（車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)論文）鐵路有砟軌道下沉及高低不平順發(fā)展預(yù)測(cè)研究.pdf

西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 摘要 隨著鐵路向高速、重載方向發(fā)展，有砟軌道在列車(chē)動(dòng)荷載作用下承受的 振動(dòng)與沖擊增加，軌道破壞速度加劇，線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修工作量增加，而可供養(yǎng) 護(hù)維修作業(yè)的時(shí)間越來(lái)越少，出現(xiàn)了運(yùn)輸和養(yǎng)護(hù)維修之間的矛盾。如何更好 地處理這一矛盾，是現(xiàn)代鐵路軌道養(yǎng)護(hù)維修管理亟待解決的問(wèn)題。高( 快) 速行車(chē)條件下，及時(shí)了解和掌控軌道狀態(tài)及其變化規(guī)律，合理制訂一套能有 效處理運(yùn)輸和養(yǎng)護(hù)維修之間矛盾的管理體系是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)和必然要求， 而我國(guó)在軌道管理方面，無(wú)論是基礎(chǔ)理論研究還是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用與國(guó)外鐵路 發(fā)達(dá)國(guó)家相比，都存在一定差距。因此，在我國(guó)高( 快) 速鐵路大力發(fā)展之 際，不失時(shí)機(jī)地開(kāi)展軌道管理基礎(chǔ)研究工作，具有重要意義。 本文在簡(jiǎn)要概述國(guó)內(nèi)外鐵路軌道維修管理狀況、軌道管理基礎(chǔ)理論研究 與應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及車(chē)輛一軌道耦合動(dòng)力學(xué)研究歷史和現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，針對(duì)鐵 路車(chē)輛、軌道、線(xiàn)路基礎(chǔ)間的動(dòng)態(tài)相互作用問(wèn)題，提出將車(chē)輛一軌道耦合振 動(dòng)系統(tǒng)與軌道下沉變形相結(jié)合，以車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、軌道動(dòng)力學(xué)、軌道下沉變形 機(jī)理為基礎(chǔ)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法研究鐵路軌道在車(chē)輛移動(dòng)荷載作用下 的下沉變形以及由此產(chǎn)生的軌道不平順動(dòng)態(tài)變化，預(yù)測(cè)軌道不平順發(fā)展的研 究思路。軌道累積下沉計(jì)算模型與車(chē)輛一軌道耦合振動(dòng)模型是軌道累積下沉 及不平順發(fā)展仿真預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。為此，本文總結(jié)分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有軌道下沉 模型及其特點(diǎn)，為選擇合適的模型作為仿真分析之用奠定了基礎(chǔ)。 軌道不平順發(fā)展是衡量軌道下沉破壞的重要指標(biāo)之一。本文對(duì)軌道不平 順含義、分類(lèi)及軌道不平順有關(guān)特性闡述基礎(chǔ)上，著重總結(jié)了軌道不平順管 理標(biāo)準(zhǔn)、不平順發(fā)展預(yù)測(cè)兩方面的研究狀況及存在的問(wèn)題。在對(duì)國(guó)內(nèi)外軌道 高低不平順發(fā)展預(yù)測(cè)研究方法總結(jié)基礎(chǔ)上，提出了基于軌道下沉和軌面高低 不平順發(fā)展間關(guān)系的高低不平順發(fā)展預(yù)測(cè)模型。 基于車(chē)輛一軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論思想，建立了具有二系懸掛的整車(chē)車(chē)輛一 軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型。模型中軌道采用三層彈性離散點(diǎn)支承梁模型，能 充分反映道床的動(dòng)力影響和模擬道床板結(jié)、軌枕空吊等局部動(dòng)力性不平順的 影響。通過(guò)仿真算例，驗(yàn)證了車(chē)輛軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型和仿真程序的 正確性。 基于京廣線(xiàn)k 8 0 + 0 0 0 k 1 6 0 + 0 0 0 區(qū)間軌道不平順動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)軌道動(dòng)態(tài)不平順進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。以高低不平順為例，研 第1 i 頁(yè)西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 究了軌道不平順的概率分布特征。分析了軌道不平順區(qū)段最大值和區(qū)段標(biāo)準(zhǔn) 差問(wèn)相關(guān)關(guān)系以及不同單元區(qū)段劃分長(zhǎng)度對(duì)兩者相關(guān)關(guān)系的影響。再現(xiàn)了實(shí) 際軌道不平順發(fā)展變化規(guī)律，分析了不同軌道結(jié)構(gòu)條件、線(xiàn)路基礎(chǔ)條件以及 運(yùn)營(yíng)條件對(duì)軌道不平順狀態(tài)、概率分布及其發(fā)展變化的影響。在上述統(tǒng)計(jì)分 析基礎(chǔ)上，分析討論了基于不平順概率分布特征的不平順發(fā)展統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方 法，比較了幾種統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)效果和預(yù)測(cè)精度，分析了狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率 矩陣法在不平順發(fā)展預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用。根據(jù)軌道狀態(tài)發(fā)展變化規(guī)律，建立了 軌道狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)性發(fā)展預(yù)測(cè)模型，通過(guò)算例，分析了預(yù)測(cè)模型的可行性。 應(yīng)用軌道動(dòng)態(tài)下沉研究方法，通過(guò)將車(chē)輛軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型、 軌道下沉模型和高低不平順發(fā)展模型相聯(lián)系開(kāi)發(fā)仿真程序，分析了有砟軌道 動(dòng)態(tài)下沉特性，探討了有砟軌道下沉主要影響參數(shù)，提出在有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)中要考慮軌道下沉變形影響。 