（道路与铁道工程专业论文）博格板式无碴轨道的竖向动力分析.pdf

摘要 随着我国高速铁路客运专线和城市轨道交通的快速发展，无碴轨 道以稳定性高、维修工作量显著减少和技术相对成熟等特点得到较快 发展，对无碴轨道的动力分析显得尤为必要。本文以国内德国的博格 板式无碴轨道作为研究对象，将列车和轨道视为一个整体系统，建立 了列车与轨道竖向耦合振动计算模型。 本文根据博格板式无碴轨道的特点将其离散成2 2 个自由度的轨 道竖向振动分析有限单元的集合。取轨道每相邻两扣件之间的轨道为 一个单元，其中钢轨被模拟成连续弹性点支承的e u l e r 梁，轨道垫层 模拟为线弹簧和阻尼器，轨道板在模型中作为弹性薄板来处理，砂浆 模拟为线性均布面弹簧和阻尼器。把车辆模拟成6 个自由度的多刚体 系统模型。应用势能驻值原理和形成矩阵的“对号入座”法则建立了 列车一轨道系统竖向振动矩阵方程，并编制了相应的f o r t r a n 计算程 序。 根据建立的轨道竖向自由振动分析模型，本文运用子空间迭代法 对博格板式无碴轨道进行了自振分析。文中列出了前五阶竖向自振频 率和振型图。自振分析检验了前面建立的轨道振动分析模型的正确 性。 以竖向几何不平顺为激振源，本文对博格板式无碴轨道系统的竖 向振动响应进行了初步的分析，并列出了部分系统竖向振动响应的时 程曲线图，直观地表现了博格板式无碴轨道结构的动力学特性。通过 分析可知不平顺对轨道板的竖向振动位移影响较小，而对和不平顺直 接接触的轨道部件和车辆部件如钢轨、轮对等的影响比较大。 应用模型进行了博格板式无碴轨道的主要参数对系统振动响应 的分析，主要包括钢轨支点弹性系数、轨下垫层竖向阻尼、轨道板的 厚度、轨道板弹性模量等参数对钢轨、轨道板、车体重心和前转向架 的竖向振动位移和竖向振动加速度还有轮轨相互作用力的影响的研 究。并对这些参数进行合理取值，综合考虑：钢轨支点弹性系数在 4 x 1 0 7 n m 一6 x 1 0 7 n m 之间比较合理：轨下垫层竖向阻尼取在l x l 0 5 n s m 3 x1 0 5n s m 之间比较合理：轨道板厚取0 2 m 比较合理：车 辆一系弹簧取在2 5 e 6 n m 左右时比较合适；车辆二系弹簧取在 1 5 2 e 6 n m 左右比较合适。这些结论有利于博格板式无碴轨道的结构 设计。 关键词：博格板式无碴轨道，自振频率，竖向振动，参数分析 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e sa n dc i t y m a s st r a n s i ti nc h i n a , b a l l a s t l e s st r a c kw h i c hc h a r a c t e ri sh i g h e r s t a b i l i t y , l e s sm a i n t e n a n c ea n dm a t u r et e c h n i q u ew a sd e v e l o p e dr a p i d l y , i t i sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fb a l l a s t l e s sr a i l w a y s 1 1 1 i sp a p e rf o c u s e so nt h et h eb o g ls l a bt r a c k ，a n dt h eb 0 四s l a bt r a c k a n dt r a c k 粥v i e w e da saw h o l es y s t e m , t h e nab o # s l a bt r a c ka n d v e h i c l ev e r t i c a lc o u p l i n gd y n a m i cm o d l ei se s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e r , b 鲫s l a bt r a c ki ss c p a t a t e d 嬲2 2 - d e g r e e - o f - f r e e d o m f i n i t ee l e m e n t n 地t r a c kb e t w e e ne v e r ya d j a c e n c yt w of a s t e n e ri st r e a t e d a sa ne l e m e n t ，i nw h i c ht h er a i li ss i m u l a t e da sc o n t i n u i t y - p o i n t - s u p o r t i n g e u l e rb e a m , t h ec u s h i o no ft h er a i li ss i m u l a t e da s l i n es p r i n ga n d d a m p e r s ，t h et r a c ks l a bi ss i m u l a t e da se l a s t i cp l a t e s ，t h em o r t a ri s s