（道路与铁道工程专业论文）板式轨道竖向静动力特性分析.pdf

本人声 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：，蘧；超赵日期：2 骂l 年丛月翌日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：盘基二导师签名越缍日期：坦年丛月丝日 摘要 对于3 0 0 3 5 0 k m h 的高速铁路，无砟轨道结构被认为是首选方案。由于无砟 轨道仍处于发展阶段，对于它计算研究理论还需要不断完善。面对在突飞猛进 的客运专线建设大潮中板式轨道大范围使用的情况，加强板式轨道静力和动力 方面的研究显得尤为必要。 本文选用博格板式无砟轨道结构型式，视板式无砟轨道系统为梁一板一实体一 板组合结构体系，建立基于组合结构体系的有限元模型。钢轨采用弹性点支承 梁模型；扣件采用线性弹簧模拟；轨道板与混凝土支承层采用板壳单元进行模 拟；砂浆根据其实际拓扑形状采用实体单元进行模拟，凝土支承层采用了弹性 地基板进行模拟。为消除边界效应，模型选取三块轨道板进行计算，以中间轨 道板作为研究对象。对无砟轨道在动轮重荷载作用下结构变形及受力等反应的 分析方法进行研究。对于静力部分的求解，通过编$ 1 j a n s y s 命令流计算得出分析 结果，其分析方法简便，并具有良好的通用性。此分析方法既充分考虑了结构 各部分的几何特点，又考虑了其材料属性的特征，既方便又科学。 当列车以一定的速度通过轨道时，车辆和轨道都要在空间各个方向上产生 振动，列车振动主要来源于轨道不平顺。在车辆受到不平顺激扰后，产生包括 竖向、横向和纵向等各个方向的振动，由于车辆和轨道两个系统振动是一种耦 合的关系，这种耦合振动最终要通过结构传递形成输出，基于这种观点，目前 对轨道结构动力响应的研究是以轮轨之间的激励为输入，以轮轨接触点为分界 面，向上传递给车辆，向下施加于轨道，以研究轮轨之间的相互作用力为纽带， 建立两个相互独立的物理系统车辆系统和轨道系统的相互耦合作用关系来 研究轨道结构的动力响应。本文通过m s c a d a m s r a i l 建模计算车辆的各种相关 指标，再把其中的轮轨力施加到利用a n s y s 建立的相应轨道竖向动力模型中计算 轨道的响应，探索出计算轨道动力学问题的新方法。 关键词高速铁路，板式轨道，有限元，静力学特性，动力学特性 b o r gs l a bb a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r ei se m p l o y e di nt h i sp a p e r , t a k i n g t h eb a l l a s t l e s st r a c k s y s t e m a sab e a m - b o a r d s e n t i t 、严b o a r d s c o m p o s i t es t r u c t u r es y s t e m t oe s t a b l i s haf i n i t ee l e m e n tm o d e lb a s e do n t h ec o m p o s i t es t r u c t u r es y s t e m f l e x i b l ep o i n t s u p p o r t e db e a mm o d e li s a d o p t e di n t h er a i lt r a c ka n df a s t e n e ri ss i m u l a t e db ya p p l y i n gl i n e a r s p r i n g t h et r a c kp l a t ea n dc o n c r e t es u p p o r t i n gl a y e ri nt h et h i c k n e s s d i r e c t i o na r es i m u l a t e db yu s i n gt h ep l a t eu n i t t h em o r t a ri ss i m u l a t e db y e m p l o y i n gt h ee n t i t yu n i ta c c o r d i n gt oi t sa c t u a lt o p o l o g ys h a p e a n d e l a s t i cf o u n d a t i o np l a t ei su s e dt os i m u l a t et h ec o n c r e t es u p p o r t i n gl a y e r t oe l i m i n a t et h eb o u n d a r ye f f e c t t h r e et