（道路与铁道工程专业论文）高速铁路路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段研究.pdf

中文摘要 摘要：高速铁路的发展必须以安全性、可靠性、舒适性等为前提，以线路的高平 顺性和轨下基础的稳定性作保证。高速铁路的建设不可避免地会遇到不同轨下基 础连接处的过渡段，这些地段恰恰是高速铁路线路的薄弱环节，由于强度、刚度、 沉降等差异的存在必然会引起钢轨的弯折变形，致使不平顺的产生。为了保证高 速铁路线路的高平顺性，必须对线路刚度有突变的区域进行过渡段的设置。 在借鉴前人的基础上，结合京沪高速铁路的建设，利用大型通用有限元软件 a b a q u s 建立了相对符合实际的空间三维仿真模型，力求真实地模拟高速铁路路 基上有砟轨道与无砟轨道过渡段的动力响应。 对仿真模型的建立过程进行了详细的介绍，包括实体有砟、无砟轨道模型、 三维轨道过渡段模型、轨道不平顺模型及轮轨接触模型。 结合遂逾试验线的相关动力测试数据，本文对建模方法的可靠性进行了验证， 并对模型建立过程中应该注意的问题进行了介绍，包括求解积分步长、网格密度、 模型计算时间、边界问题的处理等。 利用建立的模型，主要从轨道刚度、轨面折角、行车速度、列车行进方向等 敏感性因素的影响对高速铁路路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段的动力学性能进 行了分析，其中无砟轨道结构采用的是普通板式无砟轨道，有砟轨道结构中轨枕 采用的i 型轨枕，车辆采用的是我国自主研发的3 0 0 k m h 动力分散式动车车辆。 对既有国内外有砟轨道与无砟轨道过渡段方案的适用性及合理性进行了比 选，初步提出了4 种路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段的设计方案，并运用车辆一 轨道一路基耦合动力学理论，从轨道、列车的振动特性等方面对其合理性进行研究； 此外还对高速铁路路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段合理长度进行了初步研究。 本文的研究对于我国高速铁路的设计具有一定的参考价值。 图1 0 2 幅，表1 4 个，参考文献8 0 篇。 关键词：高速铁路；过渡段；a b a q u s ；有限元；动力学特性 分类号：u 2 1 3 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：1 1 1 ed e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dr a i l w a ys h o u l db eb a s e do ns e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n dc o m f o r tp r o p e r t y m o r e o v e r , h i 曲一l e v e lt r a c kr e g u l a r i t ya n d t h es t a b i l i t y o fs u b - r a i lf o u n d a t i o ns h o u l db eg u a r a n t e e d t h ec o n s t r u c t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a y w i l li n e v i t a b l ye n c o u n t e rt r a n s i t i o n a ls e c t i o no fd i f f e r e n ts u b - r a i lf o u n d a t i o n s ，w h i c hi s t h ew e a kp a r ti nh i g h s p e e dr a i l w a y t h ed i f f e r e n c eo ft h es t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n d s e t t l e m e n to ft h et r a c ki nt r a n s i t i o ns e c t i o nw i l ll e a dt ok i n kd e f o r m a t i o na n dt r a c k i r r e g u l a r i t i e s i no r d e rt og u a r a n t e et h es m o o t h n e s so fh i g h s p e e dr a i l w a yl i n e , m e a s u r e s s h o u l db et a k e ni nt r a n s i t i o ns e c t i o nt oa v o i d es u d d e nc h a n g eo fs t i f f n e s s b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c ha n dt h ec o n s t r u c