i m u l a t e da sl i n e q i s t r i b u t e d - d i d p h r a g m - f l e x u r ea n dd a m p e r s t h ev e h i c l e i ss i m u l a t e d 勰6 f 1 e e d o mm u l t i 梳d ym o d e l 硼1 ee q u a t i o n sd e s c r i b i n g t h em o v e m e mo ft h et r a i n - t r a c kv e r t i c a lv i b r a t i o ns y s t e ma r ef o r m u l a t e d o nt h eb a s i so fm i n i r n u r f lp o t e n t i a lt h e o r ya n d “s i ti nt h er i g h ts e a t p r i n c i p l e ，a n ds i m u l a t i n gp r o g r a mi sc o n s t r u c t e da c c o r d i n g l y o nt h eb a s i so ft h et r a c kv e r t i c a l f r e ev i b r a t i o nm o d e l t h ef r e e v i b r a t i o no ft h eb o g ls l a bt r a c ki sa n a l y z e di nt h i sp a p e rb ym e a n so f s u b s p a c ei t e r a t i o nm e t h o d t h ev e r t i c a l f r e ev i b r a t i o nf x e q u e n c ya n d v i b r a t i o nm o d eb e t w e e nf i r s tf i v es t e p sa r e p u t f o r w a r d a n dt h e c a l c u l a t i n gr e s u l t sa l ep r o v e dt ob ec o r r e c ta n dr e l i a b l e t h ef r e ev i b r a t i o n a n a l y s i sc a nc h e c kt h ec o r r e c t n e s so f t h et r a c kv i b r a t i o nm o d e l w i t ht h ev e r t i c a li r r e g u l a r i t ya sv e r t i c a lv i b r a t i n gr e s o u r o e t h et r a i n - b o g ls l a bt r a c kv e r t i c a lv i b r a t o r yr e s p o n s e sa l 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 cr e s p o n s ec u r v e so ft h es y s t e ma r ep u tf o r w a r d w h i c hm a n i f e s tb o g ls l a bt r a c ks t r u c t u r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o nt h eb a s i so ft h et r a i n - t r a c km 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 e mt h ee f f e c t so ft h es p r i n gs t i f f n e s so fr a i l s u p p o r t , v e r t i c a ld a m p i n gb e t w e e l lr a i la n ds l a b ，t h et h i c k n e s so ft h es l a b a n dt h ee l a s t i cm o d u l u so ft h es l a bo nt h ev e r t i c a lv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t a n da c c e l e r a t i o no ft h er a i l ，s l a b ，t r a i nb a r y c e n t e r , f o r m e rb o g i ea n dt h e w h f r a i lf o r c e t h e a p p r o p r i a t e v a l u eo fs o m er a i l p a r a m e t e r s 哦 m o b t a i