高速铁路桥上无缝道岔伸缩力及列车—道岔—桥梁系统空间振动研究

论文摘要

无缝道岔和桥上无缝线路是高速、重载铁路强化轨道结构的关键技术。其力学机理比较复杂，历来是铁路现代化技术研究中的热点和难点。新建铁路和城市高架线路，由于受到地形或环保等条件的制约，不可避免的要将无缝道岔铺设在桥上。桥上无缝道岔的出现产生了两个新的研究领域，即桥上无缝道岔纵向附加力与位移研究以及列车—道岔—桥梁系统动力学研究。由于桥上无缝道岔结构的复杂性，其力学机理比之路基无缝道岔和桥上无缝线路更为复杂，将成为我国大力发展跨区间无缝线路过程中的又一关键技术。目前，我国还没有在桥上铺设无缝道岔的工程经验，相关的理论储备也非常少。为了用科学韵理论指导未来的工程实践，本文进行了如下一些开创性的理论研究：（1）针对有碴轨道结构，将道岔、桥梁和墩台视为一个系统，建立了计算桥上无缝道岔（渡线）伸缩力与位移的有限元力学模型。梁体和钢轨划分杆单元；岔枕划分为弹性点支承梁单元；固定支座处桥梁墩台视为线性弹簧单元；道床纵向阻力、扣件纵向阻力、扣件阻矩、限位器阻力、间隔铁阻力用非线性弹簧模拟。根据能量变分原理和形成矩阵的“对号入座”法则建立了模型求解的非线性方程组。基于科学计算语言MATLAB编制了相应的计算程序，并实现了计算机运算。（2）运用所建立的桥上无缝道岔（渡线）伸缩力与位移计算模型，分析了简支梁桥上无缝道岔、连续梁桥上无缝道岔、连续刚构桥上无缝道岔以及连续梁桥上无缝渡线的伸缩力与位移的分布规律；将桥上无缝道岔、路基无缝道岔、桥上无缝线路伸缩力与位移的分布规律进行了对比，研究了其变化规律；研究了影响桥上无缝道岔伸缩力与位移的参数，如轨温变化幅度、梁温差、扣件阻力、道床阻力、限位器间隙、岔枕抗弯刚度、限位器位置、梁跨长度、桥墩刚度等，并对参数的合理取值提出了建议。（3）针对有碴轨道结构，运用有限单元法，建立了多层支承体系的线路结构空间振动模型。对于路基区间线路，采用钢轨—轨枕—道床弹簧-阻尼振动模型；对于路基岔区线路，采用钢轨—岔枕弹簧-阻尼振动模型；对于桥上区间线路和桥上岔区线路，采用钢轨—轨枕／岔枕—桥梁弹簧-阻尼振动模型。运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则建立了车辆空间振动方程组、路基区间线路结构空间振动方程组、桥上区间线路结构空间振动方程组、路基岔区线路结构空间振动方程组、桥上岔区线路结构空间振动方程组。基于科学计算语言MATLAB编制了列车—轨道系统、列车—轨道—桥梁系统、列车—道岔系统以及列车—道岔—桥梁系统空间振动分析程序。利用已有的试验结果和研究成果对模型的有效性进行了验证。（4）利用所建立的列车—道岔—桥梁系统空间振动模型，以温福客运专线田螺大桥为例，拟定桥上铺设了由两组38号道岔组成的单渡线，计算了“中华之星”电动车组，按一动四拖的编组方式，分别以200km／h和120km／h的速度直逆向和侧向通过时，列车—道岔—桥梁系统空间振动的动力响应，并与列车通过路基无缝道岔和桥上无缝线路的动力响应进行了对比，研究了系统响应的变化规律。（5）以温福客运专线田螺大桥为例，分析了影响列车—道岔—桥梁系统空间振动的因素，如列车运行速度、轨下竖向刚度、枕下竖向均布刚度、轨下横向刚度、枕下横向均布刚度、道岔区竖向不平顺幅值、桥梁高度、桥梁宽度、桥墩高度等，并对参数的合理取值提出了建议。本文的研究成果对桥上无缝道岔的设计、施工和养护具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 世界高速铁路发展概况
• 1.2 无缝道岔温度力与位移研究概况
• 1.3 车辆—道岔系统动力学研究概况
• 1.4 桥上无缝线路纵向附加力研究概况
• 1.5 列车—轨道—桥梁系统动力学研究概况
• 1.5.1 桥梁现场试验研究
• 1.5.2 理论研究
• 1.6 桥上无缝道岔伸缩力与位移研究现状
• 1.7 列车—道岔—桥梁系统动力学研究现状
• 1.8 研究思路
• 1.9 本文的主要研究内容
• 第二章 桥上无缝道岔伸缩力与位移研究
• 2.1 引言
• 2.2 计算模型及基本假设
• 2.3 有限元方程组的建立与求解
• 2.3.1 钢轨和梁体单元压缩变形能及其一阶变分
• 2.3.2 轨枕单元弯曲变形能及其一阶变分