t i o no fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h s p e e d r a i l w a y , t h ea u t h o re s t a b l i s h e sat h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lw i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r e a b a q u s ，t r y i n g t os i m u l a t et h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft r a n s i t i o ns e c t i o nb e t w e e nt h e b a l l a s t e dt r a c ka n db a l l a s t l e s st r a c ko nt h er a i l w a ys u b g r a d e i nt h i sp a p e r , t h ee s t a b l i s h e dm o d e li sp r e s e n t e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gs o l i dm o d e lo f b a l l a s t e dt r a c k ，s o l i dm o d e lo fb a l l a s t l e s st r a c k ，t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft r a n s i t i o n s e c t i o nb e t w e e nb a l l a s t e dt r a c ka n db a l l a s t l e s st r a c k , m o d e lo ft r a c ki r r e g u l a r i t i e sa n d m o d e lo f w h e e l r a i lc o n t a c t c o m b i n e d 丽mr e l a t e dd y n a m i ct e s td a t ao fs u i n i n g - c h o n g q i n gr a i l w a yl i n e ，t h e r e l i a b i l i t yo ft h i sm o d e l i n gi sa p p r o v e d o t h e rq u e s t i o n sw h i c hn e e ds p e c i a la t t e n t i o n , i n c l u d i n gi n t e g r a ls t e p ，g r i dd e n s i t y , c a l c u l a t i o nt i m ea n db o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ea l s o i n d i c a t e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ef o r m e rm o d e l ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft r a n s i t i o ns e c t i o nb e t w e e nt h e b a l l a s t e dt r a c ka n db a l l a s t l e s st r a c ko nt h er a i l w a ys u b g r a d eo fh i g h s p e e dr a i l w a yi s a n a l y z e dw i t ht h ep a r a m e t e r so f t r a c ks t i f f n e s s ，r a i ld e f l e c t i o na n g l e ，v e h i c l es p e e da n d d r i v i n gd i r e c t i o n i nt h i sm o d e l ，b a l l a s t l e s st r a c ki sc o m m o ns l a bt r a c k ；t h es l e e p e ro f b a l l a s t e dt r a c ki st y p ei l lc o n c r e t es l e e p e ra n dt h ev e h i c l ei sm o t o rt r a i nu n i t ( 3 0 0 k m h ) w i t hd i s t r i b u t e e dp o w e ro fs e l fd e v e l o p m e n t t h ea p p l i c a b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo