（道路与铁道工程专业论文）高速铁路桥上纵连板式轨道结构参数研究.pdf

原创性声明 f 删删删俐删删m 舢删舢 y171i 9 i | m7 i | 1 1 11 4 i i i i11811 i | 1 。 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 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：烟鑫日期：边年且月缉日 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。 期：迦2 年且月丝日 摘要 高架桥、长大桥己成为高速铁路的主要特征。由于无砟轨道和桥 梁结构的特殊性，在长大桥上铺设无砟轨道是受限制的。为了解决这 一难题，一种新型的无砟轨道结构纵连板式轨道被推出，其主要特 点是底座板和桥梁之间设置滑动层，解决了在温度荷载作用下的钢轨 纵向附加力对桥梁的影响难题，但是此种结构在列车荷载作用下动力 性能评价还是很少。本文针对这一新型结构，从竖向振动角度，研究 列车与桥上纵连板式轨道系统的动力响应，通过参数分析，提出其结 构参数的合理取值范围。 根据桥上纵连板无砟轨道的特点，取半宽轨道进行研究，视桥上 纵连板式无砟轨道结构为如下模型：钢轨模拟为连续弹性点支承的 e u l e r 长梁，轨道板在模型中作为连续粘弹性支承e u l e r 自由短梁， 砂浆模拟为线性均布面弹簧和阻尼器，底座板在模型中作为连续粘弹 性支承e u l e r 长梁，桥梁被模拟为考虑r a y l e i g h 阻尼的e u l e r 梁， 把单个车辆模拟成6 个自由度多刚体系统模型，完成了多个车辆运行 模拟。运用轮轨密贴假定实现车轮与轨道的位移衔接，应用弹性系统 总势能不变值原理和形成矩阵的“对号入座 法则建立系统竖向振动 有限元矩阵方程，用m a t l a b 语言编制了相应振动分析程序，将确定 周期性正弦不平顺做为系统激振源进行计算分析，输出主要动力响应 时程。 应用分析模型研究了行车速度和列车型号对桥上列车动力性能 的影响；轨道不平顺幅值、c a 砂浆的阻尼、轨道板的单位长度质量、 轨道板的弹性模量和厚度、轨下垫层的刚度和阻尼、底座板的单位长 度质量、弹性模量和厚度对大系统的动力影响，提出大系统的合理参 数配置。 文章最后结合前面的分析并参照国内外现有的减振型轨道结构 形式，提出了几种桥上纵连板式轨道减振措施。并与原来结构参数进 行对比分析，建议一些减振的轨道结构参数。 关键词：纵连板式轨道，桥梁，有限元法，动力性能，结构参数 a b s t r a c t t h ev i a d u c ta n dl a r g es p a nb r i d g eh a v eb e e nt h em a i nf e a t u r eo ft h e h i g h 。s p e e dr a i l w a y a sar e s u l to ft h ep a r t i c u l a r i t yo ft h es t r u c t u r ef o r b a l l a s t l e s st r a c ka n db r i d g e ，t h eb a l l a s t l e s st r a c ko nt h el a r g es p a nb r i d g e i sr e s t r i c t e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，an e w t y p eo fb a l l a s t l e s st r a c k s t r u c t u r e - - - l o n g i t u d i n a lc o n n e c t e db a l l a s t l e s st r a c ki si n t r o d u c e d ，t h em a i n f e a t u r eo fw h i c hi st h a tt h es l i p b e d d i n gi si n s t a l l e db e t w e e nb a