• 2.3.3 各弹簧单元压缩变形能及其一阶变分
• 2.4 计算参数的取值
• 2.4.1 道床纵向阻力
• 2.4.2 扣件纵向阻力
• 2.4.3 梁体温差
• 2.4.4 间隔铁阻力
• 2.4.5 限位器阻力
• 2.5 简支梁桥上无缝道岔伸缩力与位移研究
• 2.5.1 计算工况1
• 2.5.2 计算工况2
• 2.5.3 参数研究
• 2.5.4 计算结果分析
• 2.6 连续梁桥上无缝道岔伸缩力与位移研究
• 2.6.1 计算工况1—不设钢轨伸缩调节器
• 2.6.2 计算工况2—钢轨伸缩调节器置于道岔前端
• 2.6.3 计算工况3—钢轨伸缩调节器置于道岔后端
• 2.6.4 参数研究
• 2.6.5 计算结果分析
• 2.7 连续刚构桥上无缝道岔伸缩力与位移研究
• 2.7.1 计算工况1—不设钢轨伸缩调节器
• 2.7.2 计算工况2—钢轨伸缩调节器置于道岔前端
• 2.7.3 计算工况3—钢轨伸缩调节器置于道岔后端
• 2.7.4 计算结果分析
• 2.8 连续梁桥上无缝渡线伸缩力与位移研究
• 2.8.1 计算工况1—不设钢轨伸缩调节器
• 2.8.2 计算工况2—连续梁一端设钢轨伸缩调节器
• 2.8.3 计算工况3—连续梁两端设钢轨伸缩调节器
• 2.8.4 计算结果分析
• 2.9 小结
• 第三章 列车—道岔—桥梁系统空间振动模型的建立及求解
• 3.1 引言
• 3.2 车辆空间振动模型
• 3.2.1 车辆空间振动模型的选择
• 3.2.2 车辆空间振动总势能的计算
• 3.2.3 车辆有限元形式运动方程的建立
• 3.3 区间线路结构空间振动模型
• 3.3.1 轨道振动分析模型的发展概况
• 3.3.2 区间线路结构空间振动模型的选择
• 3.3.3 区间线路结构有限元形式运动方程的建立
• 3.4 道岔区线路结构空间振动模型
• 3.4.1 道岔区线路结构的特点
• 3.4.2 道岔区线路结构空间振动模型的选择
• 3.4.3 道岔区线路结构有限元形式运动方程的建立
• 3.5 轮轨相互作用的处理
• 3.5.1 轮轨垂向力的处理
• 3.5.2 轮轨蠕滑力的处理
• 3.5.3 轮缘力的处理
• 3.5.4 护轨横向冲击力的处理
• 3.6 列车—线路系统运动方程的建立及求解
• 3.7 列车—线路系统振动激励模型
• 3.7.1 轨道随机不平顺
• 3.7.2 道岔区结构垂向不平顺
• 3.7.3 道岔区横向不平顺
• 3.8 列车—道岔—桥梁系统振动分析程序设计
• 3.9 小结
• 第四章 列车—道岔—桥梁系统空间振动模型有效性验证
• 4.1 引言
• 4.2 列车—轨道系统空间振动模型有效性验证
• 4.3列车—轨道—桥梁系统空间振动模型有效性验证
• 4.4 列车—道岔系统空间振动模型有效性验证
• 4.4.1 计算参数的确定
• 4.4.2 测试结果与计算结果比较
• 4.5 小结
• 第五章 列车—道岔—桥梁系统空间振动特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 列车运行安全性和舒适性及其评定标准
• 5.2.1 脱轨系数及其评定标准
• 5.2.2 轮重减载率及其评定标准
• 5.2.3 轮轨横向力的限制标准
• 5.2.4 尖轨和心轨开口量限制标准
• 5.2.5 列车运行舒适性评定标准
• 5.3 列车直逆向过岔时列车—道岔—桥梁系统空间振动特性
• 5.4 列车侧向过岔时列车—道岔—桥梁系统空间振动特性
• 5.5 小结
• 第六章 列车—道岔—桥梁系统空间振动影响因素分析
• 6.1 引言
• 6.2 直逆向过岔速度的影响
• 6.3 轨下竖向刚度的影响
• 6.4 枕下竖向均布刚度的影响
• 6.5 桥梁高度的影响
• 6.6 道岔区竖向不平顺幅值的影响
• 6.7 侧向过岔速度的影响
• 6.8 轨下横向刚度的影响
• 6.9 枕下横向均布刚度的影响
• 6.10 桥梁宽度的影响
• 6.11 桥墩高度的影响
• 6.12 小结
• 第七章 结论及展望
• 7.1 本文完成的工作与结论
• 7.2 本文的主要创新之处
• 7.3 今后努力的方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果