fd i f f e r e n to p t i o n sf o rt r a n s i t i o n a ls e c t i o n b e t w e e nb a l l a s t e dt r a c ka n db a l l a s t l e s st r a c ko nt h er a i l w a ys u b g r a d eo fh i g h s p e e d 瑚i l w a y a r e c o m p a r e d a n df o u r p l a n s a r er e c o m m e n d e d b a s e do n v e h i c l e - t r a c k - s u b g r a d ec o u p l i n gd y n a m i ct h e o r y , t h er a t i o n a l i t yi ss t u d i e d b e s i d e s ， p r e l i m i n a r ys t u d i e sa r em a d eo nt h er a t i o n a ll e n g t ho ft r a n s i t i o ns e c t i o nb e t w e e nt h e b a l l a s t e d 缸a c ka n db a l l a s f l e s s 讹c ko nt h er a i l w a ys u b g r a d eo f h i g h s p e e dr a i l w a y n e r e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rc a l lp r o v i d et h e o r e t i c a lr e f e r r e n c ef o rt h ed e s i g no ft r a n s i t i o n s e c t i o ni nh i g h s p e e dr a i l w a yo fo u rc o u n t r y k e y w o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；t r a n s i t i o ns e c t i o n ；a b a q u s ； f i n i t e e l e m e n t ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s f i g u r e ：1 0 2 ；t a b l e ：1 4 ；r e f e r e n c e ：8 0 c i 。a s s n o ：u 2 13 2 v 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 靴做储鹤：铷锄弹聃一夕“刖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：酃钦锡 签字日期： 口7 年6 月p 日 导师签名： 签字日期：9 7 年多月1 日 致谢 本论文的撰写工作是在我的导师高亮教授的悉心指导下完成的，高亮教授严 谨求实的治学态度，深厚扎实的学术功底，锐意进取的科研精神，平易近人的工作 作风，对学生的谆谆教诲让我终身受益。在此衷心感谢两年来高亮老师对我的关 心和指导。 在这两年的硕士学习生活中，我也受到了土木建筑工程学院道路与铁道工程 系魏庆朝老师、梁青槐老师、王连俊老师、杨松林老师、谷爱军老师、白雁老师、 彭华老师、白明洲老师、肖宏老师及蔡小培老师等老师们的悉心指导，他们在学 习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此也向他们表示衷心的谢意。 在撰写论文期间，综合试验楼8 1 8 、8 1 7 实验室的所有师兄师姐及师弟师妹都 给予了热情的关心与帮助，特别是师兄辛涛、陈鹏、师姐郝建芳、曲建军对我论 文中的研究工作给予了极大的帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外在有限 元软件的学习过程中，非常感谢师兄陈文、师姐李敏给予我很多的学习资料。在 编程实现软件建模的操作简便化方面得到了郝建芳师姐的爱人梁轶群师兄的极大 帮助，在此也向他表示衷心的感谢。在论文的完成过程中，与同学李明、肖亮、 师弟赵磊探讨交流软件和模型的时光让我做论文的枯燥生活变得丰富多彩，在此 也一并向他们表示感谢。另外在模型的计算过程中，同学李明、李耐振、齐茂利、 蒋英礼、师弟戴春阳、候博文为我想办法提供计算机资源，特别是同学李明、朱 洁在论文关键时刻无私地为我提供了计算服务器，给我节省了宝贵的时间，在此 也一并向他们表示感谢。师兄曲村对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。在英文翻译方面，师姐郝建芳和师弟马嘉邑给予了 我很大的帮助，在此向他们表示感谢。与同门乔神路、刘玮、常卫华、滕东宇两 年来的朝夕相处让我的研究生生活丰富了许多，从他们身上表现出来的扎实的专 业知识、严谨的科研态度无不深深感染着我；同学王志军、玉俊杰、李伟、李三 兵、曾祥、沈增涛等在生活中给予了我很大的帮助，在此依依向他们表示感谢。 