軌道累積下沉和高低不平順發(fā)展間存在一定關(guān)系。以既有線(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)參 數(shù)、運(yùn)營(yíng)條件為仿真參數(shù)，利用仿真分析程序，分析了實(shí)際線(xiàn)路軌道不平順 發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展變化規(guī)律，并與實(shí)測(cè)狀況進(jìn)行了對(duì)照，驗(yàn)證了仿真預(yù)測(cè)方法 的可行性。 關(guān)鍵詞：鐵路軌道；軌道管理；軌道下沉；車(chē)輛一軌道耦合動(dòng)力學(xué)；軌道不 平順；統(tǒng)計(jì)分析；發(fā)展預(yù)測(cè) 西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文第1 h 頁(yè) a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e da n dh e a v yr a i l w a y s ，b a l l a s t e dt r a c k se n d u r e m o r ev i b r a t i o na n di m p a c t u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t r a c kd e t e r i o r a t i o ns p e e d q u i c k e n sa n dt r a c k m a i n t e n a n c ew o r k l o a di n c r e a s e s b u tt h et i m ef o r m a i n t e n a n c eb e c o m e sm o r ea n dm o r ef e w t h u s ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n t r a n s p o r t a t i o na n dm a i n t e n a n c ea p p e a r s i t i sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt h a th o w s o l v e st h i sc o n t r a d i c t i o nw e l lf o rr a i l w a yt r a c km a n a g e m e n t t h e s ea r et h e t e n d e n c ya n dr e q u e s t s f o rt i m ed e v e l o p m e n tt ou n d e r s t a n da n dm a s t e rt r a c k s t a t e sa n dc h a n g el a w so ft r a c ks t a t e sp r o m p t l ya n dt ow o r ko u tas e to f m a n a g e m e n ts y s t e m t h em a n a g e m e n ts y s t e m c a nh e l pt od e a lw i t ha b o v e c o n t r a d i c t i o nw e l l h o w e v e r ，r e g a r d l e s so ft h eb a s i ct h e o r yr e s e a r c ho rs t u d i e s o nd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h e r ea r e l a r g eg a p se x i s t i n ga m o n gh o m ea n do v e r s e a sw h o s er a i l w a y sh a v ed e v e l o p e d t h e r e f o r e i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oc o m m e n c ei n s t a n t a n e o u s l yt h eb a s i cs t u d yo n t r a c km a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a t t h ef a s ta n d h i g h - s p e e dr a i l w a y sd e v e l o pv i g o r o u s l ya th o m e t h i st h e s i sb r i e f l yr e v i e w st h ed o m e s t i ca n da b r o a dr a i l w a ym a i n t e n a n c ea n d m a n a g e m e n ts u r v e y , t h e b a s i c t h e o r y r e s e a r c ha n dt h e e x p l o i t a t i o n o f i n f o r m a t i o ns y s t e mf o rt r a c km a n a g e m e n t ，t h eh i s t o r ya n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n o ft h ev e h i c l e t r a c kc o u p l e dd y n a m i c s o nt h eb a s i so fa b o v es t u d i e s ，d i r e c t e da t t h ed y n a m i cr e c i p r o c i t yb e t w e e nr a i l w a yv e h i c l e ，t r a c ka n dt r a c kb a s e ，t h et h e s i s p r o p o s e st h ef o l l o w i n gr e s e a r c ht h i n k i n g t h a tt h ev e h i c l e t r a c kc o u p l e dv i b r a t i o n s y s t e ma n dt r a c ks e t t l e m e n ta r ec o m b i n e d ，r e g a r d i n gt h ev e h i c l ed y n a m i c s ，t h e t r a c kd y n a m i c sa n dt h et r a c ks e t t l e m e n tl a wa sf o u n d a t i o n s ，t h et r a c ks e t t l e m e n t d u et om o v i n gl o a d so fr a i l w a yv e h i c l e sa n dt h ed y n a m i cc h a n g e so ft r a c k i r r e g u l a r i t yc a nb es t u d i e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h