无砟—有砟轨道过渡段竖向动力性能研究

论文摘要

无砟—有砟轨道过渡段广泛存在于路桥、路隧连接地段,随着高速铁路与客运专线的飞速发展,这一问题得到了足够的重视。无砟与有砟轨道结构形式差异巨大,首先,势必造成无砟—有砟轨道过渡段在力学性能方面的刚度差效应。轨道刚度差达到一定程度,将会造成钢轨较大挠度差,随着通过总重增加将会形成轨面不平顺,而轨面不平顺会加剧轮轨系统冲击,形成恶性循环;其次,新线建设铺轨之后,无砟与有砟轨道存在不同工后沉降,差异沉降形成的轨面不平顺同样使得无砟—有砟轨道过渡段列车运行舒适性、平稳性、安全性降低。因此,我们应在尽量减小无砟与有砟轨道工后差异沉降基础上,设置合理长度的轨道刚度过渡段。本文进行的就是对CRTSⅠ板式无砟轨道与有砟轨道过渡段的车辆—轨道系统竖向振动性能的研究。根据无砟—有砟轨道过渡段实际结构形式,取半宽轨道进行研究。无砟轨道采用双层叠合梁有限元模型,钢轨被模拟成粘弹性点支承Euler长梁,轨道板被模拟成连续粘弹性支承Euler自由短梁。有砟轨道采用三层弹性点支承有限元模型,不考虑道床剪切作用。单个车辆采用6自由度多刚体组合模型,完成了多个车辆运行模拟。运用轮轨密贴假定实现车轮与轨道的位移衔接,应用弹性系统总势能不变值原理和形成矩阵的“对号入座”法则建立系统竖向振动有限元方程,并采用Fortran语言编制了计算分析程序。将确定周期性正弦不平顺做为系统激振源进行计算分析,输出了主要动力响应时程,验证了本文程序的可行性与正确性。应用分析模型研究了轨道刚度比、行车速度、轨面不平顺、行车方向对系统动力学影响,验证了过渡段设置的必要性,查明了过渡段轨面不平顺产生的根本原因,同时获得了轨道连接段轨下主要参数的最优取值范围。对比研究了过渡段刚度过渡设置方式,评价了多种参数设置形式对钢轨挠度差的改良效果,基本达到了减小轮轨系统冲击的目的。根据过渡段工后差异沉降大小,采用半波长余弦函数模拟轨面线形,根据不同行车速度,运用参数影响分析方法初步确定了过渡段的合理长度。本文最后结合上述分析并参照国内外现有的过渡段结构形式,提出了几种过渡段的结构设计方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高速铁路有砟轨道研究现状
• 1.2.1 高速铁路有砟轨道修建规模
• 1.2.2 高速铁路有砟轨道特点及过渡段处理
• 1.3 高速铁路无砟轨道研究现状
• 1.3.1 国内外无砟轨道建设概况
• 1.3.2 高速铁路无砟轨道特点及过渡段刚度匹配
• 1.4 高速铁路无砟—有砟轨道过渡段研究现状
• 1.4.1 高速铁路无砟—有砟轨道过渡段研究现状
• 1.4.2 高速铁路车辆与轨道动力评价指标
• 1.5 车辆—轨道系统动力学发展状况
• 1.5.1 国内外有砟轨道结构动力学研究现状
• 1.5.2 国内外无砟轨道结构动力学研究现状
• 1.6 本文宗旨与研究思路
• 1.7 本章小结
• 第二章 车辆—轨道系统竖向振动模型及方程建立
• 2.1 车辆—轨道系统竖向振动分析模型
• 2.1.1 车辆竖向振动分析模型
• 2.1.2 轨道过渡段轨道竖向振动分析模型
• 2.1.3 轨道过渡段系统竖向振动分析模型
• 2.2 车辆—轨道系统竖向振动方程建立
• 2.2.1 车辆总势能计算及车辆单元矩阵
• 2.2.2 轨道系统总势能计算
• 2.3 系统振动有限元方程及轮轨力计算
• 2.3.1 系统振动有限元方程
• 2.3.2 轮轨力计算
• 2.4 本章小结
• 第三章 车辆—轨道时变系统竖向振动求解
• 3.1 车辆—轨道时变系统竖向振动求解流程
• 3.2 计算参数
• 3.3 计算结果
• 3.4 砂浆与道床刚度对轨道动力性能影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 不同行车条件下过渡段系统动力性能分析
• 4.1 轨道刚度差对系统动力性能的影响
• 4.1.1 有砟段路基支承刚度对系统动力性能影响
• 4.1.2 无砟段扣件支承刚度对系统动力性能的影响
• 4.2 行车速度对系统动力性能的影响
• 4.3 轨面不平顺对系统动力性能的影响
• 4.3.1 轨道连接处差异沉降模拟
• 4.3.2 轮轨冲击形成的不平顺对系统动力性能的影响
• 4.4 行车方向对系统动力性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 无砟—有砟轨道过渡段设计研究
• 5.1 无砟—有砟轨道刚度过渡形式
• 5.1.1 有砟侧路基支承刚度过渡
• 5.1.2 辅助轨过渡设置
• 5.1.3 无砟侧高弹性扣件与板下胶垫
• 5.2 无砟—有砟轨道过渡段设置长度
• 5.2.1 差异沉降2cm时的过渡段长度
• 5.2.2 差异沉降5cm时的过渡段长度
• 5.3 本章小结
• 第六章 无砟—有砟轨道过渡段处理工程措施
• 6.1 有砟侧路基支承刚度的增强
• 6.1.1 无砟侧混凝土底座向有砟侧延伸
• 6.1.2 过渡板法
• 6.1.3 基床表层铺设沥青混凝土（HMA）
• 6.2 有砟侧道床刚度的增强
• 6.2.1 过渡段有砟侧采用铺砌轨道
• 6.2.2 过渡段有砟侧轨枕长度渐变
• 6.3 增强过渡段钢轨抗弯刚度
• 6.4 过渡段无砟轨道刚度的减小
• 6.5 无砟—有砟轨道过渡段综合处理措施
• 第七章 结论及展望
• 7.1 本文完成的主要工作
• 7.2 今后须努力的方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果