另外也感谢我的父母亲、爷爷、奶奶、两个弟弟和我的所有亲人，正是他们 的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 感谢学校图书馆为我论文的撰写提供了很多宝贵的资源，同时也感谢本文所 引用参考文献的所有作者。 感谢各位老师能在百忙中抽出时间参加我的毕业答辩! 最后感谢所有帮助过我的同学朋友! 郭积程 2 0 0 9 6于北京交通大学 1 1 研究的目的和意义 1 绪论 根据我国“十一五”规划，“十一五 期间，铁路发展的主要目标是：建设新 线1 7 0 0 0 公里，其中客运专线7 0 0 0 公里；建设既有线复线8 0 0 0 公里；既有线电 气化改造1 5 0 0 0 公里【l , 2 1 。客运专线是在我国铁路既有等级i 、i i i 级外又增加的 等级，时速2 0 0 公里到3 5 0 公里的主要用来客运的铁路称客运专线。目前已建成 的有秦沈客运专线，到2 0 1 0 年我国新建客运专线有：武广客运专线、郑西客运专 线、石太客运专线、京沪高速铁路、京石客运专线、哈大客运专线、温福客运专 线、温夏客运专线、合宁客运专线和广深港客运专线。 高速铁路的发展必须以安全性、可靠性、舒适性等为前提，以线路的高平顺 性和轨下基础的稳定性作保证。高速铁路的建设不可避免地会遇到不同轨下基础 连接处的过渡段，这些地段恰恰是高速铁路线路的薄弱环节，由于强度、刚度、 沉降等差异的存在必然会引起钢轨的弯折变形，致使不平顺的产生。为了保证高 速铁路线路的高平顺性，必须对线路刚度有突变的区域进行过渡段的设置。 京沪高速铁路是中长期铁路网规划中投资规模最大、技术含量最高的一 项工程，也是我国第一条具有世界先进水平的高速铁路，自北京南站至上海虹桥 站，正线全长约1 3 1 8 公里，与既有京沪铁路的走向大体并行，全线为新建双线， 设计时速3 5 0 公里，初期运营时速3 0 0 公里，最高时速可达3 7 0 公里，发车密度 可达3 分钟一趟，共设置2 1 个客运车站，其中桥梁长度约1 1 4 0 k m ，占正线长度 8 6 5 ；隧道长度约1 6 k m ，占正线长度1 2 ；路基长度16 2 k m ，占正线长度1 2 3 ； 全线铺设无砟轨道正线约1 2 6 8 公里，占线路长度的9 6 2 。有砟轨道正线约5 0 公里，占线路长度的3 8 。对此国内还缺乏十分成熟的高速条件下的过渡段处理 技术；而且对于京沪高速铁路，有砟轨道与无砟轨道交替频繁，过渡段的设置不 可避免，因此非常有必要对高速条件下有砟轨道与无砟轨道过渡段动力学特性的 问题及过渡段的设置方案等方面进行研究，希望通过本文的研究可以解决高速铁 路路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段设置的问题，为高速铁路的设计提供一定的 依据。 1 2 轨道过渡段的研究现状 轨道过渡段是指沿轨道结构横向或竖向存在刚度突变的轨道结构形式，如路 韭噩至适点堂亟：芏焦监室 桥过渡段、有砟与无砟轨道过渡段( 如图1 _ 1 所示) 及道龠过渡段等。在有砟轨道 与无砟轨道连接处，存在着一定的月幢差导致轨面沉降变形不一致而发牛弯折。 当列车岛速通过时( 如图1 2 所示) ，会增加列车与轨道的振动，引起列车与轨道 结构作用力的增加，影响轨道结构的稳定以至危及行车安全。因此，需要在有砟 轨道与无砟轨道之间设置一定长度的过渡段，使轨道刚度逐渐变化，并最大限度 地减少两者之日j 的沉降差，用以降低列车与轨道的振动，减缓轨道结构物的变形， 保证列车的安全运行。 图卜l 有砟轨道与无砟轨道过渡段 f i g l 一1t r a n s i t i o ns e c t i o n b e t w e e nb a l l a s t 就i t r a c k a n d b a l l a s t l e 船t r a c k 图卜2 有砟轨道与无砟轨道连接处示意图 f i 9 1 2 d i a l f a m m a t i es k e t c h o f 泖e c t i o n b e t w 啪b a l l a s t e d t r a c k a n d b a l i 越t l e c s m a c k 1 21 国外轨道过渡段研究现状 随着高速铁路的修建并成功投入运营，因外在高速铁路的修建过程中，一直 非常注重过渡段部位，井对过渡段的处理措施做过专门的研究9 0 年代初，德国 g o b c l 和w e i s e m a n n 等人在室内模拟时速1 6 0 k i n 的列车作用下，由土工格栅加固 后路堤承载力的增加和沉降量减小的问题。意大利国家铁路公司曾经应用双向士 工格栅加固铁路路堤，在不同的横断面上安装测试原件，以确定不同类型车辆经 过时产生的动麻力场i ”) 。美国t f c i 研究人员c h a r i t y ds a s a o k a 和d a v i d d a v i s 为 解决大轴重对轨道过渡段的影响，利用n u c a r s t m 和g e o t r a c k l ”软件模拟轨道刚 度和阻尼对过渡段的影响分析，得出提高过渡段区域轨道结构的阻尼可以使车轮 对轨道过渡段的作用衰减3 0 ，此外还认为减小桥粱刚度的最好方法是调整桥上 枕卜剐度 6 1 1 ；美国t t c i 研究人员d i n g q i n gl i 和d a v i dd a v i s 对引起和加速路桥 过渡段及轨道过渡段破坏的因素进行了研究并得出评估过渡段和一些减缓过渡段 破坏的措施触。 