高速铁路桥梁结构变形映射至轨面几何形态的定量化研究

摘要

中国高速铁路发展已经从大规模建设进入长期安全稳定运营阶段。桥梁结构在墩台沉降、地震荷载、混凝土收缩徐变、温度作用和列车循环动载等长期作用下，可能发生不可恢复的竖向与横向变形，从而严重影响轨道平顺性，最终对高速列车安全运营造成不利影响。本文选取高速铁路简支梁桥及其上部CRTSⅠ型单元板式无砟轨道结构为研究对象，提出桥梁-轨道变形映射模型，量化桥梁结构变形对轨面几何形态的影响，主要研究内容及结论如下:
　　(1)在分析桥梁结构变形对高速列车运营性能影响的基础上，结合桥梁服役期内可能发生的多种变形模式，对比国内外规范对变形限值的规定。综述高速铁路桥轨相互作用计算模型、层问基础结构变形协调效应和桥轨变形映射关系方面的国内外研究成果，指出现有研究存在的问题，阐明了量化桥梁结构变形对轨面几何形态影响的必要性。
　　(2)在分析桥梁结构竖向变形导致钢轨变形机理的基础上，提出了竖向变形映射模型建立的基本假设条件，通过力学分析，建立了桥梁结构竖向变形与轨面几何形态的通用映射解析模型。将钢轨变形表达为由钢轨竖向变形的扣件力影响矩阵、轨道板竖向变形的扣件力影响矩阵和桥梁结构变形影响矩阵组成的解析表达式。构建了桥墩沉降、梁体竖向错台和梁端竖向转角三种典型变形模式下的钢轨变形解析模型，通过MATLAB编程实现了模型求解的程序化。
　　(3)在分析桥梁结构横向变形与轨面几何形态映射机理的基础上，结合CRTSⅠ型单元板式无砟轨道结构的力学状态分析，提出轨道板横向刚体变形假设，基于静力平衡及变形协调条件，建立了桥梁结构横向变形与轨面几何形态的映射模型。将钢轨横向变形表达为由桥梁结构横向变形影响矩阵、钢轨横向变形的扣件力影响矩阵和轨道板横向变形的扣件力影响矩阵组成的解析表达式。构建了梁端横向转角、梁体横向错台映射至轨面的解析表达式，并通过MATLAB编程实现了桥梁结构横向变形条件下轨面几何形态的求解。
　　(4)基于有限元分析软件ANSYS，建立了桥梁结构与CRTSⅠ型单元板式无砟轨道结构有限元模型。以桥墩沉降、梁体竖向错台和梁端竖向转角三种典型的竖向变形模式和梁体横向错台、梁端横向转角两种典型的横向变形模式为例，通过有限元模型和中国铁道科学研究院完成的试验，对建立的竖向和横向变形映射解析模型进行验证。所得的钢轨变形、扣件受力、钢轨变形最值及区域长度均吻合较好，充分验证了桥梁-轨道变形映射模型的准确性和有效性，且能描述各影响参数与钢轨变形之间的关系。
　　(5)基于已验证的桥梁-轨道变形映射模型，描述了不同变形模式对轨面几何形态的映射特征和程度，提出了钢轨变形延伸系数的概念。定量研究了五种典型桥梁结构变形幅值、桥梁跨度、梁端悬出长度、扣件刚度和砂浆层刚度等关键参数对钢轨变形最值及变形区域长度的影响规律，提出了轨面变形的控制措施。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 高速铁路桥梁结构变形模式及变形限值规定

1．2．1 服役期内高速铁路简支梁桥变形模式概况

1．2．2 国内外高速铁路桥梁结构变形限值规定

1．3 国内外研究现状与存在的问题

1．3．1 桥梁一轨道结构相互作用计算模型

1．3．2 高速铁路基础结构几何形位交互影响与变形协调效应

1．3．3 高速铁路基础结构变形与轨面几何状态映射关系

1．4 本文主要研究内容

第2章 桥梁结构竖向变形与轨面几何形态的映射模型

2．1 桥梁结构竖向变形导致钢轨变形机理分析

2．2 基本假定

2．3 坐标系建立及变换

2．4 轨道板模型

2．4．1 单个扣件力作用下轨道板变形

2．4．2 多个扣件力作用下轨道板变形

2．4．3 桥梁结构竖向变形作用导致轨道板变形

2．4．4 轨道板变形总量

2．5 钢轨模型

2．5．1 钢轨力学分析

2．5．2 钢轨模型建立

2．6 桥梁结构竖向变形映射至轨面的解析表达式

2．7 典型竖向变形模式与轨面几何形态的映射解析模型

2．7．1 桥墩沉降与钢轨变形的映射模型

2．7．2 梁体竖向错台与钢轨变形的映射模型

2．7．3 梁端竖向转角与钢轨变形的映射模型

2．8 解析模型求解及编程

2．9 本章小结

第3章 桥梁结构横向变形与轨面几何形态的映射模型

3．1 桥梁结构横向变形导致钢轨变形机理分析

3．2 基本假定

3．3 轨道板模型

3．4 钢轨模型

3．5 桥梁结构横向变形映射至轨面的解析表达式

3．6 典型横向变形模式与轨面几何形态的映射解析模型

3．6．1 梁端横向转角与钢轨变形的映射模型

3．6．2 梁体横向错台与钢轨变形的映射模型

3．7 解析模型求解及编程

3．8 本章小结

第4章 桥梁—轨道变形映射解析模型的验证

4．1 单元板式无砟轨道与桥梁结构的有限元模型

4．1．1 结构构造及参数取值

4．1．2 有限元模型的建立

4．2 竖向变形映射模型的验证

4．2．1 映射模型与有限元模型的对比

4．2．2 映射模型与室内试验的对比验证

4．3 横向变形映射模型与有限元模型的对比

4．3．1 梁体横向错台

4．3．2 梁端横向转角

4．4 本章小结

第5章 轨面变形的影响因素及其控制措施

5．1 桥梁结构变形幅值对轨面变形的影响

5．1．1 桥墩沉降幅值对轨面变形的影响

5．1．2 梁体竖向错台幅值对轨面变形的影响

5．1．3 梁端竖向转角幅值对轨面变形的影响

5．1．4 梁体横向错台幅值对轨面变形的影响

5．1．5 梁端横向转角幅值对轨面变形的影响

5．2 桥梁跨度对轨面变形的影响

5．3 梁端悬出长度对轨面变形的影响

5．4 扣件刚度对轨面变形的影响

5．5 砂浆层刚度对轨面变形的影响

5．6 轨面变形控制措施

5．7 本章小结

结论与展望

一、论文主要成果总结

二、展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文