et r a c ks e t t l e m e n t m o d e la n dt h ev e h i c l e t r a c kc o u p l e dd y n a m i c sm o d e la r et h eb a s e sf o rs t u d i e s o nt r a c ka c c u m u l a t i v es e t t l e m e n ta n dg r o w t hf o r e c a s to ft r a c ki r r e g u l a r i t y s o t h ee x i s t i n gt r a c ks e t t l e m e n tm o d e l sa th o m ea n da b r o a da r es u m m a r i z e da n d a n a l y z e dt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rs e l e c t i n ga p p r o p r i a t em o d e l sf o rs i m u l a t i o n t h eg r o w t ho ft r a c ki r r e g u l a r i t yi so n eo fi m p o r t a n tm e t h o d st oe v a l u a t et r a c k 第頁(yè)西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 s e t t l e m e n td e t e r i o r a t i o n o nt h eb a s i so fd e s c r i b i n gt h em e a n i n g s ，c l a s s i f ya n d c h a r a c t e r i s t i co ft r a c ki r r e g u l a r i t y , t h er e s e a r c hs u r v e ya n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m s a b o u tm a n a g e m e n ts t a n d a r d sa n dg r o w t hf o r e c a s to ft r a c k i r r e g u l a r i t y a r e s u m m a r i z e d a n do nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h em e t h o d sf o rt r a c ki r r e g u l a r i t y g r o w t hf o r e c a s ta th o m ea n da b r o a d ，t h eg r o w t hf o r e c a s tm o d e lf o rt r a c kv e r t i c a l p r o f i l ei r r e g u l a r i t y i s p r o p o s e d t h em o d e li s e s t a b l i s h e db a s e do nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a c ks e t t l e m e n ta n dt r a c kv e r t i c a lp r o f i l ei r r e g u l a r i t y g r o w t h t h ev e r t i c a lv e h i c l e t r a c k c o u p l e dd y n a m i c sm o d e lc o n s i d e r i n gs e c o n d a r y s u s p e n s i o ni se s t a b l i s h e db a s e do nt h ev e h i c l e t r a c kc o u p l e dd y n a m i c st h e o r y i n t h i sm o d e l t h et r a c ki sm o d e l e da sab e a ml a i do nt h r e el a y e rs u p p o r t sw h i c ha r e e l a s t i ca n dd i s c r e t e t h et r a c km o d e lc a nd i s p l a yt h ee f f e c to fl o c a l d y n a m i c i r r e g u l a r i t ys u c ha sb a l l a s th a r d e n i n g ，s l e e p e rh a n g i n go nt r a c kv i b r a t i o n s b y s i m u l a t i o n e x a m p l e s ，t h ev e h i c l e t r a c kc o u p l e dd y n a m i c sm o d e la n dt h e s i m u l a t i o np r o g r a ma r ev a l i d a t e d b a s e do nt h ed y n a m i cd a t ao ft r a c ki r r e g u l a r i t yi n s p e c t e db yt r a c k i n s p e c t i o n r a i l c a ro nt h ek 8 0 + 0 0 0 kl6 0 + 0 0 0 j i n g g u a n gr a i l w a yl i n e ，a p p l y i n gt h e s t a t i s t i c sm e t h o d ，t h ed e t a il e ds t a t i s t i c a n a l y s e so nt r a c ki r r e g u l a r i t ya r ed o n e t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft r a c ki r r e g u l a r i t yi s i n v e s t i g a t e d t a k i n gt h et r a c kv e r t i c a lp r o f i l ei r r e g u l a r i t ya se x a m p l e t h ec o r r e l a t i v i t yo f s e c t i o nm a x i m u ma n ds e c t i o ns t a n d a r dd e v i a t i o no ft r a c ki r r e g u l a r i t yi ss t u d i e d t h ei n f l u e n c e so fd if f e r e n ts e c t i o n l e n g t h so nt h ec o r r e l a t i v i t y o fs e c t i o n m a x i m u ma n ds e c t i o ns t a n d a r dd e v i a t i o no ft r a c ki