对于路基与桥梁( 如图1 3 所示) 、涵洞( 如图1 - 4 所示) 、隧道( 如图1 5 所示) 、 隧道与桥梁( 如图1 6 所示) 等过渡段的研究国外已有不少，日本在路基与桥梁过渡 段设簧碎石填筑段；德国则是加宽路基与桥梁过渡段中路基的宽度，道砟厚度沿 桥梁至路基方向逐渐递减以使线路剐度逐渐变化；法国是在路基与桥梁过渡段 设置过渡桥台等【删。 ”y 国1 - 3 路基与桥梁过渡段 f i g 1 3 t r a n s i t i o ns e c t i o n b e t w e e ns u b g r a d ea n d b r i d g e 图1 4 路基与涵洞过键段 f i 9 1 - 4 t i f i o ns e c t i o n b e t w e e ns u b g r a d ea n de u l v e a j e 夏至通点堂亟堂位监童 图1 路基与隧道过渡段 f i g1 j t r a n s i t i o ns e c t i o n h e t w 啪s u b g r a d e 觚d t u n n e l 图1 4 5 隧道与桥梁过渡段 f i 9 1 t i t i o ns e c t i 呻b e t w 啪t u m l e l 龃d b r i d g e 12 2 国内轨道过渡段研究现状 在国内，我国铁道部科学研究院、西南交通大学、原上海铁道大学等有关研 究者也先后通过模拟试验研究了在列车重复荷载作用下路基基床的动应力响应特 性，但这些试验和研究一般都是针对路基而言，而非针对过渡段口”。另外，我国 在秦沈客运专线、遂渝客运专线等对路基与桥梁、涵洞、隧道等过渡段都进行过 大量试验研究，对于路基与桩板结构过渡段的研究，我国也已在遂瑜线进行过研 究。 石家庄铁道学院杨广庆等【5 l 】进行了高速铁路路基与桥梁过渡段的技术措施分 析，并指出设置钢筋混凝士过渡板对路桥问的刚度平顺过渡非常有利但必须配 以其他级配租粒料或加筋土路堤结构等处理措施才能解决路桥间沉降差引起的轨 面弯折对行车的影响。 西南交通大学罗强、蔡英等【2 8 ，4 3 掣】等运用车辆一轨道一路基相互作用的动力学理 论，全面分析了路桥过渡段的轨面弯折变形、轨道基础刚度的变化、不同的行车 速度、车辆进出过渡段等情况对车辆垂向加速度和轮轨垂向力等动力学性能指标 的影响规律，并指出路桥结构的工后沉降差引起过渡段轨面弯折变形是影响行车 安全与舒适的主要因素，而路桥间的刚度差、列车的行车方向对行车的动力学性 能指标影响不显著，并对过渡段的变形限值和过渡段长度的确定方法进行了一些 研究。 西南交通大学王于等【4 5 】以有砟和无砟轨道的过渡段为例，进行了车辆一轨道垂 向动态相互作用的仿真研究，指出了在确定轨道过渡段长度时，应考虑动力学性 能评价指标，并提出了确定轨道过渡段长度的临界长度法 。 西南交通大学王其昌、蔡成标等【3 8 t3 9 , 4 0 “1 4 2 1 对高速铁路路桥过渡段的轨道折 角限值进行了分析，试提出了高速铁路路桥过渡段轨道折角容许的限值，确定了 一套轨道过渡段动力特性的评价指标，分析了由基础沉降差引起的钢轨初始变形 及行车方向、行车速度对轮轨系统动力性能的影响，提出了确定路桥过渡段长度 应根据最高行车速度、基础沉降差，由动力学评判指标来确定。 西南交通大学翟婉明等【l o ，1 9 】应用动力学理论建立了车辆一轨道耦合模型，详 细研究了过渡段长度对高速列车与过渡段轨道动态相互作用性能的影响情况，确 定了高速铁路不同类型过渡段在不同速度等级下的最小长度理论建议值。 华东交通大学雷晓燕掣4 7 4 8 t4 9 ，5 0 】建立轨道过渡段基础刚度突变的轨道振动微 分方程，进行了轨道刚突变对轨道振动的影响性分析，提出了轨道过渡段的整治 原则。 孔祥仲、刘伟平等【吲从静力学角度对板式轨道与普通轨道之间设置轨道刚度 渐变的板式轨道过渡段提出了刚度设计方法，并建议采用不同厚度的沥青混凝土 道床宽轨枕轨道结构作为有砟与无砟轨道过渡段型式。 中南大学陈雪华【2 8 】基于无砟轨道路一桥一隧过渡段耦合动力学理论，应用高速 铁路路一桥一隧过渡段与无砟轨道相互作用的动力学模型，研究了轮重、车速、不 平顺和材料特性对无砟轨道过渡段结构系统相互作用的响应特征。 国立台湾大学施光夏 6 7 3 运用动力学分析程序a n s y s l s d y n a 在二维模型里 面模拟了直结式轨道( 如图1 7 所示) 与普通有砟轨道过渡段中钢轨和轨床( 道床 板) 的动态响应，既而讨论了轨下胶垫刚度对过渡段的影响，认为适当提高轨下 胶垫的刚度可以有效地降低钢轨的变形，最后讨论了轨枕共振、轨枕间距、支承 刚度与行车速度之间的关系，认为轨枕间距越大、支承刚度越大则列车的临界速 度越高。 5 j e 立至道厶生亟堂焦垃蛮 图l - 7 直结式孰道示意图 f i g l - 7 d i a g r a m m a t i cs k e t c h o f e l a s t i c t r a c k b e d 综上所述，目前路桥过渡段的分析是高速铁路过渡段分析的重点，分析的方 法仍是基于车辆与线路相互作用的动力学理论，一般采用理论建模、数值求解与 试验验证相结合的方法。