n e d b yc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r i n g ，t h er e a s o n a b l es p r i n gs t i f f n e s s o f r a i ls u p p o r ti s4 x1 07 6 1 0 7 n m ；t h er e a s o n a b l ev e r t i c a ld a m p i n go f t h ec u s h i o nu n d e rt h er a l li sl 1 0 3 1 0 n s r e ；t h er e a s o n a b l e t h i c k n e s so ft h et r a c ks l a bi s0 2 m ；t h er e a s o n a b l es p r i n gb e t w e e nt h ec a r b o d y a n dt h eb o g i ei s2 5 e 6 n m ；t h er e a s o n a b l es p r i n gb e t w e e nt h eb o g i e a n dt h ew h e e li s1 5 2 e 6 n m t h ec o n c l u d e si sb ep r o p k i o u st ob o 舀s l a b t r a c ks t r u c t u r e sd e s i g n i n g k e yw o r d s ：b o g ls l a bt r a c k , f r e ev i b r a t i o nf r e q u e n c y ，v e r t i c a l v i b r a t i o n , s t u d yo f p a r a m e t e r i v 原创性声明 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 究工作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注 明的地方外，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，已在论文的致谢语中 作了说明。 作者签名：啦日期：丛巫- 年止月j 卫日 关于学位论文使用授权说明 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，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、缩印或其他手段 保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交 学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提 供使用。 日期：型年- 丛月盟日 硕士学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 中长期铁路网规划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 先进水平实施中长期铁路网规划，特别是建设世界一流客运专线，需要采 用一套先进、成熟、经济、适用、可靠的技术。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，也带来了我国线路设施 方面技术线路的深刻变革。 目前在德国、日本等一些发达国家，铁路广泛采用的无碴轨道技术具有轨 道稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强、维修工作量显著减少和技术相对 成熟等特点。发展无碴轨道技术是我国铁路快速提升技术装备水平，实现铁路 跨越式发展的重要举措之一。2 0 世纪6 0 年代，世界各国开始研究使用无碴轨 道，从室内试验，现场铺设到在高速铁路上的普遍推广，历经4 0 余年，形成了 具有各国特色的系列化、标准化产品嘲。 我国无碴轨道工程技术也取得了一定的成绩，特别是在秦沈客运专线上试 铺的长枕埋入式、板式无碴轨道2 种结构，经3 次综合试验的检验测试，结果表 明其完全达到了有关规定和标准的要求，并为无碴轨道的设计和施工积累了宝 贵的经验，尤其是板式无碴轨道上使用的c a 砂浆配方的开发与应用，接近国际 先进水平，为我国在即将建设的客运专线铁路上成规模铺设无碴轨道奠定了坚 实的基础尽管如此，与国外发达国家的先进无碴轨道工程技术相比仍存在较 大差距，需要我们不断学习和借鉴。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 项与批准，标志着我国客运专线工程建设开始启动【1 1 0 】。 目前，我国高速铁路建设的高潮已经开始。作为高速铁路修建技术重要组 成部分的无碴轨道技术，得到各级领导和设计、旅工人员的高度重视，并广泛 推广应用，这为进一步完善无碴轨道技术，形成适合我国国情和路情、具有中 国铁路特色的无碴轨道结构技术创造了条件。