r a c ks l a b si nt h em o d e la r e s e l e c t e dt om a k ec a l c u l a t i o n s ，t a k i n gt h em i d d l et r a c ks l a ba st h es t u d y o b j e c t t h i sp a p e ra l s o s t u d i e st h e a n a l y s i sm e t h o do fs t r u c t u r a l d e f o r m a t i o na n dr e a c t i o nf o r c eo fb a l l a s t l e s st r a c ku n d e rt h ef u n c t i o no f t h eh e a v y - l o a d e dt r a c t i o nw h e e l a n s y sc o m m a n ds t e a m sa r e p r o g r a m m e dt oc a l c u l a t et h er e s u l ta n do b t a i nt h es o l u t i o no ft h es t a t i c p a r t t h i sm e t h o di ss i m p l ea n dc o n v e n i e n ta n d i so fg o o dv e r s a t i l i t y i t n o to n l yt a k e st h eg e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i co fe a c hp a r to ft h es t r u c t u r e i n t of u l lc o n s i d e r a t i o nb u ta l s oi t sm a t e r i a l p r o p e r t i e s w h i c hi sb o t h c o n v e n i e n ta n ds c i e n t i f i c w h e nt h et r a i np a s s e st h et r a c ka tac e r t a i ns p e e d ，b o t ht h et r a i na n d t h et r a c kw i l lg e n e r a t ev i b r a t i o n si na l ld i r e c t i o n sw h i c hm a i n l yc o m e f r o mt h ei r r e g u l a r i t yo ft h et r a c k s t i m u l a t e db yt h ei r r e g u l a r i t y ，t h e v e h i c l ew i l lv i b r a t ei nt h ev e r t i c a l ，h o r i z o n t a la n dl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n s i i k e y w o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y , s l a bt r a c k ，f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ，s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c 目录 第一章绪论；l 1 1 引言1 1 2 无砟轨道概况2 1 2 1 国外情况2 1 2 2 国内情况8 1 3 板式无砟轨道研究现状9 1 3 1 国外情况9 1 3 2 国内情况1 0 1 4 本文研究的意义1 1 1 5 本文主要研究内容和方法1 2 1 6 本章小结1 3 第二章板式无砟轨道结构计算理论和竖向静力模型1 4 2 1 板式轨道结构组成及特点1 4 2 1 1 博格板式轨道的技术特点1 4 2 1 2 博格板式轨道的结构设计1 5 2 2 弹性地基梁理论1 8 2 2 1 概述1 8 2 2 2 弹性地基梁模型1 9 2 2 3 多重叠合梁模型2 0 2 2 4 弹性地基梁模型在轨道结构竖向受力计算中的应用2 0 2 3 有限单元法2 1 2 3 1 概述2 1 2 3 2 有限单元法基本原理2 l 2 3 3 有限单元法分析过程2 2 2 4 板式轨道结构竖向静力计算模型的建立2 4 2 4 1 板式轨道的建模思想2 4 2 4 2 板式轨道竖向静力模型2 5 2 4 3 单元的划分2 5 