（道路與鐵道工程專業(yè)論文）路基變形及結構適應性研究.pdf

西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 摘要 隨著京滬高速鐵路 武廣 鄭西等客運專線的開工 我國高速無碴軌道 進入了全新的時期 為進一步深入研究無碴軌道的工作機理 力學行為與設 計方法 我國決定修建了遂渝無碴軌道綜合實驗段 正線全k 1 2 6 5 k m 為 國內首段成段鋪設試驗段 高速無碴軌道軌下基礎受力十分復雜 主要表現(xiàn)在兩個方面 一是路基 土的強度疲勞失穩(wěn) 二是軌下基礎的變形疲勞失穩(wěn) 因此 無碴軌道路基的 變形控制成為分析的核心問題 而在以往的研究當中 路基仍以強度控制為 主 對路基的變形未能有足夠的認識 本文以鐵道部科技研究發(fā)展計劃項目2 0 0 5 k 0 0 4 一 g 遂渝線無碴軌道 綜合試驗段關鍵技術試驗研究 遂渝線無碴軌道線下工程關鍵技術試驗研 究為依托 利用h k s 公司的非線性有限元軟件a b a q u s 建立三維有限元模型 采用現(xiàn)有的列車荷載模型 主要分析討論了列車荷載的不同速度 路基的 設計參數(shù)等對路基的振動加速度 豎向動位移 動應力等相關變形力學響應 的影響 初步探討了路基變形及結構的適應性 研究結果表明 基床表層動 應力隨其剛度的增大略有增大 豎向加速度及豎向動位移隨其剛度的增大而 減小 地基剛度存在一臨界剛度值為8 0 m p a 當剛度大于8 0 m p a 時 基床表 層動應力及豎向動位移變化幅度變小 而豎向加速度則呈較快下降趨勢 各 力學響應隨速度的提高呈一定規(guī)律的波動趨勢 同時利用一種永久變形預測 模型 分析了路基的永久變形及差異沉降 結果表明 現(xiàn)有路基結構能較好 滿足變形要求 關健詞 高速鐵路 無碴軌道 有限元 加速度 動應力 動位移 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 1 頁 a b s t r a c t a st h ep a s s e n g e rs p e c i a ll i n e ss t a r tu p s u c ha sb e i j i n g s h a n g h a ih i g h s p e e d r a i l w a y w u h a n g u a n g z h o uh i g h s p e e dr a i l w a y z h e n g z h o u x i a nh i g h s p e e d r a i l w a ya n ds oo n t h ec o n s t r u c t i o no fh i g h s p e e db a l l a s t l e s st r a c kc o m e st o a n e wp e r i o d i no r d e rt os t u d yf u r t h e ro nt h em e c h a n i c a lr e s p o n s ea n db e h a v i o r a n dt h ed e s i g nm e t h o d t h em i n i s t r yo fr a i l w a y so fc h i n ad e c i d e dt ob u i l dat e s t s e c t i o no ft h eb a l l a s t l e s st r a c k t h ef u l ll e n g t ho fs u i y um a i n1 i n ei s12 6 5 k m w h i c hi st h ef i r s tt e s ts e c t i o ni nc h i n a s u i s u i n i n g y u c h o n g q i n g t e s ts e c t i o n t h ei n t e r n a ls t r e s so fs u br a i lf o u n d a t i o no fh i g h s p e e db a l l a s t l e s st r a c ki s v e r yc o m p l e x m a i n l ya p p e a r si nt w oa s p e c t s o n ei st h ei n s t a b i l i t yo fs t r e n g t h f a t i g u eo fs u b g r a d e t h eo t h e ri si n s t a b i l i t yo fd e f o r m a t i o nf a t i g u eo fs u br a i l f o u n d a t i o n s ot h ec o n t r o lo fd e f o r m a t i o no fs u b g a d eb e c o m e st h ec o r ep r o b l e m w h e na n a l y s i st h eh i g h s p e e db a l l a s t l e s st r a c k b u ti nt h ee x i t i n gr e s e a r c h t h e c o n t r o lo fs u b g r a d em a i n l yo ns t r e n g t h a n dl a c ko fe n o u g