s ea n d b r i d g e ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h ev e r t i c a la d d i t i o n a lf o r c eo ft h e r a i li nt h et e m p e r a t u r el o a di n f l u e n c e st h eb r i d g e h o w e v e r ，t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fl o n g i t u d i n a lc o n n e c t e db a l l a s t l e s st r a c ks u b je c t e d t ov e h i c l ei sl e s s t h ed y n a m i c r e s p o n s eo ft h en e w s t r u c t u r es u b j e c t e dt o v e h i c l ei ss t u d i e di nt h ep a p e r t h r o u g ht h es t u d yo f p a r a m e t e r , t h ep a p e r p r o p o s e st h ea p p r o p r i a t ev a l u eo fs o m em a i np a r a m e t e r s r e f e r r i n gt ot h ea c t u a ls t r u c t u r eo fl o n g i t u d i n a lc o n n e c t e db a l l a s t l e s s t r a c k ，t h er e s e a r c hi so nt h eb a s i so ft h eh a l f - w i d t ht r a c k t h el o n g i t u d i n a l c o n n e c t e db a l l a s t l e s st r a c kw a st r e a t e da sam o d e l ，i nw h i c hr a i li s r e g a r d e da sal o n gb e a ms u p p o r t e db yd i s c r e t ev i s c o e l a s t i cs u p p o r t s ；s l a b a sas h o r tb e a ms u p p o r t e db yc o n t i n u o u s l yv i s c o e l a s t i cf o u n d a t i o n ；b a s e a sal o n gb e a ms u p p o r t e db yc o n t i n u o u s l yv i s c o e l a s t i cf o u n d a t i o n ；b r i d g e a sae u l e rb e a mw i t ht h er a y l e i g hd a m p i n g t h ev e h i c l ei ss i m u l a t e da s i i 6 - f r e e d o mm u l t i b o d ym o d e l ，s oa r em o r ev e h i c l e s w h e e la n dr a i la r e c o n n e c t e dw i t ht h eo s c u l a t i o nt h e o r y t h ee q u a t i o n sd e s c r i b i n gt h e v e r t i c a lv i b r a t i o no ft h es y s t e ma r ef o r m u l a t e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e o ft