2 4 4 有限单元形式平衡方程的建立2 6 2 4 4 1 钢轨梁单元2 6 i v 2 6 薄板单元2 6 2 9 2 9 2 9 3 0 3 0 3 0 中的应用3 0 3 1 3 2 3 2 3 3 3 4 3 4 3 5 3 5 3 6 3 4 3a d a m s r a i l 仿真分析3 6 3 4 4a d a m s r a i l 后处理3 7 3 5a d a m s r a i l 中模型的建立3 7 3 5 1 车辆模型3 7 3 5 2a d a m s r a i l 中轨道模型3 8 3 5 3 轮轨接触模型3 9 3 6 利用a n s y s 建立轨道竖向动力模型3 9 3 6 1 有限单元法的求解及a n s y s 软件的介绍3 9 3 6 2 板式轨道竖向动力建模思想4 1 3 6 3 板式轨道竖向动力模型4 1 3 7 本章小结4 2 第四章板式轨道竖向静力特性分析4 3 4 1 轨道板的设计计算4 3 4 1 1 荷载和计算参数4 3 v 4 1 2 容许应力4 3 4 1 3 轨道板截面应力计算4 3 4 2 轨道板厚度对轨道结构静力特性的影响4 4 4 3 扣件刚度对轨道结构静力特性的影响4 5 4 4 砂浆弹性模量对轨道结构静力特性的影响4 7 4 5 基础刚度对轨道结构静动特性的影响4 8 4 6 水硬性材料支承层厚度对结构静力特性的影响5 0 4 7 本章小结5 1 第五章板式轨道竖向动力特性分析5 2 5 1 车辆一轨道系统激励模型5 2 5 1 1 轨道几何不平顺5 2 5 1 2 轨道随机不平顺激扰模型5 4 5 2 轨道不平顺的影响5 4 5 3 本章小结6 2 第六章结论及展望6 3 6 1 本文完成的主要工作6 3 6 2 今后须努力的方向6 4 参考文献6 5 致谢7 1 攻读学位期间的主要研究成果7 2 v i 硕十学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 高速铁路的技术特点是高速度，它对轨道结构提出了高平顺性和高稳定性 的要求。高平顺性是乘坐舒适性的保证，高稳定性是少维修的基础。我国铁路 一直面临运力、运能十分紧张的局面，高速铁路作为路网的一部分，运输与维 修的矛盾依然存在，因此，采用少维修的无砟轨道结构形式对高速铁路具有重 要意义。尽管无砟轨道造价比有砟轨道高，但由于其具有轨道平顺性好，整体 性强，稳定性好，结构高度低，几何状态持久，以及低维修量等优点，可形成显 著的社会经济效益，在国际上日益受到重视，越来越多的国家正致力采用和发 展无砟轨道工程技术，并取得了长足进展乜1 。其应用范围已从隧道、桥梁拓延至 土质路基和车站的道岔区，并有新技术与新型结构不断出现1 。毫无疑问，无 砟轨道工程技术已成为世界高速铁路轨道结构的发展趋势h 副。 虽然修建无砟轨道的造价高于有砟轨道，但由于无砟轨道结构具有建筑高 度低、每延米质量轻的特点，可使桥梁、隧道结构物的建设费用降低。此外， 采用无砟轨道结构还可大大减少工务综合维修工区的设置和大型养路机械的配 备。据国外资料分析，无砟轨道造价大约是有砟轨道的两倍，这些费用可以在 以后1 0 年节约的养护维修费用中得到补偿。客运专线无砟轨道与有砟轨道的技 术、经济比较已经有了初步的结论，无砟轨道已成为客运专线的发展趋势。我 国国民经济的快速发展和对铁路运输的迫切需求，使今后一段时间成为无砟轨 道技术在我国客运专线大面积推广的最佳时机口1 。 虽然无砟轨道在德国和日本经过数十年的发展，其设计思路和施工技术已 比较成熟，但是仍有一些问题需要优化解决。在我国，无砟轨道和发达国家同 时起步，不过由于历史的原因，相关研究进展缓慢。所以现在与国外发达国家 的先进无砟轨道工程技术相比仍存在较大差距，需要我们不断研究和借鉴。随着 我国中长期铁路网规划的批复和京津、武广、郑西、石太、合宁、合武、 温福、福夏、涌温等9 条客运专线的立项、批准、建设以及京津城际的投入运 营，标志着我国客运专线工程建设开始启动。由于列车速度越来越高，无砟轨道 的结构形式大量被采用；随着列车运行速度的提高，对轨道结构与路基结构也 提出了更高的要求。在隧道内、高架结构和桥梁上铺设无砟轨道，已被普遍认 可并已标准化呻7 儿8 。而在高速铁路土质路基上的应用则十分谨慎，除德国r h e d a 轨道铺设应用较多并基本定型外，其它国家多处于积极的试铺试验中。基于我 第一章绪论 于初级阶段，不同客运专线宜根据沿线的自 准，选择代表性段落进行深入试验研究，待 专线土质无砟轨道的的动力特性研究，对我 9 】 0 传统有砟轨道结构自诞生之f 1 起就显现出稳定性差的缺点，其原因在于碎 石道床在列车荷载长期作用下产生变形及道砟的磨损和粉化。由于钢轨支撑点 的非连续性，道床变形沿线路纵向呈现非均匀性特点，对保持良好的轨道几何 状态和均衡质量十分不利。