hr e c o g n i t i o n t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h es c i e n t i f i cp l a n n i n gp r o j e c to fm i n i s t r yo f r a i l w a y t h e n u m b e ri s2 0 0 5 k 0 0 4 一 g a n dt h en a m eb et h ek e yt e c h n o l o g y i n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t a li ns u i y ub a l l a s t l e s st r a c kt e s ts e c t i o n t h es t u d y o fs u bs t r u c t u r e i nt h i sp a p e r t 1 1 en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s w a su s e d w h i c hd e v e l o p e db yt h ec o m p a n yo fh k si na m e r i c a a n db u i l d e dt h e t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l u s e dt h ee x i t i n gt r a i nl o a dm o d e l m a i n l y a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fa c c e l e r a t i o n v e r t i c a ld y n a m i cd i s p l a c e m e n t d y n a m i c s t r e s sa n dr e l a t e dd e f o r m a t i o nm e c h a n i c a lr e s p o n s e sb yd i f f e r e n ts p e e do ft h e t r a i nl o a da n dd e s i g np a r a m e t e r s t h ed e f o r m a t i o na n ds t r u c t u r ea d a p t a b i l i t yo f s u b g r a d ew a sd i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l y t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t et h a tt h e v a l u eo fv e r t i c a ld y n a m i cs t r e s si n c r e a s el e dt ot h es u r f a c el a y e ro fs u b g r a d e s t i f f h e s s t h ev a l u eo fv e r t i c a la c c e l e r a t i o na n dv e r t i c a ld y n a m i cd i s p l a c e m e n t d e c r e a s e1 e dt oh es u r f a c el a y e ro fs u b g r a d es t i f i n e s s t h eb a s es t i f f n e s sh a sa c r i t i c a ls t i f i n e s sw a s8 0 m p a w h e nt h es t i f i n e s sw a sm o r et h a n8 0 m p a t h er a n g e o fv a r i a t i o no fd y n a m i cs t r e s sa n dv e r t i c a ld y n a m i cd i s p l a c e m e n td e c r e a s e a tt h e s a m et i m ev e r t i c a la c c e l e r a t i o ni s o nr a p i d d e s c e n d i n gt r e n d a n d e a c h m e c h a n i c a lr e s p o n s es h o wd i s c i p l i n a r yf l u c t u a t ea st h es p e e di n c r e a s e a tt h e s a m et i m e ap r e d i c t i o nm o d e lf o rc u m u l a t i v ep e r m a n e n td e f o r m a t i o nh a sb e e n u s e d a n da n a l y z e dt h ep e r m a n e n td e f o r m a t i o no fs u b g r a d e a n dd i f i e r e n t i a l s e t t l e m e n t