首先对车辆轨道相互作用中的具体问题建立适当的数学 物理模型，进而寻求有效的数学分析方法以获敷系统响应，再将动力学关键指标 ( 如轮轨力、车体加速度等) 的试验测量结果与理论分析结果进行对比，从而验证 并改进理论模型。 从国内外的过渡段研究现状可以知道，目前研究的工作大多数集中在路桥、 路隧过渡段上，绝大多数针对的是路基、桥梁或者隧道，可以说以往研究的过渡 段包括秦沈客运专线l 有砟与无砟轨道( 线路上部结构) 的过渡段都是放在了基 础( 线路下部结构) 的过渡段上，由此不论是从施工设计还是实际运营来看都带 来了许多问题，而系统研究路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段的几乎空白。 1 3 轨道过渡段的处理措施 对于轨道过渡段问题，各国都非常重视，从结构设计到施工组织、工期安排 到质量检验都采取措施，严格控制轨道刚度变化及轨面变形，以确保线路的高平 顺，并积累了较丰富的经验，提出了一些技术处理措施，并在实践中取得了较好 的效果。有砟轨道和无砟轨道过渡段通常的处理原则是在有砟轨道一侧增大轨道 怪向刚度，而在帽邻无砟轨道一侧减小轨道的竖向刚度，尽量实现轨道刚度的平 缓变化。对于过渡段的具体处理措施，各国都有各自的特点，过渡段处理的目的 是减小过渡段两侧在刚度和沉降两方面的差异，从而减小轨道不平顺。 131 国外轨道过渡段处理措施 1 ) 设置辅助轨 德国在i c e 高速铁路的m u h l b e r g 隧道入口处采用了这种方法。该隧道内是无 啥算 砟轨道隧道外是混凝土枕有砟轨道，辅助轨长约3 0 m ，由四根附加在轨枕上的 钢轨组成1 2 5 1 ( 如图i - 8 所示) ，其中两根布置在运行轨之间另外两根布置在运行 轨外侧。这样，由四根辅助轨和两根运行轨组成的轨排具有较好的整体性和较大 的轨道刚度，可减小隧道内外轨道剐度的差异，降低道床和基床的应力。 图lg 德国m l l b l b 日x 隧道入口有砟与无砟过渡段 f i 9 1 8 t r a a s i f i o ns “i g t w e e n t h e b a l l a s u x l t r a c ka n d b a l l a s t l e s s n 0 1 1e 1 1 1 1 a l l c e o f m u h l b 。g t u 皿e l i n g e m a a n y 在德国纽伦堡一英格尔施塔特新建高速铁路线上的a u d i 隧道入口处采用了设 置辅助轨的措施，其中过渡段长度为2 0 m ，由两根附加在轨枕上的两正轨间的辅 助轨组成，有砟轨道上辅助轨长1 5 m ，无砟轨道上辅助轨长5 【“】；此外，无砟轨 道道岔与区问有砟轨道的过渡也是通过设置辅助轨增加轨排刚度来实现的，具体 措施是在过渡段内设箕两根辅助孰，其中无砟区段设置长度为9 根轨枕，有砟区 段设置长度为2 0 根轨枕“，如图1 - 9 所示。 图1 - 9 德国纽伦堡一英格尔施塔特有砟与无砟过渡段 f i g i - 9 t r a n s i t i o ns 。c b e t w 啪t h e b a l l t e d t r a c k 蚰d b a l l s t i c k s t m e k i n n b e a g - l n g o l s t a d l i n g e r m a n y 韩国在无砟轨道隧道与有砟轨道路基连接处也采用了辅助轨进行过渡，线路 上部铺设2 0 m 长的辅助轨，伸入隧道5 m ，隧道外1 5 m 。洞外有砟轨道侧3 3 6 m 范 盈内道床碎石按不同的密实度捣固，形成不同的刚度梯度【i ”。另外，无砟轨道的 素混凝土基础延伸到有砟轨道约6 0 m 长度范围内，形成h 日度的渐变过渡。 2 ) 调整轨枕长度和间距 在过渡段范围内，可通过使用逐步加大轨枕长度和减小轨枕问距的方法来实 现轨道刚度的逐步过渡。 e 立查亟厶堂亟主生僮硷窑 美国a r e a 在桥头路基上铺设较k 的轨枕，自路桥连接处 始铺设，轨枕长 度逐渐减小，并最终降至标准长度( 如图1 _ 1 0 所示) 。加拿大国铁公司也采用了类 似的方法来完成混凝土枕向术枕轨道的过渡，在混凝土枕向木枕过渡时，铺设长 度逐渐减小并最终降至标准长度的木枕以形成过渡段【5 ”( 如图1 _ l l 所示) 。这样， 随着轨枕长度的逐渐变化，轨枕在道床上的支承面积逐渐减小，从而形成轨道刚 度的渐变。 过菠段轨枕 图i 1 0 桥头路基轨枕过渡段示意图 f 峙1 - 1 0 s c h e m a t i c d i a g r a m o f s l c q j c r t r a m i h o as e c t i o ab e t w e e a t h e b r i d g e h e a ds a ds u b g r a d e h h n l 】_ 图1 1 1 混凝土轨枕与木枕过渡段示意图 f i 9 1 - 1 1s c h e m a t i cd i a g r a m o f a a n s i t i o ns e c t i o n b e t w e e n c d c r 咖s l o e p e ra n d w o o d ms l e e p e r 3 ) 道床刚度渐变 道砟足一种强度高、变形小的优质敞体材料，在过渡段范围内逐渐增加道床 的厚度，可逐步提高轨道的刚度，减小有砟轨道与无砟轨道两侧剐度的差异，法 国在s a t c b a 型无砟轨道与有砟轨道之间采用了这种过渡方式( 如图1 一1 2 所示) 。 