一般情况下，道床维修工作量占线路维修工作量的 7 0 以上，而高速铁路相对于普通既有线路维修费用要增) j t l 2 倍，道砟使用周期 减少一半。目前，高速铁路的发展趋势是运营速度 _ 3 0 0 k m h ，其对轨道结构的 平顺性和稳定性要求更高，有砟轨道结构的适应性问题已引起普遍关注，并出 现解决问题的的两个思路，即完善有砟轨道结构和运用无砟轨道结构。 在已经采用高速铁路技术的国家中，德国和日本采用的是无砟轨道技术， 法国仍然采用有砟轨道技术，但是实践的结果表明，道砟粉化严重，轨道几何 尺寸难于保持，维修周期短，维修费用大大增加，甚至影响正常的运营，使用 不到十年不得不全面大修，更换道砟口3 。所以，无砟轨道技术发展比较成熟的主 要国家是德国和日本，而德国和日本的发展道路又不相同。 德国采用的体制是自主研发、统一管理的模式。由德铁制定统一的技术要 求，企业自主研究开发不同型号的无砟轨道，在指定的实验室进行实尺模型激 振试验及性能综合评估，并经德铁技术检查团( e b a ) 认证、批准后，方有资格 在线路上进行有限长度的试铺。试铺的无砟轨道要经过5 年的运营考验并经e b a 的审定，通过后方可正式使用。上述体制大大调动了全社会研发无砟轨道的积 极性，因此，德国铁路自1 9 5 9 年开始研究到现在先后在土质路基、高架桥上及 隧道内试铺了各种混凝土道床和沥青混凝土道床的无砟轨道。经过不断改进、 优化和完善，不仅形成了德国铁路的无砟轨道系列，而且还形成了比较成熟的 技术规范和管理体系，研制了成套的施工机械设备和工程质量检测设备，使无 砟轨道在德国顺利推广。 至u 2 0 0 3 年，德困铁路无砟轨道总铺设长度6 0 0 多公里。德国无砟轨道的主型 结构是轨枕埋入式和博格板式无砟轨道。雷达2 0 0 0 、旭普林和柏林同属双块式 2 硕上学位论文第一章绪论 埋入式无砟轨道，a t d 、g e t r a c 等则为直接支撑式无砟轨道，与雷达、博格式轨 道结构有较大的区别。初期铺设的雷达型和博格板式轨道都经历了3 0 年的运营 考验，轨道状态始终良好。2 0 0 2 年完工的科隆一法兰克福新建线铺设的雷达 2 0 0 0 、旭普林和柏林无砟轨道占全长的8 7 6 ，正在建设的纽伦堡一英戈尔施塔 特线博格板式无砟轨道占线路全长的8 4 3 。 日本研制发展无砟轨道采取有组织的的统一研发推广模式，并且始终围绕各 种类型的板式轨道展开。2 0 世纪6 0 年代中期，日本开始了板式无砟轨道结构系 统的理论研究和试验。铁道综合技术研究所汇集轨道、土工、桥隧、材料以及 化工等专业的研究人员组成系统攻关研究小组。在研究开发初期，研究小组针 对不同的板式轨道方案进行了设计选型，并通过部件试验、实尺模型加载试验、 涉及修改、运营线试验段铺设，最终形成了日本板式轨道的系列产品。 日本板式轨道基本构成比较统一，但对于不同线路等级、不同自然条件、不 同基础条件、不同车速和运营条件其构造与尺寸略有不同。板式轨道研发过程 中，研究人员曾提出多种结构设计方案，如a 型、m 型、l 型和r a 型等。目前定型 的板式轨道有普通a 型、框架型及在特殊减振区段实用的减振g 型等。 日本板式轨道在新干线的推广有一定的过程。1 9 6 4 年建成的东海道新干线没 有铺设无砟轨道。1 9 7 2 年建成的山阳新干线冈山以东铺设了8 k m 无砟轨道，占线 路全长的5 ；1 9 9 2 年建成的山阳新干线冈山以西修建了2 7 3 k m 的无砟轨道，占线 路全长的6 9 ：东北新干线无砟轨道占线路全长的8 2 ；上越新干线无砟轨道占 线路全长的9 0 。目前，日本不仅在桥梁、隧道中铺设无砟轨道，而且在路基上 也全面推广使用。到目前为止，日本板式轨道铺设已经超过2 7 0 0 公里，说明无 砟轨道日益成为高速铁路客运专线首选道床结构，也说明了无砟轨道技术在同 本已经成熟，并且大面积推广。 随着高速铁路的发展，国外各国研制出了不同的无砟轨道结构，以下列举 比较有代表性的几种类型： l 、德国的博格板式轨道。 德国博格板式无砟轨道系统的前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔费尔德一达豪 的一种预制板式无砟轨道。通过对其进行包括预应力结构、结构尺寸、纵向连 接等方面的优化和改进；采用先进的数控磨床来加工预制轨道板上的承轨槽； 使用方便的测量系统，使其精度容易满足高速铁路对轨道几何尺寸的高要求。 高性能沥青水泥砂浆垫层可以为轨道提供适当的刚度和弹性。博格公司为轨道 板施工研制生产了成套设备，使得博格板式轨道机械化程度高于一般轨道结构。 硕士学位论文 第一章绪论 博格板式无砟轨道已获得了德国联邦铁路管理局颁发的许可证，可用于3 0 0 k m h 的高速铁路，目前正在德国纽伦堡至英戈尔旌塔特的新建高速线上铺设。 根据不同的需求，德国研制了适应不同基础设施条件的博格板式无砟轨道。 