t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h ep e r m a n e n tc a ns a t i s f yw e l lo ft h ed e s i g n 西南交通大學碩士研究生學位論文第 l 頁 k e yw o r d s h i g h s p e e dr a i l w a y b a l l a s t l e s st r a c k f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a c c e l e r a t i o n d y n a m i cs t r e s s d y n a m i cd i s p l a c e m e n t 西南交通大學碩士研究生學位論文第l 頁 第1 章緒論 1 1 問題的提出 1 中長期鐵路網規(guī)劃 描繪了我國鐵路發(fā)展的宏偉藍圖 圖卜1 到2 0 2 0 年 我國鐵路營業(yè)總罩程達到1 0 萬公罩 要建設 四縱四橫 快速客運專線及 三條城際快速軌道交通系統(tǒng) 實現(xiàn)主要繁忙干線客貨分線運輸 客運專線列車 運行的安全性和舒適性 對軌道的平順性 穩(wěn)定性提出了更高的要求 也帶來 了我國線路設施方面技術路線的深刻變革 翻卜1 中長期鐵路網規(guī)劃圖圖卜2 無碚軌道試驗段 隨著京滬高速鐵路 武廣 鄭西 京津等客運專線的j l 我國高速無碴 軌道進入了全新的時期 為進一步深入研究無碴軌道的工作機理 力學行為與 設計方法 我國決定修建遂渝無碴軌道綜合實驗段 該無碴軌道綜合試驗段自 遂渝線引入重慶樞紐的龍風隧道進口至蔣家橋大橋 正線全長1 2 6 5 k m 為幽內 首段成段鋪設試驗段 鐵道部于2 0 0 5 年6 月以鐵科教函 2 0 0 5 3 3 0 號下達2 0 0 5 年鐵道部科技研究發(fā)展計劃 白皮書 項目2 0 0 5 k 0 0 4 一 g 為 遂渝線無碴軌 道綜合試驗段關鍵技術試驗研究 遂渝線無碴軌道線下工程關鍵技術試驗研 究 第一承擔單位 鐵道第二勘察設計院 2 0 0 5 年8 月 鐵道部科技教育司與 鐵道第二勘察設計院j 下式簽訂合同 合同編號 2 0 0 5 k 0 0 4 c g 分項目名稱 路基與橋 遂 涵構筑物縱向剛度匹配技術研究 由西南交通大學負責 分項 目合同編號2 0 0 5 k 0 0 4 一c 一4 試驗段內鋪設板式無碴軌道和雙塊支承式兩種結構 型式 如圖卜3 一圖卜4 所示 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 頁 幽卜3 普通板式軌道圖l q 烈塊支承式無碴軌道 其中在d k l 3 6 o o o d k l 3 6 9 2 4 9 3 之間的路基上鋪設了板式軌道 遂渝無 碴軌道綜合試驗段的建設 對創(chuàng)建具有我國自主知識產權的無碴軌道 優(yōu)化完 善無碴軌道設計和施工成套設備提供了最佳的試驗場地 具有極強的推廣價值 為我國客運專線大規(guī)模采用無碴軌道奠定了基礎 1 2 高速鐵路發(fā)展國內外現(xiàn)狀 鐵路是國家的重要基礎設施 國民經濟的大動脈和大眾化的交通工具 在綜 合交通運輸體系中處于骨干地位 高速鐵路具有速度快 運量大 能耗省 污 染小 占地少 安全 可靠 準時等方面的顯著特點 1 2 1 高速鐵路的發(fā)展幢1 英法兩國在1 9 世紀末就先后用蒸汽機創(chuàng)造了1 4 5 k m h 和1 4 4 k m h 的試驗速 度 1 9 0 3 年德國用電力機車創(chuàng)造了2 1 0 k m h 的試驗速度 1 9 3 1 年用內燃動車組 在珀林至漢饈之間做高速試驗 最高速度達2 3 0 k m h 1 9 5 5 年3 月2 8 同法困用 一臺電力機車牽引三節(jié)客車進行高速試驗 最高瞬時速度達3 3 l k m h 1 9 8 1 年 法國用t g v p s e 電力動車組創(chuàng)造了3 8 1 k m h 的紀錄 1 9 8 8 年德國用i c e 電動車 組又創(chuàng)造了4 0 6 9 k m h 的紀錄 1 9 9 0 年法國用t g v a 創(chuàng)造了5 1 5 3 k r n h 的速度 日本在上世紀5 0 年代后期籌建高速鐵路 1 9 6 4 年l o 月東京到新大阪長度 為5 1 5 k r a h 的東海道新干線通車 列車最高速度為2 1 0 k m h 1 9 7 5 年建成5 5 4 k m 由大阪至福網的山陽新干線 1 9 8 2 年建成2 7 0 k m 由大宮至新瀉的上越新干線高 崎至長野段 四條高速鐵路相互銜接 采用電力動車組 最高速度已逐步提高 到2 2 0 2 7 5 k m h 法國與1 9 6 5 年提出了t g v 設想 1 9 6 7 年開始從事可行性研究 1 9 7 4 年批 準立項 1 9 8 3 年建成巴黎至罩昂4 1 7 k m 的東南干線 1 9 9 0 年建成巴黎至勒芒和 圖爾總長2 8 2 k m 的大西洋干線 1 9 9 3 年建成巴黎一里爾一加萊3 3 3 k m 的北部新干 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 頁 線 1 9 9 4 年又將東南干線延伸至瓦朗斯 長1 2 l k m 1 9 9 6 年建成巴黎環(huán)線1 0 4 k m 共建成高速鐵路1 2 5 7 k m 同時計劃修建東部高速鐵路 大南方高速鐵路 地中 