需要指出的是国内无碴轨道结构 硕士学位论文第一章绪论 的研究应用起步比较早，但由于延续性差、理论基础薄弱、系统集成水平低、 工程实践少，目前还没有形成成熟的结构形式，所以应当认真总结国内外高速 铁路无碴轨道结构特点，充分分析国内高速铁路设计和运用条件，客观认识国 内应用国外高速铁路无碴轨道结构需要开展的工作，选择技术先进、经济合理 的无碴轨道结构形式，并研究国外无碴轨道结构参数在国内的适应性，通过优 化、试验和工程实践，形成具有中国特色的标准结构形式川。对无碴轨道进行 深入探讨与研究，具有非常重要的现实意义。 1 2 无碴轨道结构的发展现状 日前，高速铁路轨道结构主要有两种类型：有碴轨道和无碴轨道。从实际经 验来看，两种轨道都可以运行3 0 0 k m h 以上的高速列车，如法国高速铁路和日本 的山阳新干线均全部或部分铺有有碴轨道，列车速度己经达到3 0 0 k m h ，虽然法 国也在对无碴轨道进行实验研究，但至今在t g v 运营线上仍全部采用有碴轨道。 德国高速列车轴重较大，且客货混跑，其有碴轨道破损严重，要求换铺无碴轨道 的呼声甚高。 有碴轨道在高速列车载荷的反复作用下，残余变形积累很快，而且沿线路方 向的变形积累和轨道剐度分布不均匀，从而造成轨道不平顺，影响列车运行的舒 适性和安全性，同时显著增加轨道的养护维修工作量，加大铁路的运营投入。无 碴轨道结构是用耐久性好、塑性变形小的材料代替道碴材料的一种轨道结构形 式。由于取消了碎石道碴道床，轨道保持几何状态的能力提高，轨道稳定性相应 增强，维修工作量减少，成为世界各国高速铁路轨道结构的发展方向。 相比于有碴轨道，无碴轨道具有一系列特点： 一方面，无碴轨道具有轨道平顺性高、刚度均匀性好、轨道几何形位能持久 保持以及维修工作量可显著减少等明显优点。无碴轨道修建时所增加的投入经 费，一般可在一个线路大修周期内依靠所节省的线路养护维修费用收回投资。 另一方面，无碴轨道在运营过程中一旦产生病害，维修将十分困难。因此对无碴 轨道的适用范围、设计条件和施工技术等问题，都必须十分重视。 一般来讲，无碴轨道主要适用于桥梁、隧道、石质路基等具有坚实基础的线 路地段，对于土质路基，因很难解决列车反复作用下的路基的下沉问题，修建无 碴轨道存在较多的技术问题，同时费用十分昂贵。无碴轨道虽然具有较均匀的轨 道刚度，但应当使轨道具有与有碴轨道相当的弹性，以缓解高速列车的动力冲击 作用，为此须增设如沥青砂浆或橡胶等弹性垫层，同时为完成轨道高低与方向的 调整而使得扣件的结构型式复杂化。在无碴轨道的施工过程中，需要精确的施工 2 硕士学位论文第一章绪论 控制等技术，对施工组织和旄工工艺等提出了更高的要求。有碴轨道和无碴轨道 各有各的优缺点，在高速铁路上究竟应铺何种类型轨道结构，应从技术和经济角 度全面衡量决定。从目前世界各国高速铁路的运营情况来看，列车速度低于 3 0 0 k m h 时，桥隧区段可铺设无碴轨道，路基上宜铺设有碴轨道，当行车速度大 - ：3 0 0 k m h 时，采用无碴轨道可较好保持轨道的平顺性，有利于高速行车【3 l 。 1 2 1国外无碴轨道结构应用状况 国外铁路无碴轨道的发展，从数量上经历了由少到多、从技术上经历了由 浅到深、从品种上经历了由单一到多种、从铺设范围上经历了由桥梁、隧道到 路基道岔的过程。高速铁路的轨道结构更是首选无碴轨道，成为高速铁路的发 展趋势【6 】4 0 多年来，国外出现了1 0 0 多种无碴轨道结构形式( 其中德国有9 9 种形式) ，但只有近3 0 种无碴轨道结构形式得以试铺和运用，铺轨长度不到 4 0 0 0 k m ，主要铺设在隧道内和桥梁上( 占总长度的8 2 ) ，路基上仅占1 8 ，且 主要铺设在德国铁路线路上( 占路基总铺设长度的7 2 ) 7 1 。 1日本板式无碴轨道 日本铁路是发展无碴轨道较早、较快的国家。早在2 0 世纪6 0 年代中期，日 本就开始了无碴轨道的研究与试验，并逐步推广应用。东海道新干线由于建造得 比较早，5 7 5 4 k m 全部采用有碴轨道，钢轨采用5 4 k g m ，轨枕长度2 4 m ，道床 厚度只有2 0 2 5 c m ，但运营后发现不能维持良好的轨道状态，不得不进行大修， 更换轨道结构。2 0 世纪7 0 年代建造的山阳新干线，冈山以东1 6 4 k i n 的线路，修 建了8 k m 的无碴轨道，占线路全长的5 ；冈山以西修建了2 7 3 k m 的无碴轨道， 占线路全长的6 9 ；东北新干线无碴轨道占线路全长的8 2 ，上越新干线无碴轨 道占线路全长的9 1 。 日本无碴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 新干线无碴轨道的主要结构型式。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。目前常用的有普通a 型轨道板、框架型轨道板、用于特殊减 震区段上的防震g 型轨道板及早期用于路基上的r a 型轨道板等。t 近几年，随着北陆等新干线的建设，板式轨道又有了较大发展，主要在以下 几个方面： ( 1 ) 可用于露天地段使用的土路基上板式轨道； 硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 为节约混凝土用量、降低造价，发展了框架型板式轨道； 翱e i ( p c 蠢r o 图l - ! 