r r e g u l a r i t ya r ea l s od i s c u s s e d t h ea c t u a lt r a c k i r r e g u l a r i t yg r o w t hl a w sa r ep r e s e n t e du s i n gt h ei n s p e c t e d i r r e g u l a r i t yd a t a t h ei n f l u e n c e so ft r a c ks t r u c t u r ec o n d i t i o n s ，r a i l w a yb a s e c o n d i t i o n sa n dr a i l w a yo p e r a t i o nc o n d i t i o n so ni r r e g u l a r i t ys t a t e s ，i r r e g u l a r i t y p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n sa n dc h a n g e so fi r r e g u l a r i t yp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o na r e a n a l y z e d o nt h eb a s i so fa b o v es t a t i s t i ca n a l y s e s ，t h es t a t i s t i cf o r e c a s tm e t h o d s b a s e do nt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft r a c k i r r e g u l a r i t y a r e d i s c u s s e d ，t h ef o r e c a s tf e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ev a l i d a t e db yc o m p a r i n g f o r e c a s tv a l u e sw i t hi n s p e c t e dd a t a t h ef o r e c a s te f f e c ta n df o r e c a s tp r e c i s i o no f d i f f e r e n ts t a t i s t i cf o r e c a s tm o d e l so fi r r e g u l a r i t yg r o w t ha r e c o m p a r e d ，a n dt h e a p p l i c a t i o no ft h es i t u a t i o nt r a n s i t i o np r o b a b i l i t ym a t r i xm e t h o di ni r r e g u l a r i t y g r o w t hf o r e c a s ti sa l s od i s c u s s e d b a s e do nt h ea c t u a lg r o w t hl a w s o ft r a c k 1 r r e g u l a r i t y , t h el o n g 。t i m eg r o w t hf o r e c a s tm o d e lo ft r a c ks t a t ei se s t a b i s h e d b v e x a m p l e s ，t h ef o r e c a s tf e a s i b i l i t yo fa b o v em o d e li sa n a l y z e d a p p l y i n gt h er e s e a r c hm e t h o do ft r a c kd y n a m i cs e t t l e m e n t ，b yc o m b i n i n gt h e v e h i c l e 。t r a c k c o u p l e dd y n a m i c sm o d e l ，t h et r a c ks e t t l e m e n tm o d e la n dt h e l r r e g u l a r i t yg r o w t hm o d e l ，t h es i m u l a t i o n p r o g r a mi sc o m p i l e d u s i n gt h e p r o g r a m ，t h ed y n a m i cs e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i co fb a l l a s t e dt r a c ki s a n a l y z e d ， a n dt h em a i ne f f e c tp a r a m e t e r so ft r a c k s e t t l e m e n ta r ea l s od i s c u s s e d t h e p r o p o s a ll sp u tf o r w a r dt h a tt r a c ks e t t l e m e n td e f o r m a t i o ns h o u l db ec o n s i d e r e d i nt h es t r u c t u r ed e s i g no f r a i l w a yb a l l a s t e dt r a c k 1h e r el sac e r t a i nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a c ka c c u m u l a t i v es e t t l e m e n ta n dt r a c k i r r e g u l a r i t yg r o w t h b yt a k i n gt h et r a c kp a r a m e t e r sa n dt r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o n s o fe x i s t i n gr a i l w a ym a i nl i n ea ss i m u l a t i o np a r a m e t e r s ，u s i n ga b o v es i m u l a t i o n p r o g r a m ，t h ea c t u a lg r o w t hs t a t ea n dt h eg r o w t hl a wo ft r a c kv e r t i c a l p r o f i l e i r r e g u l a r i t yo fe x i s t i n gr a i l w a ym a i nl i n ea r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h e a c t u a li n s p e c t i o nd a t a b yc o m p a r i n g ，t h ef o r e c a s tf e a s i b i l i t yo ft r a c k v e r t i c a l p r o f i l ei r r e g u l a r i t yg r o w t hb ys i m u l a t i o ni sv a l i d a t e d k e y w o r d s ：r a i l w a yt r a c k ；t r a c km a n a g e m e n t ；t r a c ks e t t l e m e n t ；v e h i c l e - t r a c kc o u p l e dd y n a m i c s ；t r a c ki r r e g u l a r i t y ；s t a t i s t i c a n a l y s i s ； g r o w t hf o r e c a s t 西南交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和 電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書(shū)； 2 不保密團(tuán)，適用本授權(quán)書(shū)。