海高速鐵路以及巴黎地區(qū)南部高速鐵路互聯(lián)網 法國在高速線上月 行t g v 最高 時速已達2 7 0 k m h 一3 0 0 k m h 德國與1 9 7 0 年制定了修建高速鐵路的計劃 1 9 7 3 年開始修建曼海姆至斯圖 加特1 0 5 k m 及漢諾威至威爾茨堡3 2 7 k m 兩條商速鐵路 1 9 9 1 年5 月和1 9 9 2 年夏 分別開通運營 1 9 9 8 年又建成漢諾威至柏林高速鐵路 全長2 6 4 k m 其中1 7 2 k m 為新建線路 2 0 0 5 年建成卡爾魯爾一奧芬堡 斯圖加特 烏爾堡 愛爾福特一 哈雷 萊比錫地區(qū)新線 德國在高速鐵路上開行i c e 列車 最高速度達到2 5 0 k m h 3 0 0 k m h 意大利1 9 9 2 年建成羅馬 佛羅倫薩2 6 2 k m 的高速鐵路 設計運行最高時速 為2 5 0 k m h 3 0 0 k m h 采用自行研制的擺式列車 同時意大利政府與1 9 8 6 年批 準規(guī)劃修建橫連東西 縱貫南北長達1 1 8 7 k m 的全國t 型高速鐵路網 西班牙1 9 9 2 年建成馬德罩一塞維利亞4 7 1 k m 的高速鐵路 運行時速達 2 7 0 k m h 1 9 9 8 年丌始修建馬德罩 巴塞羅那6 0 5 k m 的高速鐵路 設計最高速度 為3 5 0 k m h 同時計劃修建向北進入法國連接歐洲的高速鐵路網的連接線 英國于1 9 9 8 年1 0 月開始修建倫敦一海峽隧道長1 0 9 k m 的高速鐵路新線 第一段7 0 k m 己與2 0 0 3 年9 月建成通車 全線計劃于2 0 0 7 年建成投入運營 荷蘭于1 9 9 8 年開始修建由阿姆斯特丹一比利時的高速鐵路 該線在荷蘭境 內全長1 2 0 k m 最高運行速度3 0 0 k m h 俄羅斯從上世紀5 0 年代末開始研究高速鐵路 和閂本 法國同時起步 但 以后一段時間停滯不前 直到1 9 9 1 年 俄羅斯的第一條高速鐵路 圣彼得堡一 莫斯科的高速鐵路建設項目才開始啟動 該線設計速度為3 5 0 k m h 運營時速為 2 5 0 k m h 3 0 0 k m h 美國從1 9 9 6 年開始修建佛羅里達州坦帕觀光公園一奧蘭多機場一邁阿密機 場和東北走廊波斯頓一紐約一華盛頓的高速鐵路 同時計劃修建6 0 0 多公罩長 的加利福利亞高速鐵路 韓國建造高速鐵路的構想源于上世紀6 0 年代中期 最早的研究工作從1 9 8 2 年開始 韓國京釜高速鐵路是韓國第一條高速鐵路 全長4 1 2 k m 設計速度 3 5 0 k m h 高速列車最高運行速度為3 0 0 k m h 此線為客運專線 高速旅客列車 采用法國t g v 技術 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 頁 我國今年來高速鐵路飛速發(fā)展 實現(xiàn)了6 次大提速 我國主要繁忙干線的 旅客列車行車速度最高達2 0 0 k m h 2 0 0 2 年1 1 月我國建成第一條設計速度為 2 0 0 k m h 的客運專線 并先后進行了三次綜合實驗 中華之星 在山海關一綏 中試驗段創(chuàng)造了3 2 1 5 k m h 2 0 0 3 年鐵道部提出鐵路跨越式發(fā)展的新思維 充 分利用國際國內先進的技術資源 加快技術創(chuàng)新 在較短的時i 玨j 內傻我國鐵路 主要技術裝備達到或接近發(fā)達國家水平 早日實現(xiàn)中國鐵路的現(xiàn)代化 其中京 滬高速 武廣客運專線 鄭西客運專線等都己開建或立項 1 2 2 無碴軌道技術特點 兒 為適應列車高速運行的需要 無碴軌道應運而生 無穡軌道具有很好的平 順性和穩(wěn)定性以及結構的有耐久性和少維修性 與有碴軌道相比 其整體式的 軌下基礎在列車荷載的作用下不會產生道碴顆粒磨耗 粉化 相對錯位引起的 道床結構變形 在列車荷載反復作用下產生相對有碴軌道很小的累積變形 從 而大大降低了軌道幾何狀態(tài)的變化速率 減少養(yǎng)護維修工作費用 延長維修周 期和使用壽命 但是無碴軌道一旦產生病害 維修十分困難 因此對無碴軌道 的使用范圍 設計條件和施工技術等問題 都必須十分重視 板式無碴軌道雖然具有較均勻的軌道剛度 但應當使軌道具有與有碴軌道 相當?shù)膹椥?以緩解高速列車的動力沖擊問題 為此必須增設c a 砂漿層及橡膠 彈性支座 同時為完成軌道高低與方向的調整而使得扣件的結構型式復雜化 在板式無碴軌道的施工過程中 需要精確的施工控制技術 對施工組織和施工 工藝提出了更高的要求 無碴軌道主要用于橋梁 隧道等具有堅實基礎的線路地段 對于土質路基 很難解決列車重復荷載作用下的路基土的疲勞問題 存在相當多的技術性問題 而且其在修建時費用很高 1 2 3 國外無碴軌道的發(fā)展 為適應列車高速行車需要 提高線路穩(wěn)定性和耐久性 減少線路維修工作 良 世界各國研究開發(fā)了多種無碴軌道 如德國的雷達 r h e d a 型 日本新干 線的板式軌道 英國的p a c t 型 英吉利海峽隧道的彈性支承塊 l v t 式 法 國的m o n a c o 型和s t e d f 型無碴軌道 下面主要闡述德國和r 本的無碴軌道 1 德國無碴軌道 到2 0 0 3 年 德國無碴軌道總鋪設長度6 0 0 多延長公罩 德國無碴軌道的主 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 頁 型結構是軌枕埋入式和博格板式無碴軌道 雷達2 0 0 0 旭普林和柏林同屬于雙 塊埋入式無碴軌道 a