普通a 型板式轨道( 钢筋混凝土，预应力混凝土轨道板) 孰慧擐 图1 2 框架型板式轨道( 钢筋混凝土轨道板) ( 3 ) 为了提高c a 砂浆的灌注效率，节约模板用量，发展了c a 砂浆的编织袋 灌注方法； ( 4 ) 在人口稠密的居民区，为了降低噪声的干扰，在轨道板和c a 砂浆垫层间 铺设2 5 m 厚的橡胶垫层，发展了防振型板式轨道。 2 德国无碴轨道 德国也是研究无碴轨道较早的国家之一。德国的首批整体式无碴轨道试验 区段原则上都铺设在车站范围。1 9 5 9 年，在希埃思坦隧道第一次试铺了板式无 碴轨道，1 9 6 7 年，在班堡福尔海间又试铺了两种板式无碴轨道。此外，1 9 6 7 年原西德铁路还在厄尔达车站修建了板式无碴轨道试验段，这种板式轨道能适 应2 5 0 k m h 以上的高速列车。1 9 7 2 年原西德铁路在拉达车站试铺了枕式无碴轨 道。 4 硕士学位论文第一章绪论 与其他国家不同的是，德国铁路首先在车站试铺无碴轨道，接着解决了土 质路基铺设无碴轨道的技术问题，然后逐步推广到隧道和桥梁上，从而为全区 间铺设无碴轨道创造了有利的条件。基于高速铁路有碴轨道线路的维修工作量 大、道碴粉化及道床累积变形速率加快，德国铁路根据其咨询公司对现行的有 碴轨道和无碴轨道的综合技术经济比较得出的建议，决定在所有隧道、道岔区、 制动区间以及3 0 0 k m h 的高速线上均采用无碴轨道。在室内试验和现场大量铺 设试验段进行试验验证的基础上，目前德铁累计铺设无碴轨道2 4 8 k m ( 含8 0 多组道岔区) ，其中规模铺设的线路包括：科隆法兰克福( 3 0 0 k m h ，2 0 0 2 年 开通) 、柏林一汉诺威( 2 5 0 k m h ，1 9 9 8 年开通) 、纽伦堡一英戈尔施塔特( 在 建中) 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碴轨道的 研究，目前正式批准的无碴轨道结构形式有5 种，包括r h e , d a 型、b o g l 、鼬 b l i n 、a 1 d 、g e t r a c 、b e r l i n 型。 最近开发的r h c d a - - 2 0 0 0 型轨道( 见图1 3 ) 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。其结构特点是：由两 根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原r h e d a 型中的整体轨枕；取消了原 结构中的槽形板，统一了隧道、桥梁和路基上的结构型式；同时，轨道的建筑高 度从原来的6 5 0 眦降低为4 7 2m m 。r h e d a - 2 0 0 0 型中的特殊双块式轨枕只保留 承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土，其余为桁架式的钢筋骨架，使之与现场 灌筑混凝土的新、老界面减至最少，有利于提高施工质量和结构的整体性。建筑 高度的下降，对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。将无碴轨道的造价降低 到有碴轨道的1 3 1 4 倍是德铁力争的目标。科隆一法兰克福采用的是r h t x t a 型 无碴轨道。 圉1 - 3r h e d a - 2 0 0 0 无硅轨道系统横截面 5 硕士学位论文 第一章绪论 3 法国无碴轨道 法国是以有碴轨道为代表的高速铁路国家，一直以有碴轨道能够以2 7 0 3 0 0 k m h 运营而感到骄傲。但后来发现早期建造的东南线、大西洋线，道碴粉化严重， 使轨道几何尺寸难于保持，维修周期缩短，维修费用大大增加，甚至影响正常的 运营，结果使用不到1 0 年不得不全面大修，更换道碴。为此，法铁对道碴的粒径 级配、颗粒形状指标、硬度系数标准进行了重新研究，拟订了新的规定。比如针 对道碴的洛杉矶磨耗率、硬度系数标准( c h ) ，t g v 东南线原规定为洛杉机磨耗 率2 0 和c h 17 ，t g v 北方线把其提高到洛杉机磨耗率1 7 和c h 2 0 ， 新建的地中海线再提高到洛杉机磨耗率1 6 和c h ；， 2 1 。除此之外，为减缓道 碴的粉化，在桥梁上还采取了道碴下铺设橡胶垫的方式。与此同时，法国开始认 识到无碴轨道的优越性，开始了无碴轨道的研究与试验。在新建的地中海线，选 择隧道里铺设了4 8k m 双块式无碴轨道，进行试验，还准备在东部高速线4 0 5 0k m 的一个区间修建无碴轨道。 4 英国无碴轨道 l 、u ，t 型无碴轨道 l v t 型无碴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，在块底与套靴问设橡胶弹性垫层，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 、呵型无碴轨道。目前l ，v t 型轨道的铺设总长度约3 6 0 i n n 。、 2 、p a c t 型无碴轨道 p a c t 型无碴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 。 