地铁无碴轨道整体道床病害理论分析及有限元模拟

论文摘要

整体道床是一种新型轨下基础结构形式,具有稳定性好、轨道平顺性高、刚度均匀性好、少维修等优点。随着我国高速铁路和城市地下交通建设的快速发展,无碴轨道整体道床的应用将越来越广泛。但受列车振动、结构性能、水文地质、施工质量等方面的影响,一旦出现道床混凝土下沉破损等病害,将给轨道维修带来更大的困难和更高的维修费用。本文从现场观测、理论研究、数值模拟三方面对无碴轨道整体道床病害进行了研究,主要研究内容和成果如下:(1)建立了地铁无碴轨道下沉破损病害力学分析模型。该模型考虑了轨道结构各组成部分,将列车荷载简化为集中荷载,钢轨、道床混凝土结构模拟为层状梁,将病害模拟为回填层的抗力系数的减少或去掉空洞部分弹性基础支撑的方法来进行模拟。通过一定的假定与简化建立了双层弹性地基梁的无碴轨道病害力学分析模型。(2)推导和求解了无碴轨道病害力学分析模型的四级微分方程。利用MATLAB软件编写计算程序,对无碴轨道整体道床进行了不同工况下的力学分析,并得出:当回填层抗力系数小于500MPa/m时必须做相应加强处理、病害位置发生在道床板跨中0.5m范围下时,对整个道床结构的影响最大、在病害范围接近0.5m时沉降变形达20mm,随着病害范围继续扩大将超出了安全范围等结论。并通过与文献数据及现场观测数据对比验证了模型的正确性。(3)利用大型有限元软件ABAQUS,建立了三维无碴轨道病害有限元分析模型,对无碴轨道在不同病害影响系数及不同病害状态进行模拟分析。根据计算结果得出:当回填层抗力系数逐渐降低时,轨道板底部拉应力逐渐增大;当病害区域在0.3m~0.5m时,道床板结构已处病害极限状态,必须对轨道结构进行病害整治处理和监测。从本文模拟结果与计算结果来看,两者有一定的吻合性,但三维无碴轨道病害有限元分析模型更好地模拟了整体道床实际的受力情况,所得到的应力值、应力分布与沉降变形值更接近实际情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外无碴轨道技术研究及发展现状
• 1.2.1 无碴轨道整体道床结构的特点
• 1.2.2 国外无碴轨道整体道床常见的基本结构形式
• 1.2.3 我国无碴轨道整体道床常见的基本结构形式
• 1.3 无碴轨道整体道床结构病害现状
• 1.4 整体道床病害理论研究现状
• 1.4.1 静力计算理论
• 1.4.2 动力计算理论
• 1.4.3 整体道床病害数值研究现状
• 1.5 我国无碴轨道整体道床病害研究存在的问题
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 无碴轨道病害力学建模
• 2.1 地基模型的选择
• 2.2 文克尔模型基本原理
• 2.3 无碴轨道病害模型的建立
• 2.3.1 无碴轨道单层弹性地基梁模型
• 2.3.2 无碴轨道病害双层连续弹性地基梁模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 无碴轨道结构病害的力学分析
• 3.1 无碴轨道病害计算模型及参数
• 3.1.1 无碴轨道双层地基梁模型及其通解
• 3.1.2 无碴轨道双层地基梁计算模型的参数
• 3.2 无碴轨道病害参数影响分析
• 3.2.1 计算工况
• 3.2.2 计算结果
• 3.2.3 数据分析
• 3.3 无碴轨道病害状态影响分析
• 3.3.1 计算工况
• 3.3.2 病害区大小对道床结构的影响分析
• 3.3.3 病害区位置对道床结构的影响分析
• 3.3.4 数据分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于ABAQUS 的无碴轨道病害有限元分析
• 4.1 有限元方法和ABAQUS软件简介
• 4.1.1 有限元方法的分析过程
• 4.1.2 ABAQUS有限元软件简介
• 4.2 整体道床有限元分析模型的建立
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 模型中的接触处理与边界条件
• 4.2.3 模型的计算参数
• 4.3 有限元软件模拟结果
• 4.3.1 病害参数影响分析
• 4.3.2 病害状态影响分析
• 4.4 数据分析与比较
• 4.4.1 病害参数影响数据分析
• 4.4.2 病害状态影响数据分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文的主要工作与结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文