t d g e t r a c 等則為直接支承式無碴軌道 雷達型無碴軌道 如圖卜5 一卜7 所示 g e t r a c 型無碴軌道如圖1 8 所示 德國采用的體制是自主研發(fā) 統(tǒng)一管理的模式 由德鐵制定統(tǒng)一的技術要求 企業(yè)自主研究開發(fā)不同型號的無碴軌道 在指定的試驗室進行實尺寸模型激振 試驗及性能綜合評估 并經德鐵技術檢查團認證 批準后方有資格在線路上進 行有限長度的試鋪 德國鐵路自1 9 5 9 年開始研究到現(xiàn)在先后在土質路基 高架 橋上及隧道內試鋪了各種混凝土道床和瀝青混凝土道床的無碴軌道 首先在希 爾賽德車站試鋪了3 種結構 隨后又在雷達車站和奧爾德車站試鋪了2 種結構 1 9 7 7 年在慕尼黑試驗線試鋪了6 種 1 9 5 8 1 9 8 8 年是德國鐵路的試鋪期 共鋪 設了無碴軌道3 6 處 累計2 1 6 k m 經過不斷改進 優(yōu)化 完善 不僅形成了德 國鐵路無碴軌道系列 而且還形成了比較成熟的技術規(guī)范和管理體系 1 9 7 2 年原西德鐵路在r h e d a 車站試鋪了由德國慕尼黑工業(yè)大學陸地交通工 程試驗中心開發(fā)的軌枕埋入式無碴軌道 軌下基礎由整體混凝 l 枕和現(xiàn)澆鋼筋 混凝土板組合而成 稱r h e d a 型無碴軌道 r h e d a 型無碴軌道為鋼筋混凝土底座 的結構型式之 是德國開發(fā)的省力化軌道結構 主要著眼于在孥固的土質路 基上進行鋪筑 以p c 枕木為基礎結構 調整高度后 在周圍配置鋼筋 用混凝 土澆筑的軌道 在建立大量試鋪段進行運行試驗和長期觀測的研究基礎上 在 德鐵橋梁 隧道和土質路基上全面推廣應用 在德鐵鋪設的6 6 0 k m 無碴軌道中 r h e d a 型約占一半以上 r h e d a 2 0 0 0 型無碴軌道是新丌發(fā)產品 由兩根鋼筋桁架 組成的特殊雙塊式軌枕取代原整體 這樣減少了新老混凝土的界面 有利于提 高施工質量和結構的整體性 另取消原結構中的槽行板 統(tǒng)一橋隧及路基上的 型式 同時軌道結構高度從原來的6 5 0 m m 降低為4 7 2 m m 圖卜5 雷達2 0 0 0 型無碴軌道結構系統(tǒng)圖 m 西南交通大學碩士研究生學位論文第6 頁 圖卜6 雷達無碴軌道結構優(yōu)化過程 圖l 一7 雷達2 0 0 0 罵 無碴軌道支承塊組裝圖 圖卜8g e n t r a c 型無碴軌道結構圖 2 只本無碴軌道 f 7 本新干線的無碴軌道結構型式相對單一 從2 0 世紀6 0 年代中期開始就 針對扳式無碴軌道結構開展了系統(tǒng)的理論研究與試驗 日本板式軌道的應用是 簿 攀 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 從橋梁和隧道開始的 在既有線和新干線上先后鋪設了2 0 多處近3 0 k m 的試驗 段 同本板式軌道在土質路基上的應用經歷了3 0 多年的發(fā)展歷程 1 9 6 4 年 日 本建成了第一條高速鐵路運營線 東海道新干線 并取得巨大成功 1 9 6 8 年提 出r a 型板式軌道 1 9 7 1 年在東海道本線l o o m 的營業(yè)線上進行初次試鋪 1 9 7 4 年在東海道新干線含慧橋站內工鋪設1 4 處合計2 3 k m 試驗段 出于一些試鋪地 段使用1 年后出現(xiàn)路基下沉 軌道板陷入鋪裝層 故沒有在山陽新干線和東北 新干線土質路基上鋪設無碴軌道 2 0 世紀9 0 年代初 為了改善r a 型板式軌道 所用瀝青材料的溫度敏感性和耐久性 提出用混凝土道床替代瀝青混凝土道床 的結構方案 并用普通a 型軌道板取代r a 型軌道板 實現(xiàn)板式軌道結構型式的 統(tǒng)一 j f 式在土質路基上鋪設普通a 板式軌道前 1 9 9 1 年在北陸新干線 高崎 長野 路堤上鋪設了6 0 m 的試驗段 進行靜 動載試驗 1 9 9 3 年板式對到在 北陸新干線土質路基上鋪設了1 0 8 k m 占全線長的4 占土質路基的2 5 板式軌道研發(fā)過程中 曾提出多種結構設計方案 如a 型 i 型 l 型和r a 型等 相關圖形如圖卜9 一卜1 2 所示 目前定型的板式軌道有普通a 型 框架 型及特殊減振區(qū)段的減振g 型等 構成了使用于各種不同使用范圍的板式軌道 系列 至今 日本既有線和新干線達2 7 0 0 延長公里 酗1 9 普通a 本 軌道板圖1 1 0 框架碰軌道板 圖卜l lr a 型軌道板圖卜1 2 用丁 特殊減振段上的防振g 型軌道板 1 2 4 國內無碴軌道的發(fā)展 西南交通大學碩士研究生學位論文第8 頁 國內對無碴軌道的研究始于2 0 世紀6 0 年代 與國 b j l 乎同時起步 初期 曾試鋪過支承塊式 短木枕式 整體灌注式等整體道床以及框架式瀝青道床等 多種型式 正式推廣應用的僅有支承塊式整體道床 在成昆線 京原線 南疆 線等長度超過l k m 的隧道內鋪設 總鋪設長度約3 0 0 k m 2 0 世紀8 0 年代曾試鋪 過出瀝青混凝土鋪裝層與寬枕組成的瀝青混凝土整體道床 全部鋪設在大型客 站和隧道內 總長約l o k m 此外還鋪設過瀝青灌注的固化道床 但未正式推廣 在京九線九江長江大橋引橋上還鋪設過無枕結構 長度約7 k m 1 9 9 5 年丌始對彈性支承塊式無碴軌道的研究 1 9 9 6 年 1 9 9 7 年先后在隴海 線白清隧道和安康線大瓢溝隧道鋪設試驗段 在秦嶺隧道一線 秦嶺隧道二線 j 下式推廣使用 一 二線合計無碴軌道長度3 6 8 k m 并先后于2 0 0 1 