5 其它国家无碴轨道 奥地利联邦铁路铺了2 5 k m 的o b b p o r t 系统，其结构近似于z u b l i n 型主要用 于高架桥和隧道。意大利的无碴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 建设中其中的无碴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 地铁的无碴轨道结构如德国的s t e d e f 系统、瑞士的w a l o 系统、e d i l o n 系统等。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2国内无碴轨道结构研究与工程实践 我国无碴轨道的研究起于2 0 世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同步。初期曾试 铺过支撑块式、短枕式、整体灌筑式及沥青道床等，正式推广应用的仅有支撑块 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 i n 。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 0l a n ，但并未正式推广。 此外还铺设过由沥青灌注的固化道床，但未正式推广。在京九线九江长江大桥引 桥上还铺设过无碴无枕结构，长度约7k m 。 在此2 0 多年间，我国在无碴轨道的结构设计、施工方法、轨道基础的技术 要求以及出现基础沉降病害时的整治等方面积累了宝贵的经验，为发展无碴轨 道新技术打下了基础 1 9 9 5 年开始开始对弹性支承块式无碴轨道的研究，1 9 9 6 年、1 9 9 7 年先后在 陇海线白清隧道和安康线大瓢沟隧道铺设试验段。在秦岭隧道一线、秦岭隧道 二线正式推广使用，一、二线合计无碴轨道长度3 6 8k m ，并先后于2 0 0 1 年、2 0 0 3 年开通运营。以后又陆续在宁西线( 南京一西安) 、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，已经铺设和正在铺设的这种无碴轨道累 计近2 0 0l 。 随着京沪高速铁路可行性研究的推进，无碴轨道在我国重新得以关注。在“九 五”国家科技攻关专题“高速铁路无碴轨道设计参数的研究”中，提出了适用 于高速铁路桥梁、隧道中的三种无碴轨道型式( 长枕埋入式、弹性支撑块式和大 板式) 及其设计参数；在铁道部科技开发计划项目“高速铁路高架桥上无碴轨道 关键技术的试验研究中，完成了对上述3 种无碴轨道实尺模型的铺设及各项性能 试验；初步提出高架桥上无碴轨道的施工方案；提出了高速铁路无碴轨道桥梁徐 变上拱的限值与控制措施：建立了桥上无碴轨道车桥线耦合模型并进行仿真计 算，初步分析了高速铁路高架桥上无碴轨道的动力特性与车辆走行性能。 以上研究成果为我国新型无碴轨道结构的发展打下了坚实的基础。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碴轨道设计、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3 座高架桥作为无碴轨道的试铺 段。其中，沙河特大桥( 铺轨1 3 8 4 m ) 铺设了长枕埋入式无碴轨道；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，两种无碴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。 随后，在西康线秦岭隧道( 铺轨3 7 k 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撑块式无碴轨道，在渝怀线鱼嘴2 号隧道( 铺 ， 硕士学位论文第一章绪论 轨1 4 3 8 m ) 铺设了长枕埋入式无碴轨道，在赣龙线枫树排隧道( 铺轨1 4 2 0 m ) 铺设 了板式无碴轨道。 为进一步优化长枕埋入式无碴轨道结构，铁道科学研究院在铁道不高速办的 指导下，提出了双块式无碴轨道( 简称为t b s 型) 结构方案，并进行了相关的试 验室试验。 我国铁路在无碴轨道研究方面已经做了一定的工作，在桥梁和隧道内部都有 了相应盼无碴轨道结构试铺段。特别是对整体板式无碴轨道进行了一定的研究， 对轨道板进行了先张法和后张法生产与试验，c a 砂浆试验结果达到了国外同类 产品性能指标，编制了板式无碴轨道技术条件，研发了成套铺设设备。 作为新型轨道结构发展的一个必要环节，为掌握桥上无碴孰道在高速运行 条件下的结构受力、变形情况与振动特性，评价两种无碴轨道的动力性能，2 0 0 0 年铁道部开展“秦沈客运专线桥上无碴轨道综合试验”，选定线路平纵断面、桥 梁结构型式与桥上无碴轨道试验段相近的桥上有碴轨道试验工点( 石河二号特 大桥、跨新闫公路特大桥) 进行对比测试。 