o t a lp o t e n t i a le n e r g yw i t hs t a t i o n a r yv a l u ei ne l a s t i cs y s t e md y n a m i c s a n dt h e s e ti nr i g h tp o s i t i o n r u l ef o r m u l a t i n gm a t r i x e sa n ds i m u l a t i n g p r o g r a mi s c o n s t r u c t e da c c o r d i n g l yw i t hm a t l a b w i t hc e r t a i ns i n e w a v ep e r i o d i c a l i r r e g u l a r i t y 勰v i b r a t i n gr e s o u r c e ，t h ev e h i c l e t r a c k v e r t i c a lv i b r a t o r yr e s p o n s e sa r ea n a l y z e d ，a n ds o m e t i m e h i s t o r yd y n a m i c r e s p o n s ec u r v e so f t h es y s t e ma r ec a l c u l a t e d o nt h eb a s i so ft h es y s t e mm o d e l ，as t u d yo fp a r a m e t e rw o r ki s p r o c e s s e d ，w h i c hi sm a i n l ya b o u tt h ee f f e c t so ft h em o d e lo fv e h i c l e ， s p e e do fv e h i c l e ，i r r e g u l a r i t y , t h ed a m p i n go fc am o r t a r , t h em a s sp e r u n i tl e n g t h ，e l a s t i cm o d u l u sa n dt h i c k n e s so ft h es l a b ，t h es t i f f n e s sa n d d a m p i n go ft h ec u s h i o nu n d e rr a i l ，t h em a s sp e ru n i tl e n g t h ，e l a s t i c m o d u l u sa n dt h i c k n e s so ft h eb a s e ，a n dp r o p o s e st h ea p p r o p r i a t ev a l u eo f s o m em a i np a r a m e t e r so ft h es y s t e m r e f e r r i n gt ot h ef o r e g o i n gs t u d ya n dt h ed a m p i n gr a i ls t r u c t u r ea t h o m ea n da b r o a d ，t h ep a p e rp r o p o s e ss e v e r a lm e a s u r e sf o rr e d u c i n gt h e v i b r a t i o no ft h es y s t e m c o m p a r i n gt ot h eo r i g i n a ls t r u c t u r e ，t h ep a p e r p r o p o s e ss o m ep a r a m e t e r so f t h es y s t e mf o rr e d u c i n gt h ev i b r a t i o no ft h e s y s t e m i i i i v 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 