年 2 0 0 3 年開通運營 以后又陸續(xù)在寧西線 蘭武復線 宜力 線 湘渝線等隧道內及城 市軌道中得到廣泛應用 已經鋪設和j 下在鋪設的這種無碴軌道累計近2 0 0 k m 在 九血 國家科技攻關專題 高速鐵路無碴軌道設計參數(shù)研究 中 提出了適 用于高速鐵路橋隧結構上的3 種無碴軌道型式 長枕埋入式 彈性支承塊式 和板式 以及其設計參數(shù) 在鐵道部科技開發(fā)計劃項目 高速鐵路高架橋卜無 碴軌道關鍵技術的試驗研究 中 完成了對上述三種無碚軌道實尺寸模型的鋪 設及各項性能試驗 初步提出高架橋上無碴軌道的施工方案 提出了高速鐵路 無碚軌道橋梁徐變上拱的限值與控制措施 建立了橋上無禱軌道車線橋禍合模 型并進行仿真計算 初步分析了高速鐵路高架橋上無碴軌道的動力特性與車輛 走行性能 1 9 9 9 年完成 秦沈客運專線橋上無碴軌道設計 施 1 二技術條件 的 研究 面對于土質路基上的無碴軌道 我國正處于理論研究和試驗分析階段 1 3 高速鐵路路基軌道結構分析現(xiàn)狀 1 3 1 高速鐵路路基軌道結構分析理論 w i n k l e r 與1 8 6 7 年提出了經典的w i n k l e r 地基模型 該模型由位于常剮度 地基上無限長梁組成 基于文克爾 w i n k l e r 地基假定 將軌道作為連續(xù)支承 彈性地基梁結構進行應力分析 代表人物包括z i m m e r m a n n 和t a l b o t 通過對 彈性地基梁的解析 可以計算出鋼軌應力和地基 道床頂面 反力 該方法經 過長時間的發(fā)展和參數(shù)修正 實際已成為鐵路路基軌道標準設計的方法 1 9 1 3 1 9 1 8 年美國土木工程師學會 a s c e 和美國鐵路工程學會 a r e a 聯(lián)合在 美國伊利諾伊州的c h a m p a i g n 和新澤西州的d o v e r 進行了鐵路線路工程應力測 西南交通大學碩士研究生學位論文第9 頁 試綜合試驗研究 該研究項目由t a l b o t 領導 測試報告后來成為各國路基軌道 設計理論的發(fā)展基礎 該方法目前仍然為各國所沿用 包括我國常規(guī)鐵路路基 軌道的設計 美國鐵路工程協(xié)會推薦的a r e a 設計方法仍然基于該模型方法 后 t i m o s h e n k o 和f r y b a 對該模型作為鐵路軌道的正確性作了驗證 在梁的模型中 主要有e u l e r b e r n o u ll i 梁和t i m o s h e n k o 粱兩種 蔭者 只考慮了梁的彎曲 后者則考慮了梁剪切變形和旋轉慣性矩 對于低頻激勵由 于波在鋼軌中的波長遠大于梁截面 兩種梁模型分析結果很相近 對于高頻激 勵 t i m o s h e n k o 梁能得到更精確的結果 1 9 5 8 年 m a t h e w s 1 研究了恒速移動振動荷載作用下置于彈性地基上梁的穩(wěn) 態(tài)響應 通過f o u r i e r 變換得到梁響應精確表達 利用圍道積分和余值理論得 到梁穩(wěn)態(tài)響應數(shù)值解 1 9 7 3 年 f i l i p p o v 5 3 研究了勻速移動荷載作用下彈性半 空i 日je u l e r b e r n o u l l i 梁的穩(wěn)態(tài)響應 結果表明當荷載速度等于r a y l e i g h 波時 梁豎向變形趨向無窮大 因此把把該速度定義為臨界速度 1 9 9 8 年 孫璐 研 究了w i n k l e r 地基上無限長梁在勻速運動的線源荷載激勵下的動力響應 根掘 廣義杜哈姆積分和線性疊加原理 把運動線源荷載作用下梁的動力問題轉化為 求解位置固定的線源荷載作用下的梁的動力響應 然后用拉普拉斯變換和 f o u r i e r 變換求解梁動力方程 獲得了線源脈沖響應還屬 繼而得到了運動線源 荷載下梁的動力解答 2 0 0 0 年 英國的h u n gb u n t 等人提出用單自由度體系模 型代替w i n k l e r 梁模型來計算軌道系統(tǒng)的動力特性 結構表明使用單自由度體 系計算模型來計算振幅 頻率等更為有效 對于多層w i n k l e r 梁模型同樣可以 用多自由度體系模型來代替 由此可以大大簡化計算 2 0 0 1 年c h e n 等分析了 簡諧荷載作用下置于粘彈性地基上無限長t i m o s h e n k o 梁的響應 建立了相應梁 的動力剛度矩陣 由此確定了臨界速度和共振頻率 2 0 0 4 年s e o n g m i n 1 研究了 w i n k l e r 彈性地基上e u l e r t i m o s h e n k o 梁在均布移動恒載和諧振動荷載下的振 動 通過對空i 日j 坐標和與時間坐標進行f o u r i e r 變換 得到梁穩(wěn)態(tài)響應 分析 了荷載速度 頻率 地基阻尼對梁變形和最大位移的影響 給出了臨界速度和 頻率的計算公式 對路基的動力響應研究 1 9 6 5 年 e a s o n 利用f o u r i e r 變換得到了移動荷 載作用下半無限彈性體內的應力解 1 9 9 3 一1 9 9 8 年 j o n e s 和p e t y t 將地基 模擬為一彈性半空間 利用f o u r i e r 變換先后研究了矩形荷載 條形荷載作用 下地基的響應 1 9 9 8 年 h o n g 等利用波在秸彈性半空間傳播的能量譜密度分 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 0 頁 