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“ ) 學(xué)位論文作者簽名：兩盔敞 指導(dǎo)教師簽名：軍孤 日期：私心年口月 日 日期：易伽汐年乃月日 西南交通大學(xué) 學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成 果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在本文中作了明 確的說(shuō)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本學(xué)位論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： 1 基于車(chē)輛、軌道和線(xiàn)路基礎(chǔ)間的動(dòng)態(tài)相互作用關(guān)系，提出將車(chē)輛 軌道耦合振動(dòng)系統(tǒng)同軌道下沉變形相結(jié)合，應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法研究鐵 路軌道在車(chē)輛移動(dòng)荷載作用下的下沉變形以及由此產(chǎn)生的軌道不平順動(dòng)態(tài) 發(fā)展變化的研究思路和方法( 論文2 2 節(jié)、3 2 節(jié)) 。在此基礎(chǔ)上，研究分析 了有砟鐵路軌道動(dòng)態(tài)下沉規(guī)律和軌道下沉變形對(duì)車(chē)輛軌道耦合振動(dòng)系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)影響( 論文第6 章) 。此研究在國(guó)內(nèi)屬首次。 2 基于既有線(xiàn)軌檢車(chē)幾何不平順檢測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理和方法， 對(duì)軌道動(dòng)態(tài)不平順進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究了軌道不平順的概率分布特性，討 論了基于不平順?lè)植己瘮?shù)特征的不平順發(fā)展統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法，比較了幾種預(yù)測(cè) 模型的預(yù)測(cè)效果和預(yù)測(cè)精度，探討了狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣法在不平順發(fā)展預(yù)測(cè) 方面的應(yīng)用，建立了軌道不平順長(zhǎng)時(shí)性發(fā)展統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型( 論文第5 章) 。 3 基于軌道下沉和軌面高低不平順發(fā)展間關(guān)系，以既有線(xiàn)軌道運(yùn)營(yíng) 條件為基礎(chǔ)，首次通過(guò)數(shù)值仿真手段分析了高低不平順發(fā)展規(guī)律，并與實(shí) 際檢測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比( 論文第7 章) ，為軌道不平順管理提供了有益參考。 學(xué)位論文作者簽名：商望斂 日期：炒方年o 月 西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 1 1 引言 第1 章緒論 自1 8 2 5 年英國(guó)修建世界上第一條鐵路以來(lái)，鐵路在世界范圍內(nèi)得到了 迅速發(fā)展，其技術(shù)條件已逐漸成熟和完善。進(jìn)入2 0 世紀(jì)，世界鐵路開(kāi)始向 著高速、重載方向發(fā)展【l 川。在世界鐵路大發(fā)展背景下，我國(guó)鐵路部門(mén)也逐 漸加大了鐵路建設(shè)、發(fā)展的力度。 鐵路客運(yùn)方面，除大力加強(qiáng)既有線(xiàn)技術(shù)改造以提高列車(chē)運(yùn)行速度外，還 于1 9 9 4 年1 2 月開(kāi)通了廣深準(zhǔn)高速鐵路，最高運(yùn)行速度達(dá)1 6 0 k m h ，后來(lái)又 引進(jìn)瑞典x 2 0 0 0 擺式列車(chē)，最高運(yùn)行速度提至2 0 0 k m h 。1 9 9 5 年6 月2 8 日， 鐵道部作出了在既有繁忙干線(xiàn)提速的重大決定，目標(biāo)是將旅客列車(chē)最高運(yùn)行 速度提高到1 4 0 1 6 0 k m h ，貨物列車(chē)的最高速度提高到8 5 - 9 0 k m h 瞄j 。自1 9 9 6 年到2 0 0 5 年，從滬寧線(xiàn)提速開(kāi)始，先后進(jìn)行了六次鐵路提速，逐漸實(shí)現(xiàn)了 上述目標(biāo) 5 | 。為研究發(fā)展我國(guó)的高速鐵路技術(shù)，1 9 9 9 年8 月開(kāi)工修建全長(zhǎng) 4 0 4 6 5 k m 的秦皇島一沈陽(yáng)的快速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，并于2 0 0 3 年1 0 月1 2 日正式開(kāi) 通運(yùn)營(yíng)。秦沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)是我國(guó)第一條開(kāi)通的時(shí)速1 6 0 k m h 以上的雙線(xiàn)電氣化 鐵路，其中有6 6 8 k m 的線(xiàn)路可作為3 0 0 k m h 的高速試驗(yàn)線(xiàn)。2 0 0 2 年1 1 月 2 7 日，在秦沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)上，國(guó)產(chǎn)“中華之星”試驗(yàn)列車(chē)創(chuàng)造了3 2 1 5 k m h 的中 國(guó)鐵路最高速度記錄，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始了高速鐵路建設(shè)、發(fā)展的新紀(jì)元。2 0 0 7 年1 月，遂渝線(xiàn)無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段通過(guò)2 0 0 k m 動(dòng)車(chē)試驗(yàn)，標(biāo)志著無(wú)砟軌 道技術(shù)在中國(guó)逐漸成熟，逐步邁入工程實(shí)施階段。 