高速铁路路桥过渡段轨道动力特性分析及优化设计研究

摘要

长期以来，路桥过渡段作为铁路交通中的突出难点之一，一直困扰着铁路设计及工务工作者。早期由于车辆速度低，过渡区段平顺度的要求较低，且多采用有砟轨道结构，因此在对路桥过渡段处理时往往是出现问题后再进行养护维修，而真正从设计上对路桥过渡段的处理则较少。随着铁路运行速度的提高以及不同种类无砟轨道结构的应用，过渡段沉降及刚度变化等问题日益凸显。大量高架结构形式的采用带来路桥过渡设置较多的同时，无砟轨道与有砟轨道的交替使用又带来了有砟—无砟问题的叠加，而CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固体系的采用对路桥过渡段刚度设计带来了一定程度的不明确性，过渡段刚度变化变得更加复杂。高速铁路过渡段问题成为高速铁路设计中亟待解决的问题之一。
　　本论文针对高速铁路路桥过渡段、路桥过渡段与有砟—无砟过渡相叠加以及新型CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固体系过渡等多种过渡段型式，建立精细的车辆—轨道—线下过渡段空间动力学耦合模型，对过渡段动态冲击响应进行综合分析，并对不同过渡段处理方式的影响效果进行综合评估，给出不同类型过渡段的设计建议，为高速铁路不同类型过渡段的设计提供理论支撑。本文所做的研究工作如下:
　　(1)总结高速铁路过渡段的种类以及不同刚度过渡段处理措施研究及应用现状。
　　对国内高速铁路过渡段类型进行了归纳与总结，以路桥过渡段为典型研究对象，总结了过渡段的病害情况以及不同过渡段处理方式及其处理效果。对过渡段理论研究现状进行了汇总，分析了现有研究的不足，针对目前的研究现状拟定本文的研究内容。
　　(2)建立高速铁路车辆—轨道—过渡段基础空间耦合仿真模型，模型验证。
　　运用三维有限元仿真建模方法，通过对过渡段区域内材料及结构参数的查找与分析，建立可靠的过渡段动力分析模型，所建立的模型主要包括车辆—无砟（有砟）轨道—路基桥梁过渡段仿真模型、车辆—有砟—无砟过渡段—路基桥梁过渡段叠加模型、车辆—无砟（有砟）轨道—端刺—路基桥梁过渡段等模型，所建立的模型耦合程度较高，考虑的因素较为全面，计算结果可靠。
　　(3)分别分析路桥过渡段由于刚度差异以及不均匀沉降而产生的冲击效应。
　　分别对不同车辆运营速度情况下车辆通过有砟和无砟轨道路桥过渡段时由路基与桥梁刚度差异以及路桥交界处不均匀沉降造成的冲击效应进行了评估，指出路桥交界处不均匀沉降是产生路桥过渡段冲击响应的主要因素。针对台后不均匀沉降问题，选取不同沉降差，对沉降差的限制进行了研究，指出台后不均匀沉降差应控制在20m范围内20mm的限值。
　　(4)分析CRTSⅠ型板式无砟轨道台后端梁及CRTSⅡ型板式无砟轨道台后端刺结构对过渡段动态冲击效应的影响。
　　对两种无砟轨道台后端梁及端刺设置时车辆运营过程中的动态响应进行了对比分析，分析结果表明，端梁设置后对轨道结构冲击影响较小，端刺设置后在主端刺位置处由于刚度较大，会产生一定程度的冲击，因此存在台后及主端刺位置两处冲击，且两次冲击程度相当。
　　(5)针对倒T型端刺及Π型端刺在主端刺位置处产生的二次冲击，研究合理的处理方式，为消除主端刺后二次冲击问题提供了思路。
　　通过对主端刺后的二次冲击效应程度进行了分析，并以主端刺后路基换填及主端刺后设置过渡板这两种方式情况下端刺区二次冲击情况进行了评估，指出主端刺后路基换填的优势，并对端刺后过渡板的合理设置厚度进行了分析，提出了主端刺后过渡板的厚度不应超过300mm。
　　(6)分析不同过渡段处理措施对高速铁路路桥过渡段与有砟—无砟过渡段相叠加情况下的动力响应的影响。
　　对车辆不同速度通过路桥过渡段与有砟—无砟过渡段时列车运营安全性、舒适性及轨道振动响应等指标进行了评估，对过渡段设置位置（桥上、路基上或路桥过渡段处）各项动态指标进行了对比分析，对辅助轨设置、底座板伸长、有砟轨枕加长及加宽、道砟胶粘等措施对两种过渡段叠加时影响效果进行了评估，并对综合处理方式进行了定量评价。在此基础上对高速铁路有砟—无砟过渡段设计方法提出了错位分级的理念，为今后高速铁路有砟—无砟过渡段的设计提供理论依据。
　　(7)对土质路基和桥梁过渡段在使用倒T型端刺结构的区域，计算列车循环荷载下路基长期累积塑性变形，并对其上轨道结构的动力特性进行了分析。
　　建立列车运行荷载作用下轨道和地基动力相互作用的三维分析模型，求解出地基中动偏应力的分布，对列车循环动荷载作用下路基累积塑性变形的现有预测模型进行了归纳总结，使用了LiD.Q.和Selig提出的相应的动偏应力、静强度和其他参数的计算和确定方法，对路基沿深度方向、横断面、纵断面的累积塑性变形进行了分析。同时对路基累积变形下线路纵断面上基床顶部、无砟轨道板和钢轨的变形进行了分析。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 高速铁路路桥过渡段发展现状