高速铁路无砟轨道的发展现状2 1 2 1 国外无砟轨道的发展现状2 1 2 2 国内无砟轨道的发展现状7 1 3 列车一无砟轨道系统动力学发展状况1 0 1 4 列车一轨道桥梁结构研究及应用现状1 l 1 5 本文研究的内容及意义1 4 第二章高速列车、轨道与桥梁动力参数评定标准1 6 2 1 列车行车安全性与旅客乘坐舒适性评定标准1 6 2 1 1 列车运行安全性以及稳定性指标1 6 2 1 2 旅客乘坐舒适性指标1 7 2 2 轨道结构的振动限定标准1 8 2 3 桥梁结构的振动限定标准1 9 2 3 1 桥梁振幅限定标准1 9 2 3 2 桥梁刚度限定标准1 9 2 3 3 桥梁的固有频率限定标准1 9 2 3 4 振动加速度标准2 1 2 4 本章小结。2 l 第三章桥上纵连板式无砟轨道结构特点及振动分析模型建立2 2 3 1 桥上纵连板式轨道结构特点2 2 3 1 1 博格无砟轨道在桥梁上既有方案( f f b r t i ) 2 2 3 1 2 博格无砟轨道在桥梁上新方案2 4 3 1 3 桥上纵连板式无砟轨道结构特点2 5 3 2 列车与桥上纵连板式轨道结构系统竖向振动分析模型的建立2 6 3 2 1 列车振动分析模型2 7 3 2 2 纵连板式轨道结构振动分析模型2 8 3 2 3 桥梁结构振动分析模型2 8 3 2 4 列车与桥上纵连板式轨道结构系统竖向振动分析模型2 8 3 3 列车与桥上纵连板式轨道结构系统竖向振动方程建立过程3 0 3 3 1 列车总势能及列车单元矩阵3 0 3 3 2 轨道系统总势能计算3 3 3 3 3 桥梁总势能计算3 7 3 4 系统振动有限元方程、轮轨力和钢轨支点反力计算3 8 3 4 1 系统振动有限元方程3 9 3 4 2 轮轨力计算4 1 3 4 3 钢轨支点反力计算4 2 3 5 本章小结4 2 第四章列车与桥上纵连板式轨道结构时变系统竖向振动方程求解4 3 4 1 时变系统竖向振动求解流程4 3 v 6 3 3 增加桥梁结构的刚度9 3 6 4 本章小结9 4 第七章结论及展望9 5 7 1 本文主要完成的工作9 5 7 2 今后努力的方向9 6 参考文献9 7 至l 谢1 0 2 攻读硕士期间发表的论文及科研情况1 0 3 v i 3 4 6 6 7 7 8 8 8 9 9 l 4 6 7 7 8 2 4 9 2 5 6 8 2 4 6 7 7 0 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 g g g g tj 上口， 捌i i ， 一 一 一 一 一 一 一 一 景 一 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在2 0 0 4 年2 月举行的全国铁路工作会议上，铁道部全面部署了中长期铁 路网规划实施的启动工作，描绘了我国铁路发展的宏伟蓝图：到2 0 2 0 年，我 国铁路营业总里程将达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电 化率均将达到5 0 ：要建设“四纵四横快速客运专线及三处城际快速轨道交 通系统，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国 际先进水平。2 0 0 8 年4 月，时速3 5 0 公里的京沪高速铁路全面开工建设更是将 我国高速铁路建设推向了又一个高潮。2 0 0 8 年北京奥运会前夕，时速3 5 0 公里 的京津城际客运专线的开通更是又一次证明了中国高速铁路的迅猛发展。 铁路是一个非常复杂的系统，其中，轨道是铁路的主要技术装备之一，是 行车的基础l l 】。由于列车荷载是一复杂的动力作用过程，从而增加了铁路轨道 的研究难度【2 1 1 3 j 。轨道必须坚固稳定，并具有正确的几何形位，以确保机车列 车的安全运行【4 1 【7 1 。 高速铁路是以现代高新科学技术装备的、全新类型的现代铁路。由于列车 运行速度快，且具有全封闭、全立交、高度自动化、高效率、高舒适度、高安 全性、高可靠性等特点，使得高速铁路在世界许多国家得到快速发展【引。 “十一五”期间，中国对铁路的投资高达1 5 6 万亿元人民币，未来十五年内 中国铁路建设需要投入2 万亿元，即平均每年投入1 3 0 0 亿元左右。中国通过 建设高速铁路客运专线、发展城际客运轨道交通和既有线提速改造，将初步形 成以高速铁路客运专线为主干，连接全国各主要大中城市的快速客运网络。目 前为止，我国时速2 0 0 公里及以上的铁路线路延展里程已达到6 2 2 7 公里，中国 铁路正在步入高速时代。 京津、武广、郑西、石太、甬台温、温福、福厦、广深港、胶济、哈大等 1 6 条时速2 0 0 公里及以上的客运专线和城际铁路相继开工建设，建设规模达到 5 6 0 0 公里；京沪、京石、石武、津秦等1 0 条客运专线也将陆续开工，建设规 模为4 1 0 0 公里，已经开工和即将开工的客运专线总里程达到9 7 0 0 公里。再经 过三至五年，京哈、京广、京沪、陇海( 东段) 、哈大、东南沿海等客运专线将 全线贯通，加上既有线路的提速，我国铁路快速客运网将初步形成。 高速铁路及客运专线列车运行的安全性和舒适性，对轨道的平顺性、稳定 性提出了更高的要求，也带来了轨道技术的深刻变革。以往的有砟轨道由于轨 的热点。 1 2 1 国外无砟轨道的发展现状 1 、r 本板式无砟轨道 日本铁路是发展无砟轨道较早、较快的国家。早在2 0 世纪6 0 年代中期，日 本就开始了无砟轨道的研究与试验，并逐步推广应用。日本无砟轨道技术主要以 新干线板式轨道结构为代表。2 0 世纪7 0 年代，板式轨道作为日本铁路建设的国 家标准进行推广，板式轨道( s l a b 轨道) 已成为日本新干线无砟轨道的主要结构型 式n 钔n 5 1 6 】。到目前为止，其板式轨道累计铺设里程已达到2 7 0 0 多延长公里。目 2 硕士学位论文 第一章绪论 前常用的有普通a 型轨道板( 图1 - 1 ) 、框架型轨道板( 图1 - 2 ) 、用于特殊减 振区段上的防振g 型轨道板及早期用于路基上的r a 型轨道板等( 图1 - 3 ) 。 孰鼍鬈 图1 - 1 普通a 型板式轨道 图1 - 2框架型板式轨道 乜 对予防振援式轨道计翘从轨道平扳下敷设平扳垫 方式向舔弹蛙轨道垫( 6 , o - a o t ) 方式变换 图1 - 3 减振型单元板式无砟轨道 表1 1 为日本板式无砟轨道已开通运营概况，表1 2 为日本计划修建的板 式无砟轨道概况。 表1 - 1日本板式无砟轨道开通运营概况 序线路 起止车站 运营线路总长 其中( k m ) 号名称 起点 终点 年月( 1 锄) 板式有砟 其他 东海道东京新大阪 1 9 6 4 1 05 1 605 1 60 1 9 山阳 新大阪冈山 1 9 7 2 31 6 481 5 60 2 冈山博多1 9 7 5 33 9 82 7 31 2 5o 上越大宫新泻1 9 8 2 1 12 7 0 2 4 31 51 2 厶 5 东北 东京盛冈 1 9 9 1 65 0 14 1 14 84 2 r 盛冈 八户2 0 0 2 1 29 38 922 北陆 高崎 长野1 9 9 7 1 01 2 41 0 51 9 0 7 九州 新八代 鹿儿岛2 0 0 4 31 2 81 1 51 2 l r 合计2 1 9 4 1 2 4 48 9 35 7 q 硕士学位论文 第一章绪论 表卜2日本计划修建板式无砟轨道n 线路 起止车站 运营 线路 其中( k m ) 序号 总长 名称 起点终点 年月 板式有砟其他 f k m l 1 东北八户 新青森 2 0 1 0 1 28 28 1 5o 5o 2 九州博多新八代2 0 1 0 1 21 3 01 3 0 000 3 北陆k 野新泽 2 0 1 4 1 22 2 l2 2 0 70 30 4 北海道 新青森新函馆 2 0 1 5 1 21 4 91 4 4 24 80 合计5 8 25 7 6 45 6o 2 、德国无砟轨道 德国也是研究无砟轨道较早的国家之一。与其他国家不同的是，德国铁路 首先在车站试铺无砟轨道，接着解决了土质路基铺设无砟轨道的技术问题，然 后逐步推广到隧道和桥梁上，从而为全区间铺设无砟轨道创造了有利的条件。 德铁、高校研究所以及工业界自2 0 世纪7 0 年代起就一直进行无砟轨道的研究， 目前正式批准的无砟轨道结构形式有6 种，包括r h e d a 型、b o g l 、z h b l i n 、 a t d 、g e t r a c 、b e r l i n 型。