鐵路貨運(yùn)方面，2 0 世紀(jì)8 0 年代，修建了我國(guó)第一條電氣化重載鐵路一 大秦鐵路，拉開(kāi)了我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸?shù)男蚰弧? 9 8 4 年1 1 月，在學(xué)習(xí)前蘇聯(lián) 重載運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上又開(kāi)行了我國(guó)第一列組合式重載列車(chē)。1 9 8 5 年開(kāi)始， 我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸又經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展。由在改造線(xiàn)上開(kāi)行組合式重載 列車(chē)，發(fā)展到在大秦線(xiàn)上開(kāi)行單元式重載列車(chē)，再到在沿海繁忙干線(xiàn)開(kāi)行整 列式重載列車(chē)。使得我國(guó)重載運(yùn)輸水平逐漸提高。目前，京廣、京滬等繁忙 干線(xiàn)均固定車(chē)次開(kāi)行5 0 0 0 t 級(jí)整列式重載列車(chē)。 2 0 0 4 年2 月國(guó)務(wù)院審議通過(guò)了中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，提出“擴(kuò)大規(guī)模， 完善結(jié)構(gòu)，提高質(zhì)量，快速擴(kuò)充能力，迅速提高裝備水平”的鐵路發(fā)展目標(biāo)。 按照中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，到2 0 2 0 年，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程要達(dá)到1 0 萬(wàn)公 第2 頁(yè)西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 里，其中包括1 2 萬(wàn)公里客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，復(fù)線(xiàn)和電氣化率分別達(dá)到5 0 。同年， 國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)建設(shè)武廣、鄭西、京津等九條設(shè)計(jì)時(shí)速2 0 0 k m 以上的客運(yùn) 專(zhuān)線(xiàn)，安排了4 8 個(gè)新開(kāi)工項(xiàng)目，建設(shè)總投資規(guī)模達(dá)5 0 0 0 多億元。這在中國(guó) 鐵路發(fā)展史上是前所未有的，在世界鐵路發(fā)展史上也絕無(wú)僅有。2 0 0 5 年，9 條客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)項(xiàng)目陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)。 高速鐵路要求軌道必須保持高平順性【6 10 1 ，否則，會(huì)影響高速行車(chē)的舒 適性，也可能造成軌道結(jié)構(gòu)部件的損傷，甚至影響行車(chē)安全。列車(chē)的舒適性 和安全性得不到保障，高速鐵路也就失去了其存在的意義【1 1 1 。同樣，重載 運(yùn)輸由于貨車(chē)軸重大，運(yùn)量高，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的破壞更大，軌道幾何狀態(tài)變化 快。因此，高速、重載鐵路更應(yīng)加強(qiáng)鐵路狀態(tài)的質(zhì)量監(jiān)控和維修管理。 在鐵路高速度、高密度、大運(yùn)量行車(chē)條件下，軌道結(jié)構(gòu)承受的列車(chē)動(dòng)荷 載作用的幅度和頻率越來(lái)越高，軌道破壞速度加劇，軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量增 加，而可供養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)的時(shí)間越來(lái)越少，出現(xiàn)了運(yùn)輸和養(yǎng)護(hù)維修之間的矛 盾。如何更好地解決這一矛盾，是鐵路工務(wù)部門(mén)面臨的重要問(wèn)題。若能建立 一套科學(xué)、合理的軌道養(yǎng)護(hù)維修管理體制，不僅能解決這一矛盾，而且能合 理分配和利用現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修資源，保證軌道處于良好和均衡的質(zhì)量狀態(tài)，實(shí) 現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更合理、更有效地管理鐵路軌道。如何評(píng)定軌道質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)軌道 預(yù)防性計(jì)劃維修管理，使軌道均衡發(fā)展，更經(jīng)濟(jì)、更合理、更有效地管理鐵 路軌道，是一項(xiàng)科學(xué)的、系統(tǒng)的工程【l2 1 。 傳統(tǒng)有砟軌道經(jīng)歷1 8 0 多年的發(fā)展、使用經(jīng)久不衰，充分證明其優(yōu)越性 無(wú)法替代。有砟軌道結(jié)構(gòu)仍是當(dāng)前鐵路軌道主要結(jié)構(gòu)形式。有砟軌道由鋼軌、 軌枕、道床等組成，由于其道床以及軌道基礎(chǔ)部分的散粒體結(jié)構(gòu)特性，在機(jī) 車(chē)車(chē)輛動(dòng)荷載以及風(fēng)、沙、雨、雪和溫度變化等自然條件的長(zhǎng)期影響下，會(huì) 不可避免地產(chǎn)生變形和損傷。軌道的變形包括彈性變形和殘余變形( 永久變 形) ，其中殘余變形隨著列車(chē)荷載的反復(fù)作用，逐漸累積，最終導(dǎo)致道床甚 至整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的下沉。由于鐵路沿縱向軌道結(jié)構(gòu)的非均勻性和軌道狀態(tài)的 差異，會(huì)使軌道的不同區(qū)段、不同部位在相同的列車(chē)荷載作用下所產(chǎn)生的殘 余變形量不同，從而由各次殘余變形累積所形成的道床及整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)的下 沉量也不相同。這樣，原來(lái)平順的軌面，就會(huì)由于不均勻的道床或軌道下沉 而產(chǎn)生軌道不平順。軌道殘余變形和累積損傷的存在，不僅影響列車(chē)的高速、 平穩(wěn)運(yùn)行，且當(dāng)變形和傷損積累到一定程度，將大大降低和削弱軌道結(jié)構(gòu)的 強(qiáng)度和穩(wěn)定性，威脅行車(chē)安全。軌道結(jié)構(gòu)和一般工程結(jié)構(gòu)的顯著差別就在于， 要在運(yùn)營(yíng)條件下及時(shí)消除軌道的永久變形和嚴(yán)重?fù)p傷。