高速铁路CRTS Ⅰ板式无砟轨道充填层力学性能分析及试验研究

摘要

我国高速铁路以无砟轨道为主，与有砟轨道相比，其具有稳定性、刚度均匀性和耐久性好，平顺性高、维修工作量少等突出优点。板式轨道是无砟轨道的主要形式，由钢轨、扣件、轨道板、板下充填层以及混凝土底座等组成。充填层的服役性能对高速行车的安全性、舒适性以及无砟轨道结构自身的稳定性和耐久性均具有重要影响。因此，在板式无砟轨道设计中，对充填层静动态力学性能研究及关键设计参数的确定尤为重要。然而，目前尚缺少对高速铁路板式无砟轨道充填层的完整理论体系、评价检算方法与试验验证，板式无砟轨道的充填层结构设计、材料选型缺乏依据。
　　论文针对高速铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道，在归纳总结国内外水泥乳化沥青砂浆充填层相关研究成果的基础上，建立起能详细考虑充填层特性的单元板式无砟轨道空间静、动态理论分析模型，依据充填层的功能定位系统开展充填层力学性能与关键参数的分析，提出CRTSⅠ型板式轨道充填层的功能定位以及设计参数的指导性建议。结合充填层材料服役性能室内试验研究，进行充填层力学性能、耐久性能和施工性能的演变规律研究及参数优化分析，研究成果可为充填层的设计提供理论支撑并指导其现场施工，另外通过动力学理论仿真和哈大线现场实车试验对研究成果进行验证和评估。本文主要工作及成果如下:
　　1)建立能充分考虑充填层特性的单元板式无砟轨道空间耦合静力分析方法。针对高速铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道结构，基于弹性地基梁体理论，应用有限单元法，建立了能充分体现充填层支承调整、缓冲协调、弹性阻隔等各方面特性的单元板式无砟轨道空间耦合静力分析精细化模型。模型中采用了广义Maxwell模型以充分考虑充填层材料的粘弹性本构关系。
　　2)建立能充分考虑充填层参振特性的列车-无砟轨道-下部基础空间耦合动力学理论。将车辆视为一个由悬挂弹簧和阻尼联系起来的7刚体共31个自由度的振动系统，轮轨作用由赫兹非线性弹性接触理论和蠕滑理论确定。将钢轨视为弹性点支承基础上的Bernoulli-Euler梁，轨道板视为弹性基础上的弹性实体，凸形挡台及CA砂浆充填层对轨道板提供横垂向非线性弹性约束，底座板视为弹性地基上的弹性实体。并通过不同车速下轨道结构动力学特性的仿真结果与哈大线实测数据的对比验证了模型的正确性和准确性。
　　3)提出了CRTSⅠ型板式无砟轨道充填层功能定位、力学性能与关键设计参数。为系统开展充填层力学性能及其影响因素分析，需首先将其作为系统结构层之一进行功能定位，根据其在结构体系中的支承、传载、减振、隔振、阻裂五大功能特点进行参数辨识并构建针对性强的计算模型，通过大量数值模拟分析探索充填层厚度、密度、弹性模量及其粘弹性本构关系等参数对各项功能的影响，总结提出了充填层功能及参数的指导性建议。
　　4)揭示了CA砂浆充填层厚度、弹性模量等参数及轨道板空吊、砂浆充填不满、充填层刚度不均匀等病害对轨道动力特性的影响规律。利用建立的列车-无砟轨道-下部基础空间耦合精细化动力学模型，对CRTSⅠ型板式无砟轨道的动力学特性进行研究;结合静力分析部分的研究成果，研究CA砂浆充填层厚度、弹性模量等参数以及轨道板空吊、砂浆充填不满、充填层刚度不均匀等病害对轨道动力特性的影响规律，为我国无砟轨道的检测、监测、养护维修工作提供理论依据。
　　5)基于结构和材料的试验研究提出了CRTSⅠ型板式无砟轨道充填层材料服役性能。建立了CRTSⅠ型板式无砟轨道试验模型，测试了不同充填层材料及工况的轨道系统振动与噪声特性，得到了基于减振、降噪与变形协调等功能的充填层材料及施工工艺类型;进行了充填层材料的耐水、抗冻、温度疲劳等耐久性试验，并结合充填层的施工特点，提出了用于CRTSⅠ型板式无砟轨道充填层的CA砂浆性能指标。
　　6)开展了CRTSⅠ型板式无砟轨道充填层动力学性能试验研究。通过无砟轨道充填层材料实车试验，分析行车条件下不同无砟轨道充填层砂浆配方对轨道结构动力性能的影响;另外，针对桥梁、路基、隧道等典型线下基础进行不同车速下CRTSⅠ型板式无砟轨道结构动力特性的高速实车试验研究;通过依据轮轨系统动力学评价指标，如脱轨系数、轮重减载率、轮轨作用力、轨道结构的动力学强度等评估CRTSⅠ型板式无砟轨道结构体系的动力性能、行车安全性、舒适性，测试结果验证了理论研究的正确，并为板式无砟轨道结构充填层的设计、优化提供了试验依据。