最近开发的r h e d a - 2 0 0 0 型轨道( 图1 - 4 ) 已投入商业应 用，如应用在纽伦堡一英戈尔施塔特、荷兰、我国台湾高速铁路的道岔区上n 引。 同时，我国武广客运专线就引进、消化、吸收了r h e d a - 2 0 0 0 无砟轨道相关技术。 图1 - 4路基上雷达2 0 0 0 无砟轨道典型断面 博格板式无砟轨道( 图卜5 、卜6 ) 是德铁应用的另一种轨道结构型式，它的 前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德一达豪的一种预制板式无砟轨道。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，目前已在德国纽伦堡至英戈尔施塔特的新建高速线上铺设，于2 0 0 6 年开通运营。博格板式无砟轨道在我国京津城际客运专线取得巨大成功。 4 图1 7zt lb l i n 型无砟轨道 桥隧比例大已经是高速线路的普遍特点，为了解决大跨度桥梁上铺设无砟轨 硕士学位论文第一章绪论 道的难题，德国博格公司开发了桥上纵连板式无砟轨道n 们呦1 ( 图卜8 ) 。纵连板 式无砟轨道的施工工艺流程如下：( 1 ) 桥面保护层施工，并精细整平；( 2 ) 在保 护层面粘贴滑动层下层土工布；( 3 ) 铺设聚乙烯滑动薄膜；( 4 ) 在滑动薄膜上 表面铺设滑动层上层土工布，与后浇的整体板下底座粘合；( 5 ) 在梁端铺设发 泡塑料板，用以补偿墩、台不均匀沉降变形等引起的梁端转角造成的梁缝处的轨 道局部隆起或折断，梁缝两侧的钢轨支点产生钢轨上抬或下压；( 6 ) 板下底座 施工； ( 7 ) b s g l 轨道板起f 1 3 安装；( 8 ) c a 砂浆灌注。同时，我们还注意到纵 连板式无砟轨道的一些特色，第j ，底座板在一定位置与梁体固结；第二，桥外 设置一定长度的滑动层，底座延伸至滑动层末端；第三，在底座板末端设置端刺： 第四，为了增强底座板的稳定性，设置一定数量的倒l 型挡块，增强纵连板式无 砟轨道的横向抗失稳能力；第五，在底座板与梁体固结部位，可能存在着轨道板 的现浇施工。 图l 一8 桥上纵连板式无砟轨道 3 、英国无砟轨道 英国无砟轨道的主要代表类型有两种：l v t 型和p a c t 型。l v t 型无砟轨 道是在双块式轨枕( 或两个独立支承块) 的下部及周围设橡胶套靴，在轨枕块 底与套靴间设橡胶弹性垫层，而在双块式轨枕周围及底下灌注混凝土而成型， 为减震型轨道。其最初由r o g e rs 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。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了独立 支承块式l v t 型无砟轨道。目前l v t 型轨道的铺设总长度约3 6 0 k m 。p a c t 型 无砟轨道为就地灌注的混凝土道床，钢轨直接与道床相连接，轨底与混凝土道 床之间设连续带状橡胶垫板，钢轨为连续支承。英国自1 9 6 9 年开始研究和试铺， 到1 9 7 3 年正式推广，并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国家重载和高速线的 桥、隧结构上应用，铺设总长度约8 0k m 。 6 硕士学位论文 第一章绪论 4 、世界其它国家无砟轨道 奥地利联邦铁路铺t 2 5 k m 的o b b p o r r 系统，其结构近似于z u b l i n 型，主要用 于高架桥梁和隧道。意大利的无砟轨道类型基本上等同于日本的板式轨道。荷兰 的e r c 嵌入式轨道结构近似于英国的p a c t 结构。韩国的汉城一釜山高速线正在建 设中，其中的无砟轨道设计同日本的新干线类似。此外还有一些主要用于隧道和 地铁的无砟轨道结构如德国的s t e d e 繇统、瑞士的w a l o 系统、e d i l o n 2 1 】系统等。 法国高铁一直以发展有砟轨道为主，但在新建的地中海线，选择隧道里铺设了4 8 k m 双块式无砟轨道，进行试验，还准备在东部高速线4 0 , - - - 5 0k m 的一个区间修建 无砟轨道。 