鐵路軌道是一種邊運(yùn) 西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文第3 頁(yè) 營(yíng)、邊破壞、邊修理的工程結(jié)構(gòu)物。為保證列車(chē)安全、平穩(wěn)、不間斷地運(yùn)行， 鐵路軌道必須保持良好的技術(shù)狀態(tài)和質(zhì)量均衡。為此，就必須對(duì)軌道狀態(tài)進(jìn) 行適時(shí)的、定期的系統(tǒng)檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害，合理地制訂養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃和作 業(yè)計(jì)劃，有針對(duì)性地對(duì)軌道出現(xiàn)的各種變形和損傷采取必要的維修措施，以 不斷保持和提高線(xiàn)路設(shè)備質(zhì)量，使軌道處于良好技術(shù)狀態(tài)，最大限度地延長(zhǎng) 軌道設(shè)備的使用壽命。 鐵路運(yùn)輸屬輪軌系統(tǒng)運(yùn)輸模式，車(chē)輛與軌道系統(tǒng)處于特定的耦合振動(dòng)形 態(tài)之中，車(chē)輛與軌道相互作用，軌道幾何形位的變化，軌道結(jié)構(gòu)的變形和損 傷，是車(chē)輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)相互作用再加上外界自然因素的影響而形成的。 軌道的累積下沉變形由于列車(chē)軌道相互作用產(chǎn)生的軌道動(dòng)荷載誘發(fā)產(chǎn)生， 軌道的下沉變形結(jié)果又會(huì)疊加到原始軌道形態(tài)之上，進(jìn)一步影響車(chē)輛與軌道 的動(dòng)態(tài)作用，使輪軌間動(dòng)作用力加劇，從而使列車(chē)運(yùn)行的舒適性和安全性受 到影響。反過(guò)來(lái)，較大的輪軌動(dòng)力作用會(huì)進(jìn)一步加大軌道的下沉變形和破壞， 增加軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量，縮短軌道維修周期，加大軌道養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，如 此形成“惡性循環(huán)”。可見(jiàn)，軌道的下沉變形和車(chē)輛軌道耦合振動(dòng)系統(tǒng)間是 一個(gè)相互作用，相互影響的過(guò)程，研究軌道的下沉變形離不開(kāi)對(duì)車(chē)輛軌道 耦合振動(dòng)系統(tǒng)的分析和研究，要想獲得與鐵路運(yùn)輸實(shí)際較為接近的車(chē)輛一軌 道動(dòng)力相互作用結(jié)果，也不能忽略軌道下沉變形以及由其產(chǎn)生的軌道不平順 對(duì)輪軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。 由于車(chē)軌動(dòng)態(tài)相互作用以及軌道狀態(tài)變化受運(yùn)輸條件、線(xiàn)路狀況以及養(yǎng) 護(hù)維修作業(yè)和外界環(huán)境等多方面因素影響，再加上軌道荷載的隨機(jī)性和重復(fù) 性、軌道結(jié)構(gòu)的組合性和有砟軌道道床的散體性，決定了研究的復(fù)雜性和研 究難度。其中，道床工程性能的研究就極其困難。這主要是因?yàn)椋捎诘来?的散粒體結(jié)構(gòu)特性，使其不能像鋼軌、軌枕等軌道結(jié)構(gòu)部件那樣可以作為一 個(gè)完整的試件從現(xiàn)場(chǎng)搬回試驗(yàn)室，進(jìn)行預(yù)期的試驗(yàn)。其次道床受力情況復(fù)雜， 不能像鋼軌、軌枕等部件那樣，可以用集中荷載來(lái)模擬外力的作用，而必須 在模擬列車(chē)動(dòng)荷載引起的軸向荷載作用的同時(shí)，模擬周邊應(yīng)力。另外，道床 的影響因素也極其復(fù)雜，道床的性能不僅和道砟材質(zhì)、粒徑級(jí)配及道砟顆粒 外形等因素有關(guān)，還和道床的狀態(tài)，如道床密實(shí)程度、臟污狀況、養(yǎng)護(hù)維修 條件等有關(guān)。因此，研究軌道的累積下沉變形以及由此產(chǎn)生的軌道破壞問(wèn)題， 首先遇到的困難就是道床的工程性能分析和描述。 故研究軌道的累積下沉變形及其破壞規(guī)律不能僅從單一結(jié)構(gòu)分析入手， 應(yīng)按照系統(tǒng)工程的思想和原則，立足鐵路大系統(tǒng)范疇，借助室內(nèi)外試驗(yàn)、現(xiàn) 第4 頁(yè)西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 場(chǎng)檢測(cè)與仿真分析相結(jié)合的手段，綜合考慮多方面因素。 1 2 國(guó)內(nèi)外鐵路軌道維修管理概況 高速、重載鐵路的發(fā)展，對(duì)鐵路線(xiàn)路修建、養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提出了更高要求。 為適應(yīng)高速行車(chē)和繁重運(yùn)輸任務(wù)的需求，高速、重載鐵路必須加強(qiáng)線(xiàn)路的檢 測(cè)、監(jiān)視和維修管理工作。日本、德國(guó)、法國(guó)等高速鐵路國(guó)家之所以能保持 鐵路的良好運(yùn)營(yíng)，是因?yàn)樗麄兺ㄟ^(guò)現(xiàn)代科技手段積極地解決運(yùn)輸和養(yǎng)護(hù)維修 之間的矛盾。國(guó)外鐵路軌道管理的成功經(jīng)驗(yàn)是，把軌道維修管理作為一項(xiàng)系 統(tǒng)工程，利用系統(tǒng)工程的觀(guān)點(diǎn)和分析方法，采用現(xiàn)代科技手段來(lái)管理軌道， 實(shí)現(xiàn)了人力、物力、財(cái)力的合理安排。 日本是世界上開(kāi)通高速鐵路較早的國(guó)家之一，其新干線(xiàn)是目前高速鐵路 運(yùn)營(yíng)狀況最好的鐵路，高速鐵路的安全性和經(jīng)濟(jì)性在此得到了充分體現(xiàn)。日 本新干線(xiàn)的良好運(yùn)營(yíng)歸功于其建立的一套良好的軌道管理體系。日本于2 0 世紀(jì)5 0 年代初就提出并建立了以軌道下沉研究為主體的軌道下沉破壞理 論，之后相繼研究了軌道不平順與車(chē)輛振動(dòng)、軌道質(zhì)量狀態(tài)與行車(chē)安全性和 乘坐舒適性、列車(chē)動(dòng)荷載與軌道下沉變形發(fā)展關(guān)系等課題，并以軌道不平順 測(cè)定與評(píng)價(jià)為中心，開(kāi)發(fā)了軌道管理數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。在以上研究基礎(chǔ)上，日本 逐步開(kāi)發(fā)并完善了軌道管理信息系統(tǒng)【1 3 37 1 。就工務(wù)工作而言，日本的管理 信息系統(tǒng)較為完善。 德國(guó)鐵路在軌道日常保養(yǎng)、動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)和軌道維修方面堅(jiān)持科學(xué)化管 理，根據(jù)軌道實(shí)際狀態(tài)制定維修計(jì)劃，實(shí)行日常保養(yǎng)、預(yù)防性計(jì)劃維修、緊 急補(bǔ)修的維修管理制度，堅(jiān)持養(yǎng)修分開(kāi)的線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)，實(shí)行高標(biāo)準(zhǔn)的線(xiàn)路大修 【3 8 】。