(3000kg/cm²)의 10~15%만 발생하고 있으므로 레일의 스프링 강성만 국부적으로 약간 저하되었을 뿐, 궤도 전체의 안전성에는 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.
• 주행열차 동적하중의 효과를 구간별로 하중이 전달되는 윤중-레일(변위, 가속도, 응력)-침목(변 위, 가속도)-도상의 순으로 하중분산 효과를 검토한 결과, 레일의 국부적인 강성변화를 나머지 하부구조에서 충분히 부담하고 있는 것으로 판단된다.
레일휨응력의 계측결과는 접속부를 통과할 때 주행방향별로 일정한 경향을 나타내고 있다. 교량에서 토공으로 진행할 경우에는 큰 변화가 없었고, 토공구간에서 교량구간으로 열차가 주행할 경우 접속부에서 가장 큰 응력이 발생하는 것으로 나타났다. 레일의 변위측정에서 예측한대로 접속부에서 레일의 횜강성이 약간 감소하고 있는 것으로 판단된다.
궁현2교 북단(토공)에서의 레일변위를 측정한 결과 레일변위는 Q35~0.45mm정도 측정되었고, 차량이 교량과 토공의 접속부를 통과할 경우 레일변위는 약 0.1mm정도 증가하여 발생하였다. 접속부에서 가장 큰 레일변위가 발생하고 있으며, 접속구간에 차량의 진행방향에 따른 레일변위의 차는 최대 0.
1mm(20%)정도 크게 발생하고 있으며, 레일응력은 50kg/cm²(10%)정도 크게 발생하고 있으므로, 계측이 실시된 접속부에서 국부적으로 레일의 스프링 강성이 저한된 것으로 판단된다. 그러나, 접속구간이 아닌 다른 토공구간의 계측값과 일정한 값을 나타내고 있으며 일본 신간선의 레일변위 표준치(3mm)의 20%정도, 레일옹력은 표준치(3000kg/cm²)의 10~15%만 발생하고 있으므로 레일의 스프링 강성만 국부적으로 약간 저하되었을 뿐, 궤도 전체의 안전성에는 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.
<그림 18>과 <그림 19>는 주행방향별로 각 구간에서 발생한 도상가속도의 변화를 위치별로 도시한 그래프이다. 도상가속도는 교량에서 웅답이 토공의 가속도 최대값보다 약 28%정도 크게 발생하고 있으며, 강성변화구간에서 도상가속도의 응답이 다른 일반구간의 가속도값과 비슷하게 발생하고 있으므로, 접속부에서 동적하중의 충격이 도상까지 비교적 고르게 전달됨을 알 수 있다. 일반적으로 도상가속도는 열차의 주행가속도에 의해 지배적으로 영향을 받고 있으며 강성변화구간인 접속부에서 큰 충격의 영향은 없는 것으로 판단된다.
와 와 같이 전체속도대에서 발생한 침목 변위를 모두 도시한 그래프에서 알 수 있듯이, 침목변위는 0.17~0.26mm 정도 측정되었고, 교량과 토공구간의 접속부에서 열차의 주행방향에 관계없이 구간변화에 따라 침목변위의 변동이 최고 0.02mm로 매우 작은 것으로 측정되었다.

후속연구

• 현재 실험이 수행된 시험선 구간은 누적통과하중이 강성변화구간에서 발생하는 최대의 문제인 부등침하에 영향을 미치기에 충분하지 않기 때문에, 충분한 누적 열차하중이 주행한 이후의 강성변화구간에 대한 추가적인 실험을 실시할 계획이다.

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