1 2 2 国内无砟轨道的发展现状 2 0 世纪6 0 年代我国开始无砟轨道的研究，与国外的研究几乎同步。初期曾 试铺过支承块式、短枕式、整体灌注式及沥青道床等，正式推广应用的仅有支承 块式整体道床。在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过l k m 的隧道内 铺设，累计达3 0 0 k m 。 2 0 世纪8 0 年代，曾试铺过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整 体道床，全部铺设在大型客站和隧道内，总长约1 0k m ，但并未正式推广使用。 2 0 世纪9 0 年代末在完成长枕埋入式、弹性支承块式和板式三种无砟轨道特 性研究及其设计参数确定的基础上，选定秦沈客运专线3 座高架桥作为无砟轨道 的试铺段。其中，沙河特大桥( 铺轨1 3 8 4 m ) 铺设了长枕埋入式无砟轨道；狗 河特大桥( 铺轨1 4 8 2 m ，直线) 和双何特大桥( 铺轨1 4 8 0 m ，曲线) 上试铺了 板式轨道。综合试验结果表明，两种无砟轨道结构形式在结构受力、变形和振 动方面都达到了设计要求。 图1 - 9 狗河特大桥上板式无砟轨道 7 硕士学位论文第一章绪论 随后，在西康线秦岭隧道( 铺轨3 7 l 【m ) 、兰新线乌鞘岭隧道( 铺轨4 0 3 6 8 k m ) 和宜万线隧道内都设计铺设了弹性支承块式无砟轨道，在渝怀线鱼嘴2 号隧道( 铺 轨1 4 3 8 m ) 铺设了长枕埋入式无砟轨道，在赣龙线枫树排隧道( 铺轨1 4 2 0 m ) 铺设 了板式无砟轨道。 紧接着，吸取长枕埋入式无砟轨道结构铺设经验与教训，铁道科学研究院在 铁道部高速办的指导下，提出了双块式无砟轨道( 简称为t b s 型) 结构方案，并 进行了相关的试验室试验。 2 0 0 4 年，遂渝线无砟轨道综合试验段成功铺设髓刳，通过遂渝线综合试验段 的实际试铺，系统地研究解决了不同类型无砟轨道结构、岔区无砟轨道、过渡段、 结构承载能力及耐久性、路基结构形式、桥梁和路基变形对无砟轨道的影响、减 振降噪措施、无砟轨道对信号系统的适应性等关键技术，为创建具有我国自主知 识产权的、有中国特色的无砟轨道起到了非常重要的作用。 图卜1 0 遂渝线无砟轨道综合试验段 2 0 0 8 年，京津城际顺利通车。京津城际客运专线全线采用德国博格板式无 砟轨道技术，铁道部和德国博格公司共同签署了铁路客运无砟轨道技术转让合 同，真正体现引进、吸收、消化、再创新。 为了实现中国铁路的跨越式发展，我国各相关政府部门、科研院所、高校通 过对日本、德国等原创国无砟轨道相关技术的引进、消化、吸收与改进，依据我 国基本国情和我们已经取得的研究成果，编制了中国无砟轨道技术设计、施工的 系列规范。同时，形成了具有自主知识产权的无砟轨道相关技术。 8 硕士学位论文第一章绪论 1 3 列车一无砟轨道系统动力学发展状况 国内外对于无砟轨道的研究始于2 0 世纪6 0 年代，德国v e r b i c 等【2 3 】利用边 界有限元方法建立了无砟轨道竖向动力模型并分析了其动力特性；d i e m 等【2 4 】 提出了无砟轨道竖向振动模型，计算并分析了无砟轨道动力特性；荷兰e s v e l d 2 5 l 建立了板式轨道与列车竖向振动模型，分析了列车与无砟轨道竖向振动响应，并 与有砟轨道振动响应进行了对比；针对无砟轨道高速列车运行时所产生的噪声问 题，v a nl i e r 2 6 1 利用t w i n s 软件建立了钢轨埋入式无砟轨道竖向振动模型，并 分析其动力性能；m a n 2 7 1 采用理论与试验方法，研究了各种无砟轨道结构的动力 特性；m a r k i n e 掣2 8 j 对钢轨埋入式无砟轨道结构进行了优化设计研究：扫本o k u d a 掣驯建立了浮置梯子式无砟轨道竖向振动模型，对该种无砟轨道的动力特性及 振动噪声进行了研究：t a n a b e 等闭j 建立了列车一板式无砟轨道竖向振动分析模 型，研究了板式无砟轨道动力特性；新加坡c u i 等【3 l 】建立了浮置板式无砟轨道 竖向振动模型，并分析其动力学特性；我国西南交通大学翟婉明等【3 