分别有路基上的博格板式无砟轨道，长度小于2 5 m 桥梁上的博格板式无砟轨道， 长度大于2 5 m 桥梁上的博格板式无砟轨道，隧道内的博格板式无砟轨道。 路基上博格板式轨道构造层次构成依次为：级配碎石构成的防冻层( f s s ) 、 3 0 c m 厚的水硬性混凝土支承层( h g t ) 、3 c m 厚的沥青水泥砂浆层、2 0 c m 厚的轨 道板，在轨道板上安装扣件。博格板式轨道系统轨顶至水硬性混凝土顶面的距 离为4 7 4 m m 。 博格板式无砟轨道具有以下特点： ( 1 ) 轨道板在工厂批量生产，进度不受施工现场条件制约。 ( 2 ) 每块板上有l o 对承轨台，承轨台的精度用机械打磨并由计算机控制。工 地安装时，不需对每个轨道支承点进行调整，使工地测量工作可大大减少。 ( 3 ) 预制轨道板可用汽车在普通施工便道上运输，并通过龙门吊直接在线路 上铺设，无须二次搬运。 ( 4 ) 现场的主要工作是沥青水泥砂浆层的灌注，灌注层在灌注5 - - - - 6 h 后即可 硬化。 ( 5 ) 具有可修复性，除在每个钢轨支撑点处( 轨道扣件) 调高余量外，还可 以调整预制板本身的高程。 ( 6 ) 博格板式轨道的缺点是制造工艺复杂，成本相对较高。 2 、r h e d a 型无砟轨道 如前所述，德国铁路于上世纪6 0 年代开始无砟轨道的研究，曾试铺过多达 1 7 种无砟轨道结构，其轨道的基础分钢筋混凝土( b t s ) 和沥青混凝土( a t s ) 2 类。 r h e d a 型轨道是钢筋混凝土底座上的结构型式之一，其结构见图卜1 。r h e d a 型轨 道由轨枕及其周围灌筑的混凝土组成，在桥、隧和土质路基上都适用。在德国 铁路铺设的6 6 0k m 无砟轨道中，r h e d a 型约占5 0 以一卜n 们3 。 - v 上b 3 0 1 塑优- 上 i 踟隆i 譬棚 f l l g t 7 26 l 轮 图1 - 1 普通r h e d a 型无砟轨道结构 4 硕士学位论文 第一章绪论 3 、日本的板式轨道 从无砟轨道结构的推广应用看，以日本的板式轨道瞄1 最为广泛。截止到目 前，其板式轨道累计铺设里程已达2 7 0 0 多公里。板式轨道的开发始于1 9 6 5 年， 在最初的“新轨道结构的研究”研究项目中，日本铁道综合技术研究所组成了 由轨道结构、材料、土工、物理、有机化学研究室人员组成的新轨道结构研究 组，分别承担相应的课题研究。其中，图卜2 为日本板式无砟轨道的结构图。 。轨邋扳tp c 戏r c ) 图卜2 日本板式无砟轨道结构图 日本定型的轨道板有适用于隧道或高架桥上的a 型、框架型轨道板、适用 于土质路基上的r a 型轨道板及特殊减振区段用的防振g 型轨道板等，构成了适 用于各种不同使用范围的轨道板系列u 引。 日本从6 0 年代中期开始进行板式无砟轨道的研究到目前大规模的推广应 用，走过了4 0 年的历程。对于最初提出的轨道结构方案，铁道综研相继进行设 计、部件试验、实尺模型试验、设计修改、在营业线上试铺等，试验中采用x 2 0 0 型试验车，在棚车的中央设置特殊的加载轴，施加各种轮重和横向力，测定轨 道各部件由荷载产生的位移、应力和压力，与设计值进行对比。此外，将两轴 车固定在试验轨道上，在车轴上安装激振装置产生振动，测定钢轨和轨道板的 振幅，取得轨道的振动特性，对轨道部件进行静载、疲劳试验，确认在营业线 上应用的实用性。 从津田沼、r 野土木试验所内的实尺模型试验到既有线、新干线的桥梁、 隧道和路基上的各种型式无砟轨道结构的试铺，总共建立了2 0 多处近3 0 多公 里的试验段，开展了大量的室内、运营线上动力测试和长期观测的试验研究工 作，并在试验结果的基础上，不断地改进完善结构设计参数和技术条件，最终 将普通a 型、框架型等板式轨道结构作为标准定型，在山阳、东北、上越、北 以成型，又称为减振型轨道。其最初由r o g e r s o n n e v i l l e 提出并开发，瑞士国铁 于1 9 6 6 年在隧道内首次试铺该种无砟轨道。法国开发的v s b s t e 2 d e t 系轨道 也属此类，在地下铁道内使用居多。1 9 9 3 年开通运营的英吉利海峡两单线隧道 内全部铺设独立支承块式l v t 型轨道，其结构见图卜3 。至今l v t 轨道的铺设总长 度约3 6 0k m 。 吼艘袈 ，入镑港麓鞠 覆辚入盼道镰獭 1 2 凇霹德黢羲鼷 巴黧墨! l 二期混鬟主譬主、 y l 壤宠滗疆土 图1 - 3 英吉利海峡隧道内l v t 型轨道结构 5 、a t d 型无砟轨道 a t d 型轨道的结构型式，采用双块式轨枕直接置于沥青混凝土底座上，在 轨枕与底座间设置一层无纺布来填平表面的凹凸，不需要填充层，并在底座上 6 硕上学位论文 第一章绪论 设凸台，用树脂填充轨枕与底座问的缝隙等以承受纵、横向水平力的作用。在 沥青混凝土底座上的其它结构，如b t d 、w a l t e r 型等是用轨枕取代a t d 型中的双 块式轨枕块，且轨枕与底座间的联接方式各不相同，这些联接方式以满足必要 的纵、横向阻力为前提。