1．2．1 高速铁路路桥过渡段

1．2．2 路桥过渡段存在的问题

1．2．3 路桥过渡段处理措施及效果

1．3 高速铁路路桥过渡段技术条件及变形控制研究

1．3．1 国外路桥过渡段理论及试验研究

1．3．2 国内路桥过渡段理论及试验研究

1．3．3 现有研究存在的不足

1．4 本文主要的研究内容

2 高速铁路过渡段耦合动力学模型的建立

2．1 引言

2．2 计算软件及程序设计语言的确定

2．2．1 有限元软件的比选

2．2．2 有限元与多体动力学软件比选

2．2．3 显式计算稳定性增量的确定

2．2．4 软件中的接触算法

2．2．5 软件功能的二次开发

2．3 车辆—路桥过渡段系统耦合振动仿真分析模型

2．3．1 车辆分析模型

2．3．2 轨道分析模型

2．3．3 桥梁分析模型

2．3．4 路基分析模型

2．3．5 路桥过渡段分析模型

2．4 系统参数的选取及评价标准的确定

2．4．1 系统计算参数的选取

2．4．2 系统动力评估标准的确定

2．5 有限元模型的可靠性验证

2．6 本章小结

3 高速铁路路桥过渡段动力特性分析

3．1 刚度变化引起的路桥过渡段冲击效应

3．1．1 台后不均匀沉降对行车速度的敏感性分析

3．1．2 路桥过渡段不均匀沉降限值研究

3．2 CRTSⅠ型双块式无砟轨道台后端梁及CRTSⅡ型板式无砟轨道台后端刺动力效应对比与评估

3．2．1 端刺与端梁动力响应仿真分析

3．2．2 端刺与路基间冲击效应改善措施的研究

3．3 本章小结

4 路桥过渡段轨道结构形式变化的影响

4．1 桥上无砟—路基上有砟时过渡段叠加的影响

4．2 不同处理方式对桥上无砟—路基上有砟过渡段动力特性影响

4．2．1 辅助轨设置的影响

4．2．2 底座板伸长至有砟段的影晌

4．2．3 有砟段轨枕加长的影响

4．2．4 有砟段轨枕加宽的影响

4．2．5 胶粘道砟的影响

4．2．6 有砟—无砟过渡段综合处理方式评价

4．2．7 过渡段内的错位分级理念

4．3 桥上有砟—路基上无砟时过渡段叠加的影响

4．4 路桥过渡段与有砟无砟过渡段错位设置对比分析

4．5 本章小结

5 列车循环荷载作用下高速铁路土质路基累积变形对过渡段的影响

5．1 引言

5．2 土质路基累积塑性变形机理

5．3 循环荷载的模拟

5．3．1 现有预测模型

5．3．2 模型选用及参数选取

5．3．3 土质路基变形的求解过程

5．4 列车循环荷载作用下计算结果分析

5．4．1 土质路基塑性累积变形

5．4．2 循环荷载作用下轨道变形

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 研究创新点

6．3 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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