高速铁路路基冻胀变形引起的轨道结构变形特性及其对行车的动力影响研究

摘要

随着严寒地区高速铁路建设进入快速发展时期，路基冻胀变形成为寒区高速铁路建设和运营管理中急需解决的重大工程问题。路基冻胀变形一方面破坏钢轨整体平顺性，威胁行车安全、舒适性，另一方面会造成轨下结构的伤损，影响轨道结构的服役寿命。因此，开展路基冻胀变形条件下无砟轨道结构几何变形规律及其对高速行车动力影响的研究具有重要的实际意义和工程应用价值。基于此，本文在对季节性冻土区高速铁路路基冻胀变形现场测试资料和相关文献资料调研分析基础上，开展了高速铁路路基冻胀变形引起的轨道几何变形规律及其动力影响研究，分析不同程度的路基冻胀变形对钢轨几何变形、层间接触状态以及高速行车动力性能的影响规律，初步探讨了高速铁路路基冻胀变形控制限值问题。具体开展的研究工作如下。
　　首先，基于季节性冻土区高速铁路路基冻胀变形现场测试资料和相关文献资料，分析了高速铁路冻胀区路基冻胀变形规律及轨面不平顺随时间的发展变化规律。结果表明，季节性冻土区路基冻胀变形具有普遍性和随机性，冻胀变形量相对较小;由路基不均匀冻胀变形引起的轨面不平顺随时间的发展历程大致可分为冻胀初始波动、快速发展、冻胀稳定和快速回落四个阶段，轨面不平顺具有明显的非线性、随机性等特征。
　　其次，利用建立的路基冻胀变形传递模型，分析了不同程度的路基不均匀冻胀变形对钢轨几何变形和层间接触等的影响规律。研究发现，路基发生不均匀冻胀变形时，上层轨道结构在路基变形荷载和自重作用下发生上拱变形，变形曲线与路基冻胀变形曲线近似，峰值相当;当路基冻胀变形波长较短时，钢轨几何变形波长要大于冻胀变形波长;随着冻胀变形波长的增大，两者变形逐渐趋于一致，层间接触状态得到改善;无砟轨道的结构变形及层间接触状态受路基不均匀冻胀变形波长和幅值的综合影响。
　　最后，分析了路基不均匀冻胀变形对车轨系统动力学性能的影响规律，在此基础上，初步探讨了高速铁路路基冻胀变形的控制限值。研究表明，路基冻胀变形会加大轮轨动态相互作用，影响行车安全性和乘车舒适性，同时会引起较大的轨道结构动态位移;轮轨动态相互作用受行车速度、路基冻胀变形波长和幅值的综合影响;对于季节性冻胀区高速铁路路基冻胀变形的管理，应同时考虑轨道结构的动态位移和行车安全性、舒适性;较短波长的路基不均匀冻胀变形对轮轨动态相互作用的影响显著，极易引起底座与路基表层的脱空，从而进一步加大结构的动态变形，因此，对于波长较短的路基冻胀变形，一旦出现应及时采取维修手段予以消除。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 冻土地区高速铁路工程概况

1．3 国内外路基冻胀及高速铁路轨道几何不平顺研究现状

1．3．1 冻土区路基冻胀变形问题研究现状

1．3．2 高速铁路路基变形问题研究现状

1．3．3 高速铁路轨面不平顺研究现状

1．4 路基上无砟轨道力学模型研究状况

1．4．1 弹性地基叠合梁模型

1．4．2 弹性地基梁—板模型

1．4．3 弹性地基梁—体模型

1．5 论文的主要研究内容

第2章 高速铁路路基冻胀变形和轨面不平顺变化特征

2．1 季节性冻土区高速铁路路基冻胀变形状况

2．2 冻胀区路基冻胀变形高度和波长的分布规律

2．3 冻胀区轨面不平顺变化规律

2．4 本章小结

第3章 路基冻胀变形对板式无砟轨道受力和变形的影响

3．1 板式无砟轨道—路基冻胀变形传递模型

3．1．1 CRTSI型板式无砟轨道有限元模型

3．1．2 路基不均匀冻胀变形模型

3．2 典型路基不均匀冻胀变形对轨道结构力学特性的影响

3．3 路基冻胀变形参数对轨道结构力学特性的影响规律

3．3．1 路基变形冻胀幅值的影晌

3．3．2 路基冻胀变形波长的影响

3．3．3 路基冻胀变形幅值和波长的综合影响

3．4 本章小结

第4章 路基冻胀变形对高速车辆—轨道耦合系统动力学性能的影响

4．1 高速车辆—轨道耦合动力学模型

4．1．1 车辆子模型

4．1．2 轨道子模型

4．1．3 车辆—轨道垂向耦合关系

4．1．4 数值积分方法

4．1．5 车辆—轨道耦合系统动力学性能评价指标

4．2 典型路基冻胀变形条件下高速车轨系统的动力响应特征

4．3 路基冻胀变形的速度效应分析

4．4 路基冻胀变形参数对高速车轨系统动力性能的影响规律

4．4．1 路基冻胀变形幅值的影响

4．4．2 路基冻胀变形波长的影响

4．5 本章小结

第5章 高速铁路路基不均匀冻胀变形管理限值分析

5．1 路基冻胀变形参数对轮轨动力响应的综合影响规律

5．1．1 典型行车速度下路基冻胀变形参数的影响

5．1．2 不同行车速度下路基冻胀变形参数的影响

5．2 高速行车条件下路基不均匀冻胀变形管理限值分析

5．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加科研项目情况