改变道砟的牯结方式也可以实现道床刚度的渐变，如在过渡段有砟轨道范围内分 别采用道砟全胶结、部分胶结完成两种轨道刚度的过渡。博格板式无砟轨道与有 砟轨道的过渡段设置就采用了这种方法( 如图1 - 1 3 所示) ，其中无砟轨道的水硬性 承载层向有砟轨道延长1 0 m ，并在有砟轨道第一个1 5 m 范围内对道床面灌注环氧 树脂粘结剂使道砟完全粘结，第二个1 5 m 范围内道砟部分粘结，第三个1 5 m 范围 内砟肩部分粘结( i ”。在德国纽伦堡一英格尔施塔特新建高速铁路线上的a u d i 隧道 入口处( 如图l 1 4 所示) 也采用了这种方法，从有砟轨道到无砟轨道( p - h e d a 型 无砟轨道) 胶结道床全长为4 5 m 先是长1 5 m 范围内轨枕下部、两边和中间的道 j | 良 砟全部胶结，然后长1 5 m 范围内轨枕下部和两边的道砟全部胶结 国内轨枕下部的道砟酸结直至与无砟轨道相接，实现刚度的渐受 刚度均匀过渡州。 最后长1 5 m 范 轨道结构总体 ! “，i 一勰产”。黑：卷产7 。，器：等等”r z # j l t 士d j 7 h t d 蹦掣土爿暑戋曩占4 丧 7 _ 7 么 矿 1 日一 器嚣盏器湍_ 喂差吲 图1 1 2s a t e b a 型无砟轨道与有砟轨道的过渡段 f i 9 1 1 2 t r a n s i t i o ns “0 b e t w s a t e b ab a l l a s l l e t r a c k a d b a l l a s t e d t r a c k 图l 一13 路基t 博格楹式无砟轨道与有砟轨道的过渡段 f i g l 一1 3s u b g r a d e a s i f i o ns e c t i o n b e t w m b j 4 b “n 目w a c k d b “t 。d t r a c k f i g 1 1 4 e n t r a n t o t h e a u d i t t u m e l i n n u r e b e t g - m u n i c h h i g h dr a i l w a y l i n e 4 ) 改变轨道结构形式 改变过渡段两侧局部区域的轨道结构型式，也是实现轨道刚度渐变的一种方 法。如在过渡段有砟轨道地段采用宽型轨枕，无砟轨道地段采用减振型轨道板等。 南非s p o o m e t 公司在其重载铁路c o a l l i n e d e 的一处隧道进出口过渡段分别铺设了 梯子型和h 型轨枕两种不同类型的轨道结构。日本在板式轨道与有砟轨道之间插 入了2 根弹性轨枕进行过渡p m ( 如图1 - 1 5 所示) ，在板式轨道与板式轨道之间插 入了7 根弹性轨枕进行过渡( 如图1 _ 1 6 所示) ；此外，日本还在有砟轨道与有砟轨 道之间设置梯子型轨道进行过渡( 如罔5 - 1 7 所示) 。 闰l15 扳式无砟轨道与有砟轨道的过菠段 f i g1 - 1 5 t t m l s i t i o ns e c t i o nb e t w e e ns l a b t r a c ka n d b a l l a s t e d t r a c k 图l 一1 6 弹性轨枕的过渡段 f i gl - 1 6 t r a n s i t l o as e c t l o nw i t he l m n es l e e p e r 图1 1 7 梯于型轨道的过渡段 f i g 1 - 1 7 t r a n s i t i o ns t i o n w i t h l a d d e r t r a c k 5 ) 调整轨下、枕f 、砟下刚度等 对于桥梁及硬质岩石路堑等刚性基础上的轨道可通过调整轨下垫板的剐度， 或设置枕下垫块等方法，使轨道的刚度值与较软一侧轨道的刚度值相适应。垫板 或垫块的设计参数可通过室内外试验和计算分析确定。美国曾在其东北走廊线上 采用高弹性轨下垫板来降低明桥面轨道刚度，减少路桥连接处的阿度差，并取得 了一定的效果川。 对于有砟轨道结构，由于列车荷载的动力作用较大，常使道砟发生磨损粉化。 为了解决这个问题，日本在高速铁路刚性轨道基础的道砟层底面( 桥面) 铺设了一 层厚约2 5 m m 的橡胶垫层( 2 5 】。美、德等国也铺设过由废旧汽车轮胎加工制作而成 的砟底垫层。砟底橡胶垫层的设置，会降低轨道的剐度，减小路桥间轨道的刚度 差。 1 32 国内轨道过渡段处理措施 1 ) 秦沈客运专线 秦沈客运专线在有砟轨道和无砟轨道的路桥连接处采用了设置辅助轨的方法 ( 如图l 一1 8 所示) 来增强路基上轨道结构的竖向剐度，过渡段长度为2 5 m ( 其中 有砟轨道范围2 0 m ，无砟轨道范围5 m ) ，设置两根5 0 k g m 的钢轨作为辅助轨固定 在走行轨的内侧，在与有砟轨道相邻的第一跨无砟轨道粱上，长枕埋入式和板式 轨道无砟结构中，分别在道床板与底座之间铺设，轨道板底部粘贴1 2 m m 厚的 c p e - 1 2 0 1 微孔橡胶垫层以降低桥上的轨道刚度，减少两侧的刚度荠异口”】。 