至1 9 9 7 年末，铺设在沥青混凝土底座上的无砟轨道约 有6 6 k m 。图1 - 4 为a t d 型轨道的结构图。 图卜4a t d 型轨道的结构图 6 、p a c t 型无砟轨道 英国铁路从1 9 6 0 年开始研究无砟轨道，1 9 6 6 年起开始试铺各种型式的板式 轨道。英国铁路的无砟轨道与日本新干线和德国铁路干线所铺设的板式轨道均 不相同，它是用钢筋混凝土灌注成的无接缝连续的刚性道床板直接支承钢轨， 在轨底与混凝土道床之间放置一条带状的连续橡胶挚层，以给轨道提供必要的 弹性，采用潘德罗尔弹条扣件联结。这种轨道也称为p a c t 型无砟轨道。英国铁 路试铺的p a c t 型无砟轨道，具有投资较低、维修费用少、噪音小、稳定性强等 特点，适宜在隧道内和高架桥上使用。但由于轨道板与其基础是刚性联结，故 要求基础必须坚实、不变形，一旦混凝土道床损坏，修复是很困难的。p a c t 型 无砟轨道的结构图见图卜5 。 图1 - 5p a c t 型无砟轨道的结构图 目前，无砟轨道的优越性已经被世界许多建设高速铁路的国家和地区认可。 韩国、印度、荷兰、中国台湾近年修建的高速铁路都成段、成线地采用无砟轨 7 第一章绪论 究几乎同步。初期 架式沥青道床等多 京原线、京通线、 后来试铺过由沥青 设在大型客站和隧 、轨道基础的技术 验，为发展无砟轨 道新技术打下了基础引。 1 9 9 5 年 - - 1 9 9 7 年间，我国试铺弹性支承块式无砟轨道，并在秦岭隧道一线、 二线推广使用，合计铺设长度3 6 8 k m 。之后在宁西线( 西安一南京) 、兰武复 线、宜万线、湘渝线等隧道内及城市轨道中得到广泛应用。 1 9 9 8 年铁道部科技开发计划项目“高速铁路高架桥上无砟轨道关键技术的 试验研究 ，完成了对三种结构型式的无砟轨道( 长轨枕埋入式、弹性支承块 式、板式轨道) 的初步设计、室内实尺模型铺设及各项性能试验；初步提出高 架桥上无砟轨道的施工方案；提出了高速铁路无砟轨道桥梁徐变上拱的限值与 控制措施；建立了桥上无砟轨道车、线、桥耦合模型并进行了仿真计算，分析 了高速桥上无砟轨道的动力特性与车辆走行性能。 1 9 9 9 年在铁道部科技开发计划项目“秦沈客运专线桥上无砟轨道设计、施 工技术条件的研究与编制 的有力推动下，秦沈客运专线选定了三座高架桥作 为无砟轨道的试铺段。其中，沙河特大桥( 长6 9 2 m ) 试铺长枕埋入式无砟轨道； 狗河特大桥( 长7 4 1 m ) 直线和双何特大桥( 长7 4 0 m ) 曲线上试铺板式轨道，同 时提出了秦沈线无砟轨道设计技术条件、施工技术细则和无砟轨道工程质量检 验评定标准。 2 0 0 0 年铁道部科技司和工程管理中心项目“秦沈客运专线桥上无砟轨道综 合试验 ，2 0 0 1 年1 2 月、2 0 0 2 年9 月和2 0 0 2 年1 1 月1 2 月铁道部组织在秦 沈专线上进行三次运行列车综合试验。作为新型轨道结构技术发展的重要环 节，为掌握桥上无砟轨道在高速运行条件下的结构受力、变形和振动特性，并 评估两种无砟轨道结构的动力性能，三座桥上无砟轨道试点和两座桥上有砟轨 道( 石河二号特大桥、跨兴闫公路特大桥) 进行了对比测试。 硕上学位论文第一章绪论 2 0 0 1 年和2 0 0 2 年立项“渝怀线隧道内长枕埋入式无砟轨道的试验研究” 和“赣龙铁路隧道内板式无砟轨道的试验研究 ，以完善新型无砟轨道结构和 运营条件，完成试点无砟轨道的设计和施工技术条件的编制，并分别于2 0 0 3 年、2 0 0 4 年完成渝怀线鱼嘴2 号隧道、赣龙线枫树排隧道的试铺。至此，我国 铁路除了土质路基上无砟轨道尚处于前期研究外，在桥梁和隧道内都设了无砟 轨道的试铺点u 6 | 。 2 0 0 8 年，采用博格板式无砟轨道结构的京津城际轨道交通全面开通；已建 成的郑西客运专线采用旭普林型无砟轨道；建设中的武广客运专线全线采用 r h e d a 型无砟轨道；建设中的京沪客运专线全部使用博格板式无砟轨道改进型一 - - c r t s i i 型板式无砟轨道。 我国台湾省台北一高雄的高速铁路全长3 4 5 k m ，其中无砟轨道1 5 5 k m ，在1 2 3 组道岔中有9 6 组采用雷达2 0 0 0 无砟轨道结构。全线2 0 0 5 年1 0 月投入运营。 在4 0 多年的研究与实践中，我国在无砟轨道的结构设计、施工方法、轨道 基础的技术要求等方面积累了宝贵的经验，为进一步发展无砟轨道技术打下了 基础n 7 儿1 8 1 。虽然我国铁路在桥梁和隧道内都大量铺设了无砟轨道结构，但土质 路基上无砟轨道目前仍处于理论研究，试铺比例还不大，如已开通的京津城际 轨道交通中路基部分只占约3 0 ，在建的京沪客运专线桥梁部分所占比例约为 8 0 左右，路基部分所占比例约为2 0 左右。