2 】就板式轨 道动力特性进行了研究，认为其结构形式对称，取轨道的一半并抽象为弹性基础 上的叠合梁，建立了列车与板式轨道垂向相互作用的动力学分析模型；蔡成标等 印j 将轨道板简化为弹性薄板，建立了列车一板式无砟轨道竖向动力学模型；铁道 科学研究院张格吲3 4 j 分别建立了长枕埋入式、弹性支承块式及板式三种无砟轨 道横向及竖向振动分析模型，计算了列车及无砟轨道动力响应；中南大学向俊等 m j 针对无砟轨道结构特点，提出了一种建立无砟轨道动力学模型的新方法一 横向有限条与板段有限元法，建立了高速列车一无砟轨道系统竖向振动分析理论 并计算了系统振动响应；娄平等【3 6 1 视钢轨为离散粘弹性支点支承的长梁，视轨 道板为连续粘弹性基础支承的短梁，视板式轨道及列车荷载为一个系统，利用有 限元法分析了板式轨道在列车荷载作用下的动力响应。 1 4 列车轨道桥梁结构研究及应用现状 桥梁是铁道线路极为重要的组成部分，其在各种荷载尤其是在列车移动荷载 作用下的受力及振动特性一直是人们关心和研究解决的问题。列车移动荷载本身 也是一个带质量的振动系统，移动的振动系统与轨道间是通过轮轨接触耦合的， 轮轨问相互作用由于轨道不平顺的影响而随机变化，正是由于这些特殊性使桥梁 在列车荷载下的振动研究变得非常复杂，桥梁的振动又影响到列车的振动，从而 构成了一个更为复杂的列车一轨道一桥梁振动系统。 1 9 世纪未到2 0 世纪初，随着铁路建设的大规模展开和列车速度的提高、机 9 硕士学位论文第一章绪论 车轴重的增大，铁路桥梁的疲劳破坏和共振问题引起人们对移动荷载作用下桥梁 动力行为的广泛研究，但限于当时力学水平及计算手段，早期的研究( 至2 0 世纪 6 0 年代) 主要集中于实桥试验和以简单的桥梁、列车模型为基础的理论分析，研 究对象局限为车桥相互作用，未涉及线路的影响，人们关心的主要是桥梁作为承 载结构其完成本身功能的情况。 为获得桥梁在移动荷载作用下动力响应的规律性，许多国家如美国、英国、 前苏联等在早期都进行了有计划的实桥试验【3 7 】【3 羽，在进行实桥试验研究的同时， 也从理论上对车桥体系动力响应特性进行了研究，提出了多种简化计算理论和方 法，如：考虑桥梁质量，略去荷载质量，将列车荷载简化为移动的集中力；略去 桥梁质量，将列车荷载简化为带质量的移动集中力等。 1 8 4 9 年，学者r w i l l i s l 3 9 j 基于略去桥梁质量并将列车荷载简化为带质量的移 动集中力的假设，利用简支梁挠度公式对移动荷载作用于桥梁上的动力作了近似 计算。随后，( 2 g s t o k e s 在r w i l l i s 研究基础上作了进一步分析，得到移动荷载 作用于桥梁动力的近似解析解，但这种分析方法由于只考虑了单轮惯性力一个因 素，忽略了桥梁质量，使得动力分析与实际情况相差甚远。 1 9 0 5 - - 1 9 0 8 年，a n k r y l o v 和t i m o s h e n k o 基于考虑桥梁质量略去荷载质量 的假设，进行了单轮过桥时桥梁结构动力响应分析h 0 ，1 9 2 2 年t i m o s h e m k o 又考 虑了机车偏心轮对桥梁的冲击作用，并从理论上证实了共振现象的存在。但这些 分析仅限于讨论单个集中力，同时未考虑移动荷载惯性力影响，对轮群造成的速 度共振问题无法做出解释，分析结果与实际情况有较大差异。 1 9 3 4 年，英国c e i n g l i s 根据现场实测资料，基于同时考虑机车列车和桥梁 质量，将列车荷载简化为移动的周期力和移动惯性力假设，对列车通过桥梁时桥 梁振动问题进行了较详细的研究【4 i l ，1 9 3 7 年a s c h a l l e n k a m p 以这一力学模型为 基础，将桥梁挠度和车轮集中力均展开为傅立叶级数，再求系数间相互关系，分 析了单轮过桥问题【4 2 l ，1 9 5 3 年，前苏联学者基于同一假设相继提出了积分方程及 伽辽金法用于分析车桥动力响应问题【4 3 1 。1 9 5 6 年，k m i s e 和s k u n i i 等对c e i n g h ： 的理论进行了补充和修正，建立了相应计算方法m l 。这一力学模型虽较接近实 际情况，但由于桥梁振动方程是一个变系数的微分