高速铁路无碴轨道过渡段路基的动力特性研究

论文摘要

武广客运专线要求全线铺设无碴轨道，与普通线路的有碴轨道相比，对路基的变形要求更严、更高，工后沉降不能超过30mm，甚至要求地基为“零沉降”，任意路基地段20m长度范围的不均匀沉降不得大于20mm／20m，路桥（涵、隧）过渡段或任意两段路基沉降造成的折角不得大于1／1000，沉降差异造成的错台不大于5mm。因此，无碴轨道过渡段的刚度值平稳变化以及减少差异沉降和控制轨面弯折变形等措施，是保证线路平顺性的关键。由于线路过渡段刚度值不连续、差异沉降、轨面弯折的存在，将使路面在台背回填土处发生沉陷或开裂，从而会破坏线路的平顺、危害行车安全，并影响到旅客乘车的舒适度。随着我国高速铁路无碴轨道的建设，对过渡段问题的重视就显得比以前更为重要，本文基于国内外过渡段的研究现状，结合博士点基金项目和铁道部科技攻关课题，通过理论分析、室内试验、现场测试和数值模拟等方法，对无碴轨道路-桥-隧过渡段结构系统的动力计算模型进行了深入的探讨，取得了以下几方面的主要研究成果和结论：（1）基于D’Alembert原理的弱变分和整体Lagrange格式，建立了无碴轨道路-桥-隧过渡段半无限三维空间动力有限元计算模型。该模型视路-桥-隧过渡段结构为一个相互作用的整体，不同的结构采用不同的单元离散，其中，地基层采用无限元，以消除边界效应的影响。不同材料接触面之间相互耦合，无相对位移。该模型充分地考虑了系统的空间、时变、耦合特性及路-桥-隧过渡段的设计断面和设计参数，可提供无碴轨道路-桥-隧过渡段系统的动态响应时程及动态响应场分布等，具有合理选择无碴轨道过渡段设计参数、优化设计及预测动力性能等功能，从而为高速铁路无碴轨道过渡段系统的设计提供了理论分析依据。（2）基于Timoshenko梁假设和刚体力学理论，建立了各种不同性质的单元耦合约束方程，并使用Lagrange增广法，对其进行了有效的处理，很好地解决了无碴轨道路-桥-隧过渡段结构系统因相互衔接而引起的建模问题。（3）材料变形特性的计算模型采用了线性、非线性弹性、Drucker-Prager、混凝土弹塑性等本构模型；车辆系统与无碴轨道路-桥-隧过渡段系统之间的耦合作用，是通过垂向平面内对外力输入来进行的。整体刚度矩阵方程的求解采用Newmark隐式积分法进行，因计算模型中包含有大量的耦合约束方程，采用了波前求解器和缩减法求解器。（4）利用道床荷载“锥体分布”和“质量-弹簧-阻尼”理论，获得了过渡段结构等效刚度及刚度变异阈值的一般列式，并对过渡段两侧等效刚度进行了仔细讨论，进而指出过渡段刚度小的一侧刚度取值不仅与过渡段刚性大一侧的材料属性有关，而且还与其自身的材料属性有关，除此之外，还与其两侧不平顺波的振幅、波长和车速有关。（5）引入小波分析和现场大量实测数据的时频分析，获取了路基面动应力、振动加速度、动应力速度动力系数变化特征，进而提出了各类过渡段都存在相应“临界速度”，并指出过渡段路基合适的“超高”填筑可以减小过渡段的动态响应。（6）通过对水泥稳定碎石层各种性能的试验分析，得出级配碎石掺入5％～5.5％水泥剂量是合适的，能满足过渡段各类功能的要求。试验还发现不同级配碎石都存在一个动应力的临界值，此时动弹模量最大。（7）运用无碴轨道路-桥-隧过渡段耦合动力学理论，建立了高速铁路路-桥-隧过渡段与无碴轨道相互作用的动力学模型，研究了轮重、车速、不平顺和材料特性与无碴轨道过渡段结构系统相互作用的动态响应特征，并指明了在车辆移动荷载作用下，确定过渡段轨下结构型式、不平顺、材料特性、基床表层厚度和动态响应分布、传递特征、路堤本体工后沉降以及刚度值差异、轨面弯折的控制参数等，是高速铁路过渡段路基结构设计的必然要求和技术保证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 既有过渡段的结构型式
• 1.2.1 国外桥路（涵）过渡段
• 1.2.2 国内路桥（涵）过渡段
• 1.3 既有过渡段存在的问题及处治措施
• 1.3.1 过渡段结构特点
• 1.3.2 存在的问题
• 1.3.3 处治措施
• 1.4 桥梁（隧）和路基的无碴轨道结构型式
• 1.4.1 双块式无碴轨道
• 1.4.2 板式轨道
• 1.5 客运专线无碴轨道过渡段主要结构型式和设计参数
• 1.5.1 路基与桥台之间过渡段
• 1.5.2 路基与涵洞过渡段
• 1.5.3 路堑与隧道过渡段
• 1.5.4 两桥（隧）之间长度小于150m的短路基
• 1.5.5 路堤与路堑过渡段
• 1.5.6 半填半挖过渡段
• 1.6 国内外研究现状
• 1.7 本文的研究方法、研究意义和结构型式
• 1.7.1 研究方法
• 1.7.2 研究意义
• 1.7.3 文章的组织结构型式
• 第2章 无碴轨道路基过渡段系统动力方程的建立与求解
• 2.1 引言
• 2.2 系统方程的建立
• 2.3 连续体单元
• 2.3.1 完全的Lagrangian格式的控制方程
• 2.3.2 完全的Lagrangian弱形式
• 2.3.3 有限元半离散化