土质路基上铺设无砟轨道在国外高 速铁路中应用发展很快，我国高速客运专线及高速客货混运的无砟轨道的研究 才刚刚起步。以前，我国只是在铁路桥梁和隧道中使用过无砟轨道而在土质路 基上却没有使用过这种结构形式。随着无砟轨道在国内的兴起，土质路基上的 无砟轨道结构以其适用范围广、性价比高、维修量小等优点，得到了工程界广 泛重视1 。j 。 1 3 板式无砟轨道研究现状 1 3 1 国外情况 国外对于板式无砟轨道的研究比较成熟乜叼叫3 引，已经步入轮轨相互作用的系 统动力学研究阶段，它以细致地考虑机车车辆系统、轨道结构系统和轮轨相互 作用并集三者于一体为主要特征，机车车辆与轨道通过轮轨关系耦合作用。这 种从系统工程角度出发研究车辆一轨道动力相互作用己成为轮轨相互作用研究 的重要手段，是轮轨动力分析的发展趋势，并逐渐为铁路轮轨相互作用的动力 试验结果所证实。 9 硕十学位论文第一章绪论 萨拉热窝大学的v e b r i c 等，应用边界元法对板式轨道在移动荷载作用下的 动力学响应及振动在土中的传播规律进行了研究，采用计算机仿真数据较好的 模拟了现场测试数据，即使在模型轨道长度很短的情况下，结果仍然比较理想； 美国哥伦比亚l p a 集团公司的m o h a m m a d i 等，应用边界元法和有限元法通 过数值积分对铁路轨道的动力学响应进行了研究，研究是通过施加谐振力和瞬 时冲击力计算整个轨道系统振动频率的方法来开展，研究了轨道系统在不同地 基弹性系数下的响应。 德国r e h f e l d 等通过对变形预测和稳定性的分析确定了板式轨道的铺设条 件，特别是地基条件。德国b o c h u m 大学的h u b e r t 等指出近几年随着t g v 和i c e 等高速列车的发展，己经使振动分析发展到地基及邻近的建筑物领域，这就需 要研发具有较好动力学性能的板式轨道并探索减振的可能途径，在时频响应模 型中采用了边界元法以研究轨道的动力学性能和减振效果。 德国h a s s l i n g e r 等研究了不同轨道结构在列车荷载作用下的动力学响应， 包括轨道扣件、轨枕，板式轨道和浮置板轨道，在模型中地基被视为具有一定 弹性和阻尼的弹性体，主要荷载工况包括速度以及轨道部件的动力学参数的变 化。 1 3 2 国内情况 经过四十年的不断发展，我国板式无砟轨道结构静力学和动力学分析已取 得了一些成绩。最早提出采用叠合梁法来对无砟轨道或者整体道床结构进行分 析，并逐步发展到采用有限元理论进行详尽的分析。 2 0 0 4 年高江宁口3 1 的硕士学位论文采用叠合梁方法对整体道床结构进行分 析，并对设计参数进行了研究。 2 0 0 5 年李春霞口朝等建立土路基上板式轨道结构的分析模型，对土路基上板 式轨道受力特性进行了分析，把轨道结构当作弹性实体，计算了板式轨道各层 结构的受力和变形。 2 0 0 6 年齐春雨啪1 的硕士学位论文采用弹性地基梁法对土质路基上板式轨 道结构建立力学模型，列出微分方程式及其边界条件，并采用牛顿下山法解出 方程，得到土质路基上板式轨道、轨道板、底座等各部件的弯矩、应力以及地 基承载能力，分析不同参数变化对结构响应的影响。 在动力方面也取得了一定进步，2 0 0 4 年娄平口7 1 等用有限元法分析了板式轨 道在移动荷载作用下的动力响应，视板式轨道及移动荷载为一个系统，运用弹 i o 硕士学位论文 第一章绪论 性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座法则建立该系统的 振动方程组，研究了移动荷载的速度、钢轨的类型和钢轨支点的弹性系数对钢 轨及轨道板动力响应的影响。 西南交通大学的翟婉明汹3 教授发展了车辆一轨道耦合动力学模型，并应用 它进行了一些分析，将板式轨道系统做成两层梁体系进行分析，主要分析了长 钢轨的焊接凹接头、竖错不平顺以及板式轨道c a 砂浆层动力学参数的改变对整 个系统的影响。 2 0 0 4 年赵坪锐口町运用车辆一轨道耦合动力学理论建立板式轨道和高速车辆 垂向耦合动力学模型，其中轨道板采用弹性薄板模型，通过对板式轨道短波不平 顺即焊接接头不平顺进行计算机仿真分析，研究高速铁路板式轨道的动力特性， 并探讨板式轨道c a 砂浆垫层厚度和扣件刚度对系统动力性能的影响规律。 韩卫军n 町的硕士学位论文为了准确描述高速车辆与板式轨道相互作用的动 力学特征，以车辆一轨道耦合动力学理论为基础，建立了高速车辆与板式轨道 垂向相互作用的动力学模型，编制了相应的动力学仿真计算软件。根据日本板 式轨道的研究资料，提出了板式轨道两种垂向不平顺一竖错与折角的动力学模 型，同时引入了同本研究人员所建立的高速铁路长钢轨焊接区轨面短波不平顺 模型。 赵坪锐h 妇的硕士学位论文以秦沈客运专线板式轨道为研究对象，建立了板 式轨道一高速列车耦合动力学模型。模型中，针对轨道板的几何特性和受力特 点，采用了弹性薄板单元而不采用简化的梁单元。