通过近8 年来无碴轨道的理论研究、室内模型试验、桥上和隧道内试验段铺 设，我国在高速铁路无碴轨道方面取得了一下主要研究成果： ( 1 )无碴轨道的结构设计，包括：普通a 型板式轨道和长枕埋入式无 碴轨道： ( 2 )制定两种无碴轨道部件的设计以及制造与验收技术条件： ( 3 )制定桥上和隧道内无碴轨道工程施工技术细则与质量检测评定 标准； ( 4 )小跨度简支箱梁( 3 2 m 以下) 的变形限值以及与施工方面的控制 措施； ( 5 )与无碴轨道相关的隧道设计技术要求； ( 6 )无碴与有碴轨道间过渡段的主要技术要求； ( 7 )无碴轨道结构的动力测试与长期观测技术。 国内无碴轨道结构研究和工程实践为高速铁路无碴轨道结构运用提供了有 力的技术支持。 总之，无碴轨道结构相对于有碴轨道结构具有显著的优点。考虑到我国铁路 运输运力、运能紧张局面，以及高速铁路一般处于经济发达地区，人员流动十分 频繁，而且铁路作为一个网络，跨线列车的开行对高速铁路的运输组织将产生重 要影响，从而形成高速铁路列车运行高速度和高密度的特点，这就不仅要求线路 具有高稳定性、高平顺性，还要求线路具有高使用率，造成维修与运营矛盾更加 突出，因此，积极采用无碴轨道结构具有重要意义。必须看到，无碴轨道结构的 s 硕士学位论文 第一章绪论 应用还存在局限性，在国外许多铁路上还处于试验阶段，在高速铁路上大面积推 广应用也只有3 0 年时问( 日本山阳新干线) ，中国发展无碴轨道结构，还存在许 多问题需要解决阴 1 。搠孽产厂 l 。甜 o _ 扩o o j 1 _口j 撑 l，腰i 鹭 霉 攀k 口i 蔷 。 图1 4 秦沈线长枕埋八式无碴轨道 因1 5 泰沈线板式式无碴轨道 1 2 3德国博格板式无碴轨道的发展 博格板式无碴轨道是德铁应用的一种轨道型式，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碴轨道。通过对其进行预应力结构、 9 硕士学位论文第一章绪论 结构尺寸、纵向连接等方面的优化改进；采用先进的数控磨床来加工预制轨道 板上的承轨槽；使用快速方便的测量系统，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的设备，使得博格板式轨道机械化 程度高于一般轨道结构。博格板式无碴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施塔特的 新建高速线上铺设嘲。 博格板式无碴轨道由大板、灌浆层和挡台组成。其结构高度4 7 4 m m 。大板长 6 4 5 m ，宽2 5 5 m ，厚0 2 0 m ；灌浆层厚3 c m ；挡台为长方形，设置于板的两侧、 板与板的连接处。大板为工厂预制，运输到现场安装铺设。在路基上铺设，其下 部基础由水硬性材料支承层和防冻层组成。水硬性材料支承层具有刚度过渡的作 用，厚3 0 c m , 防冻层由级配碎石组成，防止冻胀引起路基变形，防冻层e v 2 1 2 0 n r a m 。 博格板式无碴轨道除了完全满足德国铁路对于轨道技术要求外，还具有一下 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1 0 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，不需对每个轨道支撑点进行调节，使工地测量工作大大减少。 3 、预制轨道板可用汽车在普通旌工便道上运输，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。 1 0 硕士学位论文第一章绪论 图1 - 6 博格板式无碴轨道的结构图 基于博格无碴轨道系统的上述优点，我国的京津城际客运专线全线采用德国 博格板式无碴轨道技术，铁道部和德国博格公司共同签署了铁路客运专线无碴轨 道技术转让合同，此次全面引进博格无碴轨道的技术是铁道部为了满足京津城际 轨道交通工程建设的需要，也是确保0 8 年奥运会开幕前开通运营而实施的一项铁 路重大工程。通过技术转让和后续开发，中国铁路将形成我国自主知识产权的无 碴轨道技术和中国无碴轨道自有品牌。目前我国已成功地进行了桥梁、隧道上的 长枕埋入式、板式和弹性支承块式无碴轨道结构的研究与试铺。但土质路基上无 碴轨道结构在我国尚处于前期研究，特别是对在土质路基上技术相对较为成熟的 德国博格无碴轨道结构研究的公开性文献还较少。博格板式无碴轨道结构广泛的 应用前景使得对其结构参数及动力性能的进一步研究非常必要，同时也能为我国 高速铁路无碴轨道的选型提供一定的依据。所以，本文选择德国的博格板式无 碴轨道作为研究对象，对其进行数值模拟，进行动力学分析。 1 3机车车辆一轨道系统动力学的发展 随着列车运行速度和列车重量的不断提高，机车车辆与轨道结构的振动越来 越强烈，机车车辆的运行平稳性降低，轨道结构承受的动荷载增大。因此我国铁 路既有线提速、客运高速化和货运重载化，对机车车辆和线路结构都提出了更高 的要求，而这种要求已不仅是强度方面的要求，更主要的是动力特性方面的要求， 所以迫切需要对机车车辆和轨道结构系统的振动特性有更深刻的认识。而无碴轨 道结构作为近几年发展起来的新型轨道结构，对于它的设计和研究仍限于静力学 分析和一些简化的动力学分析，对于无碴轨道和高速车辆系统动力学研究还比较 硕士学位论文 第一章绪论 少。 1 3 1国内外轨道动力学的发展 最早开始涉及轨道动力问题，可追溯到本世纪4 0 年代，如铁木辛柯 ( t u n o s h e n k o ) 采用单自由度集总参数轨道模型分析正弦荷载作用下的轨道位移 响应问题。