• 2.4 梁和板壳单元
• 2.4.1 Timoshenko梁单元
• 2.4.2 Timoshenko板单元
• 2.5 弹簧-阻尼单元
• 2.6 钢轨与轨枕之间的接触处理
• 2.7 各种单元的连接处理
• 2.7.1 板单元与板单元的连接
• 2.7.2 梁单元与弹簧-阻尼单元的连接
• 2.7.3 弹簧-阻尼单元与板单元的连接
• 2.7.4 板单元与三维实体单元的连接
• 2.8 动力问题的种类和边界条件
• 2.8.1 映射法形成无限单元
• 2.8.2 钢轨连续点支承半无限Euler-Bernoulli梁单元质量、刚度和阻尼矩阵
• 2.8.3 三维空间8结点半无限Lagrange单元的坐标映射函数和形函数
• 2.9 平衡解答和隐式时间积分
• 2.10 约束方程的处理
• 2.10.1 Lagrange乘子法
• 2.10.2 罚函数法
• 2.10.3 Lagrangian增广法
• 第3章 高速铁路路基刚度及各种工况的表述
• 3.1 引言
• 3.2 路基刚度、过渡段轨面弯折控制和合理长度的设置
• 3.2.1 轨道刚度
• 3.2.2 道床刚度
• 3.2.3 路基刚度
• 3.2.4 路桥过渡段轨道竖向刚度分析
• 3.2.5 轨下结构刚度的讨论
• 3.2.6 有碴轨道路桥过渡段轨面弯折控制
• 3.2.7 有碴轨道路桥过渡段合理长度的设置
• 3.3 轨下结构的“弹簧—阻尼—质量”计算模型的受迫振动方程及通解
• 3.4 过渡段刚度变异闭值讨论
• 3.5 轮载波动及荷载效应
• 3.6 车辆荷载表述
• 3.6.1 设计荷载和系数
• 3.6.2 无碴轨道轨道面上的荷载分布
• 3.6.3 列车荷载和轮轨接触力模型
• 3.7 轨道的不平顺
• 3.7.1 轨道不平顺的产生和危害
• 3.7.2 轨道不平顺的描述
• 3.7.3 轨道不平顺控制标准
• 3.7.4 高速线路轨道不平顺及其模拟
• 3.8 轨面平顺性实测曲线
• 3.8.1 沙河桥秦沈端
• 3.8.2 沙河桥及黑鱼桥二次实测
• 3.9 结语
• 第4章 小波分析及过渡段现场试验
• 4.1 引言
• 4.2 小波变换原理及离散小波变换
• 4.2.1 一维连续小波变换
• 4.2.2 离散小波变换
• 4.2.3 多分辨分析
• 4.2.4 小波包分析
• 4.3 噪声分析
• 4.4 秦沈客运专线概况
• 4.5 胡家屯中桥路桥过渡段地质概况及试验元件的布置
• 4.5.1 试验工点地质概况
• 4.5.2 试验列车
• 4.5.3 传感器元件的布置
• 4.6 试验测试结果分析
• 4.6.1 实测信号小波分析
• 4.6.2 基床表层振动加速度幅值谱密度、功率谱密度和相位谱密度分析
• 4.6.3 动加速度、动位移变化特征
• 4.6.4 动应力应变响应特征
• 4.6.5 过渡段动应力幅值的车速影响系数
• 4.6.6 路桥过渡段沉降观测及分析
• 4.7 动响应变化规律的分析
• 4.8 结语
• 第5章 水泥稳定碎石层路用性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 室内试验及分析
• 5.2.1 混合料的压实特性
• 5.2.2 无侧限抗压强度试验
• 5.2.3 抗压回弹模量试验
• 5.2.4 干缩试验
• 5.2.5 材料的耐久性
• 5.3 级配碎石材料动力变形特性
• 5.3.1 动弹模量
• 5.3.2 永久变形
• 5.3.3 临界应力
• 5.4 级配碎石材料本构模型
• 5.4.1 Dunlap模型
• 5.4.2 K-θ模型
• 5.4.3 体积剪切模量模型
• 5.4.4 Drucker-Prager材料
• 5.5 结论
• 第6章 无碴轨道过渡段结构动力学性能分析
• 6.1 引言
• 6.2 问题的描述
• 6.3 计算参数
• 6.3.1 钢轨
• 6.3.2 轨下胶垫和扣件
• 6.3.3 轨道板
• 6.3.4 CA砂浆层
• 6.3.5 混凝土承载层
• 6.3.6 级配碎石或级配砂砾石层
• 6.3.7 其它参数
• 6.3.8 边界条件处理
• 6.4 移动载荷作用下无碴轨道过渡段路基的动态响应分析
• 6.4.1 匀速恒力
• 6.4.2 速度大小的影响
• 6.4.3 载荷大小的影响
• 6.4.4 材料特性的影响
• 6.5 高速车辆通过不平顺地段时的动力响应
• 6.5.1 不平顺处理
• 6.5.2 竖向高低长波不平顺的速度影响
• 6.5.3 竖向上“凸”或下“凹”长波不平顺的影响
• 6.6 实测结果分析
• 6.6.1 秦沈线过渡段台尾路基动响应实测结果
• 6.6.2 秦沈线钢轨伸缩调节器实测结果
• 6.7 结语
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文研究工作的总结
• 7.2 今后研究工作的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 致谢