目录

致谢

摘要

声明

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高速铁路发展与轨道结构特点

1．2．1 国内外高速铁路发展概况

1．2．2 高速铁路轨道结构特点

1．3 无砟轨道的研究与应用

1．3．1 国外无砟轨道的研究与应用

1．3．2 我国无砟轨道的研究与应用

1．4 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道CA砂浆研究现状

1．4．1 国外板式无砟轨道CA砂浆研究现状

1．4．2 我国板式无砟轨道CA砂浆研究现状

1．4．3 存在的主要问题

1．5 研究内容及研究思路

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究思路

第2章 无砟轨道结构充填层静动力学模型

2．1 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构分类及特点

2．2 静力性能分析模型

2．2．1 弹性地基梁体理论

2．2．2 无砟轨道模型

2．2．3 充填层的粘弹性模型

2．2．4 充填层静力分析有限元模型

2．3 动力性能分析模型

2．3．1 车辆模型

2．3．2 无砟轨道模型

2．3．3 轮轨接触关系

2．3．4 轨道不平顺

2．3．5 主要计算参数及计算模型

2．4 模型验证

2．5 本章小结

第3章 无砟轨道充填层功能及力学性能分析

3．1 无砟轨道结构充填层功能定位

3．2 支承作用

3．2．1 参数辨识

3．2．2 温度荷载

3．2．3 计算分析

3．2．4 充填层的粘弹性材料特性

3．3 传载作用

3．3．1 研究方案

3．3．2 板式无砟轨道的应力扩散规律

3．3．3 充填层厚度对其传载性能的影响

3．3．4 充填层弹性模量对其传载性能的影响

3．4 减振隔振

3．4．1 模态分析结果及数据分析

3．4．2 模态应变能及减振效果分析

3．4．3 瞬态分析及结果

3．4．4 隔振效果分析

3．5 阻裂作用

3．5．1 研究方案

3．5．2 结果分析

3．6 本章小结

第4章 无砟轨道充填层动力特性研究

4．1 动力学评价指标的选取

4．2 CRTS Ⅰ型板式无砟轨道动力响应时程曲线

4．3 充填层材料参数对动力特性的影响研究

4．3．1 充填层厚度对动力特性的影响

4．3．2 充填层弹性模量对动力特性的影响

4．4 充填层病害对动力特性的影响研究

4．4．1 轨道板空吊对动力特性的影响

4．4．2 充填层刚度不均匀对动力特性的影响

4．5 本章小结

第5章 充填层材料服役性能室内试验研究

5．1 充填层性能室内试验工况

5．2 板式无砟轨道充填层材料的力学性能

5．2．1 充填层材料的减振与隔振特性

5．2．2 充填层材料的降噪特性

5．2．3 充填层材料的变形协调性能

5．2．4 充填层材料力学性能的温度敏感性

5．2．5 含气量对低弹模CA砂浆力学性能的影响

5．3 板式无砟轨道充填层材料的耐久性能

5．3．1 充填层材料的抗水损害能力

5．3．2 模注法施工时高弹模CA砂浆的温度疲劳

5．3．3 低弹模CA砂浆的抗冻性研究

5．4 水泥乳化沥青砂浆的施工性能

5．4．1 新拌CA砂浆温度的选定

5．4．2 新拌CA砂浆分离度的选定

5．4．3 充填层CA砂浆膨胀率的选定

5．4．4 充填层CA砂浆流动时间的选定

5．4．5 充填层CA砂浆可工作时间的选定

5．5 本章小结

第6章 无砟轨道充填层性能现场实车试验研究

6．1 无砟轨道结构不同配方的充填层材料实车试验

6．1．1 试验概况

6．1．2 测试结果分析

6．2 无砟轨道不同线下基础上的充填层动力性能实车试验

6．2．1 桥上Ⅰ型板式无砟轨道动态响应

6．2．2 路基上Ⅰ型板式无砟轨道动态响应

6．2．3 隧道里Ⅰ型板式无砟轨道动态响应

6．3 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 有待于进一步研究的问题

参考文献

作者简历

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