而真正进行轮轨动力作用分析，则是在六七十年代以后。英国铁路为 防止和整治钢轨接头区病害，对轮轨相互动作用力进行了大量的理论与试验研 究。l y o n 和j e o k i n 等于1 9 7 2 年成功地建立了低接头轨道动力学分析模型，并 由此定义了轮轨冲击振动中客观存在地两种特殊类型地作用力高频冲击力 蟊和低频响应力扔。该模型将轨道描述成连续弹性基础上地欧拉( e n l e r ) 粱， 车辆简化成为具有一系悬挂的轮对模型，轮轨接触采用h e r t z 非线性接触弹簧模 型。1 9 7 9 年n e w t o n 和c l a r k 对该模型做了局部改进，以t i m o s h e n k o 梁代替e t l l e l 梁描述钢轨，从而可以考虑梁的剪切变形和截面旋转惯性效应对轮轨垂向力的影 响。在此基础上，d e r b y 中心的研究人员进一步采用了弹性点支承连续梁模拟轨 道，并考虑轨枕的振动影响。 。 日本学者左藤裕和左藤吉彦对轮轨动力分析做了大量有价值的工作。他们曾 经采用集总参数模型和连续弹性基础梁模型研究了轨道的动力效应，其中比较有 代表性的是所谓s a t o “半车一轨道”集总参数模型。为模拟新干线板式轨道，日 本学者还提出了双层连续弹性基础上无限长粱模型。 美国的a h l b e c k 等也曾经提出了一个与s a m 模型相仿的“半车一轨道”集 总参数模型，所不同的是轨道部分增加了一个基础参振质量，并且考虑了钢轨接 头因轮轨冲击变形而引起的刚度削弱影响。此外，德国b i r m a n n 、法国g e n t 和 j a n i n 等都提出过类似形式的分析模型。近年来，加拿大c a i 和瑞典n i e l s e n 等为 研究车辆一轨道相互动力作用问题，采用了“转向架一轨道”分布参数模型，轨 道为二层离散支承连续梁。 最近十多年来，国内许多铁路研究人员在轨道动力学方面开展了大量研究与 实践工作。1 9 8 4 年，邢书珍建立了钢轨与轨枕质量分开的连续弹性基础梁上无限 长梁模型，并计算了在理想平直轨道上垂向动力效应和临界运行速度【7 l 】。1 9 9 3 年，张宝珍等以钢轨、轨枕和道床建立了双层结构轨道模型。分析了轨道在移 动简谐荷载作用下的动力响应，并与定点荷载作用的结果进行了比较【7 3 j 。1 9 9 5 年，李德建等在既有轨道结构模型的基础上采用有限单元法分析了铁路轨道空 间动力特性，分别建立了直线具3 0 自由度和曲线具有3 4 个自由度的轨道空间振 动分析有限单元模型 7 5 1 、 7 7 1 。1 9 9 8 年，雷晓燕等建立了轨道结构空间自由振动 模型。运用有限元理论，分析了既有线路在不同支承条件下的固有频率和固有振 硕士学位论文第一章绪论 动特性【7 珂。进入二十一世纪后，岳渠德等建立一种较为复杂的区间轨道结构动 力学模型双层叠合交叉梁系空间力学模型，并推导各模型单元的特性矩阵， 给出区间轨道结构的振动微分方程。该模型中同时考虑了轨道的垂向和横向， 细化了枕轨联结点等，为区间轨道动力学仿真研究提供建模理论依据弘”。2 0 0 0 年，雷晓燕等建立了包含钢轨、轨枕、弹性垫层、道床和路基为一体的轨道结构 空间分析模型，开发了计算机程序t d a ，对t g v 动车在不同速度下轨道结构的动 力响应进行了分析i s 。2 0 0 1 年，喻天胜等以列车运行时的轨道地基系统为对 象，将轨道地基系统简化为半无限地基及成层地基上的w i n k l e 梁，对高速移 动荷载作用下的梁地基系统的协同工作进行了分析，得到了轨道与地表面的动 力响应的计算公式吲。2 0 0 2 年，谢伟平等推导了移动荷载作用下基于t i m o s h e n k o 梁的轨道系统位移的积分表达式，对轨道系统进行了离散化，并进行了数值计 算1 8 5 l 。2 0 0 3 年，谢伟平等以移动荷载作用下的轨道系统为研究对象，采用了轨 道一枕木一碎石垫层协同分析的方法，将轨道系统简化为弹性地基梁模型，通 过反应谱和动力响应的计算，对其动力特性进行了分析晡研。2 0 0 4 年，娄平等视 钢轨为离散粘弹性支点支承的长梁：轨道板为连续粘弹性基础支承的短梁；视板 式轨道及移动荷载为一个系统，利用有限元方法分析了板式轨道在移动荷载作 用下的动力响应 9 0 1 。2 0 0 5 年，李春霞等建立了板式轨道的空间模型，将板式轨 道的全部构造都考虑在内，将钢轨、扣件和注入材料等都模拟为实体模型，视整 个轨道结构当作弹性实体，并对土质路基上的板式轨道在静止轮载作用下的受力 特性进行了分析【1 0 3 ) 2 0 0 5 年，毛建红用有限元方法及a n s y s 软件建立了 r h e d a - 2 0 0 0 无碴轨道空间非线性动力学有限元模型，应用建立的模型进行了 r h e d a - 2 0 0 0 无碴轨道的参数分析，并绘制了相应的振型图和时程曲线，直观地表 现了r h e d a - 2 0 0 0 无碴轨道结构的动力学特性【7 0 j 。 1 3 2列车一轨道系统振动分析的发展 为考虑轮轨动力作用、钢轨接头区轨道结构特殊性影响及轨枕作用，1 9 8 7 年，文献【1 0 4 1 提出了轮轨垂直相互动力作用及其动力响应的分析方法，将钢轨取 为弹性点支承的梁单元组合体，轨