图1 - 1 8 寨沈线路基上有砟轨道与桥上无砟轨遵过渡段 啦“”“避黜蒜：。r 毗a i l w a y l i “n e ”“5 础“q i n h 啪g d a 叶s h 锄舯g 2 ) 逾怀铁路线 在逾怀线鱼嘴2 撑隧道铺设了长枕埋入式无砟轨道结构，其过渡段也采用了设 置辅助轨的方法【3 3 t6 9 ，在两基本轨之间设置两根长2 5 m 的5 0 k g m 辅助轨，辅助 轨伸向无砟轨道范围为5 m ，伸向有砟轨道侧2 0 m ，辅助轨与基本轨之间的距离是 5 2 0 m m ，在无砟轨道端部向外延伸长8 m ，宽3 m 的钢筋混凝土铺底，厚度由无砟 道床板端部的3 5 0 m m 逐步过渡到有砟侧的2 4 4 m m 。钢筋混凝土铺底上部的碎石道 砟厚度在8 m 范围内由无砟道床板端枕下2 4 4 m m 逐渐过渡到3 5 0 m m ，再外延道砟 厚度为5 9 4 m m ，通过混凝土板和道砟的渐变过渡，达到减小过渡段刚度变化率的 目的，此外还使用了不同弹性的扣件用于减缓过渡段的刚度变化，在过渡段无砟 轨道侧采用了静刚度较低的弹条i i 型分开式扣件，扣件节点静刚度为6 0 - 8 0 k n m m ：而在过渡段有砟轨道侧采用了静刚度较高的弹条i 型扣件，扣件节点 静刚度为9 0 - 1 2 0 k n m m 。 3 ) 遂逾综合试验线 遂逾线板式轨道与有砟轨道的过渡段长度为2 5 m 4 0 ，其中有砟轨道长2 0 m ， 在基本轨的内侧设置两根5 0 k g m 的护轮轨作为辅助轨，在桥隧间9 m 刚性基础范 围内设置道床厚度渐变段道床厚度由2 5 0 m m 逐渐过渡到桥上3 5 0 m m ，在过渡段范 围内的5 块轨道板板底粘贴2 0 m m 厚微孔橡胶垫层，靠近板式轨道端设置了5 根 2 8 m 的长轨枕，扣件刚度3 5 - - 5 5 k n m m ：遂逾线双块式轨道与有砟轨道过渡段自 过渡点开始向无砟轨道2 5 m 范围内，下部基础支承预埋与道床板的连接钢筋，过 渡段的有砟轨道设置两根6 0 k g m 的辅助轨，辅助轨与基本轨之间的距离是 5 2 0 m m ，采用2 8 m 的长轨枕，扣件刚度按5 5 - - 8 0 k n m m 逐渐过渡，道床下设置 1 5 m 长c 2 0 钢筋混凝土基础板，板厚为2 1 0 - - 2 6 0 m m 渐变，使过渡段范围内道床 厚度在1 5 m 长度内由0 2 m 过渡到0 3 m 。 4 ) 郑西客运专线 为了防止有砟轨道由于松散特性可能产生比无砟轨道更大的沉降，造成不均 匀变形，郑西客运专线路基上旭普林无砟轨道( c r t si i 型双块式无砟轨道) 与有 砟轨道过渡时将无砟轨道支承层的一部分伸入到有砟轨道地段( 如图1 1 9 所示) ， 长度一般取1 0 1 5 m 【诼7 2 1 ，同时将相邻无砟轨道一端的支承层加厚，这样一方面 保证了有砟轨道厚度的要求，另一方面也保证了伸入到有砟轨道部分的支承层具 有一定的厚度而满足强度要求。 1 2 i 奎部牯结部舟轱结i局帮轱结i 广t _ t 幽1 + 1 9 郑西客运专线路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段 f i 9 1 1 9 s u b g r a d e w d n s i t i o n $ e c t j o n b c t w e c a m - b l o c k b a i l a s t l 鹤s t r a c ka n d b a l l a s t e d t r a c k i n z l c n g z h o u - x i 啦p a s s e n g e r d e d i c a t e d r a i l w a y l i n e 在与无砟轨道相邻的有砟轨道地段，自无砟轨道侧开始对有砟轨道道床进行 不同级别的灌注，第一段将枕下、枕问和道砟边坡均灌注，称为全部粘结：第二 段将枕下和道砟边坡进行灌注，称为部分粘结；第三段仅将枕下进行灌注，称为 局部粘结，每段长度一般为1 5 m 。此外也在过渡段处设置了两根辅助轨，辅助轨 长度为2 0 2 5 m ，其中无砟轨道部分为5 m ，有砟轨道部分长1 5 2 0 m ，辅助轨固 定在道床板和过渡枕顶面。为使刚度变化更均匀，在有砟轨道与无砟轨道之间设 置不同刚度的扣件，一般有砟轨道扣件垫扳剐度较大，如国内采用的i i 型和i i i 型 扣件，扣件垫板刚度为5 5 7 5 k n m m ：无砟轨道扣件垫板剐度较小，如采用的 v o s s l o h 扣件，扣件刚度为2 25 2 5k n m m 。 从国内外轨道过渡段的处理措施可以知道，这些措施中大多数针对的是路桥、 路隧过渡段，针对路基上的并不多，这些既有的措施是否适用于高速铁路路基上 的有砟轨道与无砟轨道过渡段目前还亟待进一步研究。 1 4 本文的主要研究内容 基于目前国内外高速铁路路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段所存在的问题 本文对路基上轨道过渡段的动力学特性重点展开了研究。在运用有限元方法和借 鉴前人研究成果的基础上，借助大型通用有