析了由交通荷載引起的地面振動響應問題 利用單軸雙自由度體系模型模擬交 通荷載 采用現(xiàn)場實測路面粗糙度計算地面動力響應 計算結果與實測結果比 較吻合通過對反映譜分析還能證明由交通荷載引起的地面振動主要影響因素是 r a y l e i g h 面波 而其中的體波部分相對來說較少并且衰減很快 2 0 0 1 年 t a k e m i t y 利用交通荷載所引起的低級振動譜束分析地基響應問題 提出在振 源附近地基響應只與振源特性有關 而車速變化則影響到地基彈性波的傳播 對于移動振源而言 隨著與振源距離增大 波形最大振幅減小 而持續(xù)時間增 加 同一位置 隨著車速增加 振動時間減小 2 0 0 1 年h u n g 和楊永斌將地基 模擬為粘彈性半空間 研究了不同車輛荷載形式和不同車輛速度時地面的響應 2 0 0 2 年 l e f e u v e 等考慮成層地基 從理論上研究了高速移動的矩形簡諧荷載 作用下地基土的振動 同時研究了基床厚度對動力響應的影響 在此基礎上修 正了由固定諧荷載計算所得的共振深度 2 0 0 3 年 張昀青 3 以杜哈姆積分為基 礎 應用動力互等定理得到了移動荷載作用下半無限大彈性連續(xù)介質空 日j 上任 意點動力響應的廣義杜哈姆積分表達式 將列車荷載簡化考慮為一系列具有一 定 丑j 距的集中荷載 采用f l o q u e t 變換與f o u r i e r 變換得到一個集中移動荷載 作用下的動力響應解 2 0 0 4 年 蔣建群 在f r y b a 研究的基礎上 對半空惻體 響應的積分表達式進行了數(shù)值計算 得到了彈性半空 日j 體內任一點的響應和表 面位移 通過具體算例 對荷載移動速度 觀測點深度 觀測點距離等參數(shù)的 影響效果進行了細致的分析 2 0 0 4 年 謝偉平 等用薄層單元法計算移動荷載 作用下地基土動力響應 得到了地基土的位移和加速度 系統(tǒng)模型的建立 為得到更精確的軌道路基動力響應 很多學者提出了 軌道路基耦合模型 1 9 9 4 1 9 9 5 年 k r y l o v 1 利用g r e e n 函數(shù)法 得到了考 慮軌道一地基體系中彎曲波影響時地面振動的解析表達式 研究表明當列車速 度達到體系中彎曲波最小相對速度時 地面的振動將降低 1 9 9 8 年m a t s u u r a 針對新干線軌道用格林法計算了移動簡諧荷載作用下軌道一地基協(xié)同工作時體 系的響應 同時考慮了成層土對波傳播的影響 做出了不同情形下軌道系統(tǒng)的 時問一加速度譜 頻率一振幅譜 傳遞函數(shù)響應譜 波動特征衰減曲線等 指 出輪距和車廂數(shù)對地面振動的影響至關重要 2 0 0 0 年 挪威學者k a y n i a 等將地基視為層狀粘彈性半空間體 鋼軌視為e u l e r b e r n o u l l i 梁 建立了移 動荷載作用下地基軌道系統(tǒng)計算模型 并建立了相應的動力方程 用格林函數(shù) 計算了地基 軌道接觸點處土層的剛度矩陣 最后通過積分變換得到了時 日j 域 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 1 頁 的響應 1 9 9 9 2 0 0 0 年 s h e n g 刮等研究了固定的簡諧點荷載和移動的簡諧點 荷載作用下軌道一地基體系的響應 將荷載直接作用在地基上和荷載作用于軌 道上時兩種情況下地基土的響應進行了比較 分析了荷載速度 頻率 軌道結 構等對地面響應的影響 2 0 0 3 年 m e t r i k i n e 啪1 第一次提出周期性支撐的三維軌 道模型 將鋼軌視為彈性半空間上點支承的e u l e r b e r n o u l l i 梁 研究了半宅 問等效剛度 結果表明用軌枕下等剛度彈簧來表示半空 h j 體 町以將三維 口j 題 簡化為一維問題 彈簧剛度是頻率和相位的復函數(shù) 2 0 0 1 2 0 0 3 年 謝偉平 基于格林函數(shù)法推導了半無限地基及成層地基的響應函數(shù)與傳遞系數(shù) 以軌道 地基系統(tǒng)為對象將軌道地基簡化為半無限地基及層狀地基上的w i n k l e r 梁模型 對高速移動荷載作用下梁一地基系統(tǒng)協(xié)同工作做了分析 得到了軌道與地基表 面的動力響應 2 0 0 2 年 通過對三維粘彈性半空間上梁與板的分析 確定該粘 彈性基礎的復剛度和阻尼系數(shù) 梁和板與土體之間的應力分析用勒讓德多項式 近似表示 同時對輪一軌 日j 相互作用力以及土體表面豎向速度進行了研究 2 0 0 5 年 王常晶 1 等用彈性地基上t i m o s h e n k o 梁在移動荷載作用下的動力解得到地 基表面與路堤之 日j 的反力 將其作用于地基表面 以單位移動衙載引起的半空 日j 地基內部應力解為基礎 對反力在作用空間上進行積分 得到了列車速度小 于地基中r a y l e i g h 波時速時列車荷載在地基中引起的應力穩(wěn)念響應解 1 3 2 高速鐵路路基軌道結構數(shù)值分析 在有限元普及應用于實際工程領域后 有關路基軌道的設計理論也得到了 相應發(fā)展 各種計算程序得到相繼開發(fā) 比較有名的有三種 即 i l l i t r a c k g e o t r a c k 和k e n t r a c k 1 1 l i t r a c k 是1 9 7 5 年由伊利諾伊大學的r o b e r n e t t t h o m p s o n k n u t s o n 和t a y a b j i 開發(fā)的 