高速鐵路無(wú)碴軌道過(guò)渡段路基的動(dòng)力特性研究.pdf

1、武廣客運(yùn)專線要求全線鋪設(shè)無(wú)碴軌道，與普通線路的有碴軌道相比，對(duì)路基的變形要求更嚴(yán)、更高，工后沉降不能超過(guò)30mm，甚至要求地基為“零沉降”，任意路基地段20m長(zhǎng)度范圍的不均勻沉降不得大于20mm/20m，路橋(涵、隧)過(guò)渡段或任意兩段路基沉降造成的折角不得大于1/1000，沉降差異造成的錯(cuò)臺(tái)不大于5mm。因此，無(wú)碴軌道過(guò)渡段的剛度值平穩(wěn)變化以及減少差異沉降和控制軌面彎折變形等措施，是保證線路平順性的關(guān)鍵。由于線路過(guò)渡段剛度值不連續(xù)、差異

2、沉降、軌面彎折的存在，將使路面在臺(tái)背回填土處發(fā)生沉陷或開(kāi)裂，從而會(huì)破壞線路的平順、危害行車安全，并影響到旅客乘車的舒適度。隨著我國(guó)高速鐵路無(wú)碴軌道的建設(shè)，對(duì)過(guò)渡段問(wèn)題的重視就顯得比以前更為重要，本文基于國(guó)內(nèi)外過(guò)渡段的研究現(xiàn)狀，結(jié)合博士點(diǎn)基金項(xiàng)目和鐵道部科技攻關(guān)課題，通過(guò)理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬等方法，對(duì)無(wú)碴軌道路-橋-隧過(guò)渡段結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力計(jì)算模型進(jìn)行了深入的探討，取得了以下幾方面的主要研究成果和結(jié)論： (1)基于

3、D’Alembert原理的弱變分和整體Lagrange格式，建立了無(wú)碴軌道路-橋-隧過(guò)渡段半無(wú)限三維空間動(dòng)力有限元計(jì)算模型。該模型視路-橋-隧過(guò)渡段結(jié)構(gòu)為一個(gè)相互作用的整體，不同的結(jié)構(gòu)采用不同的單元離散，其中，地基層采用無(wú)限元，以消除邊界效應(yīng)的影響。不同材料接觸面之間相互耦合，無(wú)相對(duì)位移。該模型充分地考慮了系統(tǒng)的空間、時(shí)變、耦合特性及路-橋-隧過(guò)渡段的設(shè)計(jì)斷面和設(shè)計(jì)參數(shù)，可提供無(wú)碴軌道路-橋-隧過(guò)渡段系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)程及動(dòng)態(tài)響應(yīng)場(chǎng)分布等

4、，具有合理選擇無(wú)碴軌道過(guò)渡段設(shè)計(jì)參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)動(dòng)力性能等功能，從而為高速鐵路無(wú)碴軌道過(guò)渡段系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論分析依據(jù)。 (2)基于 Timoshenko梁假設(shè)和剛體力學(xué)理論，建立了各種不同性質(zhì)的單元耦合約束方程，并使用Lagrange增廣法，對(duì)其進(jìn)行了有效的處理，很好地解決了無(wú)碴軌道路-橋-隧過(guò)渡段結(jié)構(gòu)系統(tǒng)因相互銜接而引起的建模問(wèn)題。 (3)材料變形特性的計(jì)算模型采用了線性、非線性彈性、Drucker-Prage

5、r、混凝土彈塑性等本構(gòu)模型；車輛系統(tǒng)與無(wú)碴軌道路-橋-隧過(guò)渡段系統(tǒng)之間的耦合作用，是通過(guò)垂向平面內(nèi)對(duì)外力輸入來(lái)進(jìn)行的。整體剛度矩陣方程的求解采用Newmark隱式積分法進(jìn)行，因計(jì)算模型中包含有大量的耦合約束方程，采用了波前求解器和縮減法求解器。 (4)利用道床荷載“錐體分布”和“質(zhì)量-彈簧-阻尼”理論，獲得了過(guò)渡段結(jié)構(gòu)等效剛度及剛度變異閾值的一般列式，并對(duì)過(guò)渡段兩側(cè)等效剛度進(jìn)行了仔細(xì)討論，進(jìn)而指出過(guò)渡段剛度小的一側(cè)剛度取值不僅與

6、過(guò)渡段剛性大一側(cè)的材料屬性有關(guān)，而且還與其自身的材料屬性有關(guān)，除此之外，還與其兩側(cè)不平順波的振幅、波長(zhǎng)和車速有關(guān)。 (5)引入小波分析和現(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)頻分析，獲取了路基面動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)加速度、動(dòng)應(yīng)力速度動(dòng)力系數(shù)變化特征，進(jìn)而提出了各類過(guò)渡段都存在相應(yīng)“臨界速度”，并指出過(guò)渡段路基合適的“超高”填筑可以減小過(guò)渡段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 (6)通過(guò)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石層各種性能的試驗(yàn)分析，得出級(jí)配碎石摻入5％～5.5％水泥劑量是合適的，

7、能滿足過(guò)渡段各類功能的要求。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)不同級(jí)配碎石都存在一個(gè)動(dòng)應(yīng)力的臨界值，此時(shí)動(dòng)彈模量最大。 (7)運(yùn)用無(wú)碴軌道路-橋-隧過(guò)渡段耦合動(dòng)力學(xué)理論，建立了高速鐵路路-橋-隧過(guò)渡段與無(wú)碴軌道相互作用的動(dòng)力學(xué)模型，研究了輪重、車速、不平順和材料特性與無(wú)碴軌道過(guò)渡段結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相互作用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，并指明了在車輛移動(dòng)荷載作用下，確定過(guò)渡段軌下結(jié)構(gòu)型式、不平順、材料特性、基床表層厚度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分布、傳遞特征、路堤本體工后沉降以及剛度值差異、