针对板式轨道可能出现的短 波不平顺形式，如焊接接头不平顺、竖错不平顺进行了系统分析，通过对车辆 系统及轨道部件动力响应的分析比较，指出了常见短波不平顺的合理限值。 毛建红h 2 1 硕士学位论文建立了r h e d a 一2 0 0 0 无砟轨道结构动力分析模型并进 行了参数分析。 参考文献 4 3 6 0 也进行了这些方面的研究，由于篇幅限制，其详细内 容不在这里一一列出。 综上所述，目前国内外都致力于发展无砟轨道，取得了可喜的成绩。但是， 无砟轨道还处于发展阶段，理论计算采用的模型较多，其合理性仍需不断完善。 1 4 本文研究的意义 无砟轨道已成为高速铁路、客运专线轨道结构发展的必然趋势。对于 3 0 0 3 5 0 k m h 的铁路，无砟轨道结构被认为是首选方案。由于无砟轨道仍处于发 硕十学位论文 第一章绪论 展阶段，计算研究理论还需要不断完善。尤其我国无砟轨道结构的设计计算理 论发展还不够成熟，不能满足当前高速铁路和客运专线无砟轨道应用的需求。 鉴于这种情况，对无砟轨道结构分析方法的研究迫在眉睫，具有重要的现实意 义。本文选用博格板式无砟轨道结构型式，视板式无砟轨道系统为梁一板一实体一 板组合结构体系，建立基于组合结构体系的有限元模型。钢轨采用弹性点支承 梁模型；扣件采用线性弹簧模拟；轨道板与混凝土支承层在其厚度方向上的尺 寸远小于长度和宽度方向上的尺寸，符合弹性薄板的结构特点，采用板壳单元 进行模拟；砂浆根据其实际拓扑形状采用实体单元进行模拟，为模拟下部基础 对轨道结构的支承作用，混凝土支承层采用了弹性地基板进行模拟。为消除边 界效应，模型选取三块轨道板进行计算，以中间轨道板作为研究对象。并利用 大型有限元分析软件舢n s y s 编制命令流计算板式轨道在静力作用下的响应，期 望对板式轨道的设计有一定的建议。 1 5 本文主要研究内容和方法 本文选用博格板式无砟轨道结构型式，对无砟轨道在动轮重荷载作用下结 构变形及受力等反应的分析方法进行研究。对于静力部分的求解，通过a n s y s 编 程计算得出分析结果，其分析方法简便，并具有良好的通用性。对于动力部分， 通过m s c a d a m s r a i l 建模计算车辆的各种相关指标，再把其中的轮轨力施加到 利用a n s y s 建立的相应轨道竖向动力模型中计算轨道的h 向应。 视板式无砟轨道系统为梁一板一实体一板组合结构体系，建立基于组合结构体 系的有限元模型。钢轨采用弹性点支承梁模型；扣件采用线性弹簧模拟；轨道 板与混凝土支承层在其厚度方向上的尺寸远小于长度和宽度方向上的尺寸，符 合弹性薄板的结构特点，采用板壳单元进行模拟；砂浆根据其实际拓扑形状采 用实体单元进行模拟，为模拟下部基础对轨道结构的支承作用，混凝土支承层 采用了弹性地基板进行模拟。为消除边界效应，模型选取三块轨道板进行计算， 以中间轨道板作为研究对象。 当列车以一定的速度通过轨道时，车辆和轨道都要在空间各个方向上产生 振动，列车振动主要来源于轨道不平顺。在车辆受到不平顺激扰后，产生的竖 向振动对列车和轨道板产生重要影响，由于车辆和轨道两个系统振动是一种耦 合的关系，这种耦合振动最终要通过结构传递形成输出，基于这种观点，目前 对轨道结构动力响应的研究是以轮轨之间的激励为输入，以轮轨接触点为分界 面，向上传递给车辆，向下施加于轨道，以研究轮轨之间的相互作用力为纽带， 1 2 硕士学位论文 建立两个相互独立的 研究轨道结构的动力 针对板式轨道特 统动力学性能的分析 1 6 本章小结 本章主要介绍了无砟轨道的发展、分类和应用，更进一步说明了进行板式轨 道深入研究的必要性以及国内外在其静力学和动力学方面研究的进展，同时阐 述了本文研究的意义及研究的内容和实现的方法。 型 通过近年的理论研究和经验表明， 数据比只用叠合梁理论更趋于精确阳引， 元法建立梁板组合体进行分析。 2 1 板式轨道结构组成及特点 2 1 1 博格板式轨道的技术特点 利用有限单元法建立梁板组合体计算的 所以本文板式轨道静力模型也采用有限 在板式无砟轨道中，应用范围最广的是博格板式无砟轨道，所以本文采用 博格板式无砟轨道为研究对象。博格板式无砟轨道于1 9 7 7 年第一次上道铺设， 由钢轨、弹性扣件、预制轨道板、沥青水泥砂浆调整层及水硬性支承层底座等 部分组成。 蓬 纵 图2 - 1 路基地段博格轨道结构示意图 1 4 硕士学位论文 该轨道系统结 轨道整体性和板式 日本板式采用的凸 砂浆层为半刚性体 2 1 2 博格板式轨 1 、弹性扣件 采用v o s s l o h 3 0 0 - - i 型弹性不分开式扣件。 2 、轨道板 标准轨道板为先张预应力混凝土预制板，板厚0 2 m ，宽2 5 5 m ，系统长度 6 5 m ，每块板设置1 0 对承轨台，在两个相邻的承轨台之间每间隔6 5 c m 处设有 横向的预设断裂缝，缝深4 c m 。 为保证承轨台精度，采用数控机床对承轨台进行精加工。 p o s s i b l eh e i g h tc o