德國(guó)鐵路為高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理和維修提供了良好經(jīng)驗(yàn)。 法國(guó)是最早研究并發(fā)展高速鐵路的國(guó)家之一，多次刷新了世界最高速度 記錄。法鐵在高速鐵路建設(shè)方面處于世界領(lǐng)先地位，具有先進(jìn)的技術(shù)和豐富 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 39 1 。法鐵軌道技術(shù)水平高、線(xiàn)路平順、幾何偏差小、穩(wěn)定性好， 受到各國(guó)鐵路界的稱(chēng)贊。法國(guó)t g v 有砟軌道的平順性和穩(wěn)定性完全能保證 高速列車(chē)安全、平穩(wěn)運(yùn)行，其有砟軌道成功運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)值得我們大力學(xué)習(xí)和 參考。法鐵從輪軌相互作用關(guān)系入手，研究速度提高后，軌道不平順對(duì)脫軌 安全性、機(jī)車(chē)車(chē)輛振動(dòng)、輪軌作用力的影響。以保持軌道平順性為目的，研 究軌道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施、改進(jìn)軌道管理和控制軌道初始不平順，使線(xiàn)路長(zhǎng)期保 持穩(wěn)定、安全的技術(shù)狀態(tài)。法鐵對(duì)鐵路軌道實(shí)施預(yù)防性計(jì)劃維修管理，根據(jù) 西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文第5 頁(yè) 軌道實(shí)際狀態(tài)制定維修計(jì)劃，既防止了軌道的欠維修，又避免了軌道過(guò)維修， 并減少了對(duì)軌道不必要的擾動(dòng)。根據(jù)防止高速列車(chē)產(chǎn)生過(guò)大輪軌力和保證乘 車(chē)舒適性的要求，法鐵制定了軌道高低、軌向、水平、軌距等不平順的保養(yǎng) 標(biāo)準(zhǔn)和車(chē)體及構(gòu)架振動(dòng)管理標(biāo)準(zhǔn)；采用軌檢車(chē)、車(chē)輛振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置、探傷車(chē) 等定期監(jiān)測(cè)軌道狀態(tài)，指導(dǎo)軌道養(yǎng)護(hù)維修；利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立了軌 道狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，有效幫助了軌道維修、大修計(jì)劃的制訂。 北美鐵路作為世界重載運(yùn)輸?shù)牡浞?，其軌道管理及監(jiān)測(cè)技術(shù)也極具代表 性【4 。從合理維修角度出發(fā)，北美鐵路劃分了線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)等級(jí)，制訂了軌道 狀態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)系列，其中包括“軌道安全標(biāo)準(zhǔn)”。根據(jù)“軌道安全標(biāo)準(zhǔn)”將軌道 劃分成1 6 級(jí)，規(guī)定了各級(jí)軌道中貨物列車(chē)和旅客列車(chē)的最高允許行車(chē)速 度，規(guī)定了路基、軌道幾何狀態(tài)和軌道部件的安全限度，以及軌道監(jiān)測(cè)周期 等。北美鐵路研究開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的軌道監(jiān)測(cè)和診斷設(shè)備，并在工務(wù)管理中積極 應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立了軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，可輸出軌道狀態(tài)和軌道部件( 鋼 軌、軌枕、道床等) 的各種管理圖表，用以正確選擇作業(yè)區(qū)段和作業(yè)項(xiàng)目， 用最少的經(jīng)濟(jì)投入，取得了最佳技術(shù)效果。 英國(guó)是世界上修建鐵路最早的國(guó)家，在軌道基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)和軌道管理方 面，始終處于世界領(lǐng)先水平【4 1 1 。此外，瑞士、荷蘭、歐洲鐵路研究所等在 軌道管理技術(shù)方面也做了大量研究工作【l4 | 。2 0 世紀(jì)8 0 年代末及9 0 年代初， 上述國(guó)家均根據(jù)本國(guó)鐵路狀況，研究開(kāi)發(fā)了各具特色的軌道養(yǎng)護(hù)維修管理信 息系統(tǒng)【1 4 , 4 2 4 6 。 我國(guó)在軌道狀態(tài)測(cè)量、評(píng)定和管理，以及工務(wù)設(shè)備管理方面亦做了大量 卓有成效的工作，但相比國(guó)外鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家還顯落后【4 m 引。我國(guó)軌道維修 工作經(jīng)歷了建國(guó)初期的“事后修”，2 0 世紀(jì)5 0 年代中期的不分軌道結(jié)構(gòu)、運(yùn) 輸強(qiáng)度、施工手段、自然條件一律實(shí)施一年一遍綜合維修的“預(yù)防修”， 2 0 世紀(jì)8 0 年代初期的按不同軌道結(jié)構(gòu)及累計(jì)通過(guò)總重為定量的綜合維修周 期，以及2 0 世紀(jì)8 0 年代后期的根據(jù)軌道實(shí)際狀態(tài)實(shí)施的預(yù)防性計(jì)劃維修體 制。維修工作逐漸及時(shí)、合理化。但是，就軌道工務(wù)管理技術(shù)和管理工作系 統(tǒng)性來(lái)說(shuō)，我們還落后于鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家。理論研究方面，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有較系統(tǒng)、 全面地開(kāi)展有關(guān)軌道下沉破壞的研究，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)特性的描述多是通過(guò)軌下 基礎(chǔ)總剛度測(cè)試和分析來(lái)反映【5 0 5 1 1 ，對(duì)道床累積下沉變形單獨(dú)進(jìn)行研究剛 剛起步 5 2 55 1 ，國(guó)內(nèi)道床累積變形經(jīng)驗(yàn)公式缺乏線(xiàn)路現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，論證不 足。針對(duì)運(yùn)營(yíng)階段路基累計(jì)下沉變形的研究較少。涉及重載運(yùn)輸軌道下沉破 壞特性的研究尚未見(jiàn)到。線(xiàn)路狀態(tài)檢測(cè)方面，我