g e o t r a c k 1 是1 9 8 0 年由馬薩諸塞大學 的c h a n g a d e g o k e 和s e l i g 開發(fā)的 k e n t r a c k 瑚 是1 9 8 4 年由肯塔基大學的 h u a n g l i n 和d e n g 開發(fā)的 目前g e o t r a c k 還在開發(fā)更新中 另外m u l t a 模 型綜合了b u r m i s t e r 彈性多層分析方法來表述道床一土體系的力一位移特性 其中伊利諾伊大學開發(fā)的i l l i t r a c k 模型并不是真幣意義上的三維模型 它由兩個2 d 模型組成 包括一個橫斷面模型和一個縱斷面模型 通過將縱斷面 模型的輸出結果作為初值 輸入到橫斷面模型中進行計算 從而以近似的方法 更少的計算花費獲得三維分析效果 同時該模型無法考慮軌枕與鋼軌之問產生 的拉伸作用 如圖卜1 3 所示 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 2 頁 馬薩諸塞大學開發(fā)的6 e o t r a c k 是一個三維多層模型 可考慮軌下基礎的應 力依賴性 但因無碴軌道沒有軌枕 國內i i i 型混凝土軌枕的長度為2 5 m 截面中間寬度為2 5 c m 截面中間高度僅1 6 5 m m 而代之為道床板 國內道床 板的長 寬 高分別為4 9 3 m 2 4 m 0 1 9 m 沿路基縱向為長度方向 注意到 常規(guī)軌枕沿路基橫向的尺寸比沿路基縱向的尺寸要大得多 即路基橫向為長度 方向 且g e o t r a c k 是假定軌枕為十個等間距支承于下部道床的線彈性梁 故 若以軌道板作為軌枕近似處理 則二者轉動的主軸顯然不同 由此帶來的繞主 軸的轉動慣性矩也不同 即g e o t r a c k 模型的概化理論似不適合分析板式無碴軌 道 該程序可考慮鋼軌與軌枕的重量 從而可考慮軌枕與道床的張開分離及計 算土體的應力狀態(tài) 如圖卜1 4 所示 涉囊一 底沙囊 路基 鋼軌約束 幽卜1 31 1 1 i t r a c k 模型 圖卜1 4g e o t r a c k 模型圈1 1 5k e n t r a c k 模酗 k e n t r a c k 是由美國肯塔基大學開發(fā)的 設計這套軟件的初始目的是專門為 瀝青道床軌道結構分析用的 然而后來發(fā)現(xiàn) 無論采用何種材料 設計的基本 原則是相同的 由此開發(fā)了一個功能齊全的計算機程序 它不僅可以用于瀝青 道床軌道結構 還可以用于其它材料作為底碴的普通軌道和混凝土整體道床軌 道 k e n t r a c k 程序系統(tǒng)采用兩個破壞準則作為設計依據 它們是 一是控制道 霹一 鏟 固博 i 一 一 0 爨黟擘 一 一 一 霪霧一一赫一 一 等 飛 q o 纛 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 3 頁 床底部出現(xiàn)的最大拉應力或拉應變不致使其產生裂縫 二是控制道床最大永久 沉降或最大豎向壓應力 對以碎石材料做為道床的軌道 僅需控制路基和底碴 頂面的最大壓應力使其不超過容許值 對瀝青道床 既要考慮瀝青底部的最大 水平拉應力也要考慮路基頂面的最大壓應力 對混凝土整體道床 則只需控制 混凝土底部的最大拉應力 控制點的應力或應變值主要用作損傷計算 根掘軌 道損傷計算結果 可估計軌道的使用壽命 k e n t r a c k 使用彈性層狀理論來表征 軌下基礎 此程序相對g e o t r a c k 可考慮軌枕橫截面屬性的變化及更多的豎向荷 載 作混凝土整體道床軌道分析時 視混凝土拉應力為控制參數(shù) 將軌道結構 的支承部分看作w i n k l e r 地基上的彈性薄板 用四邊形板單元離散 鋼軌離散 為梁單元 軌枕與簡化成彈性薄板的混凝土整體道床之l 日j 采用彈簧單元進行彈 性連接 顯然若這樣處理無碴軌道路基的板式軌道分析 將把路基中的應力和 應變?yōu)榇我蛩?僅簡單地采用了路基的彈性系數(shù)k 如圖卜1 5 所示 1 9 8 9 年 柴錦春 楊燦文9 提出一個關于計算鐵路路基應力 應變的l j y x y 模型 是一個準平面應變 單元寬度變 非線性彈性二維有限元 它把軌道這 個三維系統(tǒng)分為兩個二維系統(tǒng)處理 先進行縱向 沿鋼軌方向 分析 然后以 縱向分析的結果作為輸入值進行橫向分析 縱向分析時 鋼軌作為梁單元 軌 枕為彈簧單元 道碴及路基土為平面應變四邊形單元 并認為每根鋼軌下長為l 的軌枕均勻的向道床傳遞壓力 即單元的起始寬度為l 橫向分析時 軌枕按梁 單元處理 道碴及路基土按平面應變四邊形單元處理 單元起始寬度為軌枕底 寬 單元的寬度隨深度而增加 且在道碴和路基土中按不同的角度增加 此角 度分別汜為萌 嗚 1 9 9 1 年 t o s i k a z u 等在動態(tài)彈性有限元基礎上引入了一種數(shù)值解法 分 析了公路上車輛引起的地面振動 它通過引入波傳導單元和完全能量傳遞邊界 利用波動的可迭加性 將動載進行了狄克拉函數(shù)模擬 1 9 9 9 年雷曉燕 利用車 輪一軌排一道碚為一體的有限元動力計算模型求得軌枕作用在道床頂面的荷載 譜 將該荷載譜作為道床動力分析輸入 研究了不同道碴厚度在高速列車荷載 作用下的動力響應 計算表明增加道碴厚度能有效減小道碚加速度與位移 1 9 9 7 年 西南交通大學翟婉明 1 教授最早提出的目自 在國際上最先進的分析模型之 一 該模型能夠考慮包括路基在內的軌下基礎和許多影響兇素 從車