（道路与铁道工程专业论文）博格板式无砟轨道路桥过渡段竖向动力响应分析.pdf

摘要 随着我国现代高速铁路和客运专线的快速发展，无砟轨道得到广 泛应用，桥上铺设无砟轨道更是一种普遍形式。由于路堤与桥梁的工 程性质迥异，在路桥交界处极易产生严重的轨道不平顺问题，并且这 一现象随着列车速度的提高和列车轴重的增大而加剧，加速了线路的 变形和破坏，影响行车的舒适性和平稳性，严重时甚至危及行车安全。 基于国内外列车一轨道一桥梁和路桥过渡段问题的研究现状，在 综合分析的基础上，本文以博格板式无砟轨道为载体，取轨道相邻两 扣件之间的部分为一个单元，其中钢轨模拟为连续弹性点支承的 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，垫层砂浆模拟为线性均布面弹簧和阻尼器，桥梁被模 拟为e u l e r 梁，并把机车( 车辆) 模拟成6 个自由度的多刚体系统模型。 应用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的“对号入座”法 则建立了系统竖向振动矩阵方程，并应用f o r t r a n 语言编制了相应的 计算分析程序。 根据建立的竖向振动分析模型，以秦沈客运专线3 2 m 单线简支箱 梁桥为例，对模型进行竖向自振特性分析，列出了前六阶竖向自振频 率和相应的振型图，计算结果正确可靠。对两种客运专线常用跨度2 4 m 和3 2 m 单线简支箱梁桥的走行性进行了对比分析，研究了列车编组、 桥梁跨数和行车速度对桥上列车走行性能的影响。 为了全面分析和评价路桥过渡段的动力学特性，将过渡段轨面弯 折变形用余弦曲线模拟，应用建立的路桥过渡段竖向耦合振动分析模 型，综合考虑列车驶向( 进桥和出桥) 、行车速度、沉降差和过渡段 长度对机车车辆和路桥过渡段轨道结构动力响应的影响，就各种不同 的工况条件，进行了大量计算机仿真计算、综合分析和性能评价，得 出了各种因素对列车运行的影响规律；给出了不同行车速度下无砟轨 道路桥过渡段设置长度的建议值；总结了国内外路桥过渡段的整治和 处理措施。 关键词：高速铁路，无砟轨道，路桥过渡段，动力学特性 a bs t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mh i g h s p e e dr a i l w a y a n d p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e s ，b a l l a s t l e s st r a c ki sb e i n gw i d e l yu s e d ，t h ef o r m p a v e do nt h eb r i d g ei sm o r eu n i v e r s a l s i n c et h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f e m b a n k m e n t sa n db r i d g e sa r es od i f f e r e n tt h a ts e r i o u su n e v e n n e s si s p r o n et oo c c u ri nt h el i n k i n go fe m b a n k m e n t sa n db r i d g e s b e s i d e s ，t h i s p h e n o m e n o ni sw o r s e n e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et r a i nr u n n i n gs p e e da n d t h ea x i a l l o a d ，q u i c k e n st h ed i s t o r t i o na n dd e s t r u c t i o no ft h et r a c k ，a f f e c t s t h ec o m f o r ta n ds t a b i l i t y ，e v e ne n d a n g e r st h es a f e t yo ft h et r a i n b a s e do nt h er e s e a r c hs t a t u so fv e h i c l e t r a c k b r i d g ea n dt h e t r a n s i t i o n a ls e c t i o no ft h ee m b a n k m e n t sa n db r i d g e sa th o m ea n da b r o a d ， o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，i nt h i sp a p e r ，t h eb o g ls l a b b a l l a s t l e s st r a c ki su s e da st h ec a r r i e r t h et r a c kb e t w e e ne v e r ya d ja c e n c y t w of a s t e n e ri st r e a t e da 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 s c o n t i n u i t y p o i n t s u p o r t i n ge u l e rb e a m ，t h e c u s h i o no ft h er a i li ss i m u l a t e d a sl i n es p r i n ga n dd 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 ss i m u l a t e da s l i n e d i s t r i b u t e d d i a p h r a g m f l e x u r e a n d d a m p e r s t h eb r i d g ei ss i m u l a t e da se u l e rb e a m t h ev e h i c l ei ss i m u l a t e d a s6 f r e e d o mm u l t i b o d ym o d e l t h ee q u a t i o n sd e s c r i b i n gt h ev e r t i c a l v 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 do nt h eb a s i so fm i n i m u mp o t e n t i a l t 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 s c o n s t r u c t e da c c o r d i n g l yw i t hf o r t ra n o nt h eb a s i so ft h ev e r t i c a lv i b r a t i o nm o d e l ，t h es i m p l ys u p p o r t e d b e a mw i t h32 ms p a nt ot h eq i n s h e np a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n ei ss e ta sa n e x a m p l e ，t h ev e r t i c a lf r e ev i b r a t i o no ft h em o d e l i sa n a l y z e d ，t h ev e r t i c a l f r e ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo ft h ef o r m e rs i xs t e p sa n ds o m ev i b r a t i o nm o d e a r ep u tf o r w a r d a n dt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sa r ep r o v e dt ob ec o r r e c ta n d r e l i a b l e a na n a l y s i st h a tc o n t r a s t st h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h et r a i no n t h et w oc o m m o ns p a nu s e di nt h ep a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e si sb e e nd o n e t h ee f 诧c to ft h et r a i nf o r m a t i o n t h es p a n sw i t hc o n t i n u o u sa r r a n g e d s i m p l ys u p p o r t e db e a m sa n dt h et r a i nr u n n i n gs p e e do nt h ed y n a m i c b e h a v i o ro ft h ev e h i c l ei sa l s ob e e ns t u d i e d 1 i i n o r d e rt oa n a l y z ea n de v a l u a t et h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ft h e t r a n s i t i o n a ls e c t i o nb e t w e e nt h ee m b a n k m e n t sa n db r i d g e sr o u n d l y ，t h e d i s t o r t i o no ft h et r a c ki ss i m u l a t e da sac o s i n ec u r v e w i t ht h ev e r t i c a l c o u p l i n gv i b r a t i o na n a l y s i sm o d e lo ft h et r a n s i t i o n a ls e c t i o nb e t w e e nt h e e m b a n k m e n t sa n dt h eb r i d g e s ，t h ee f f e c to ft h ed i r e c t i o n ( g e to no rd o w n t h eb r i d g e ) ，s e t t l e m e n td i v e r s i t ya n dt h et r a i nr u n n i n gs p e e dt ot h ev e h i c l e a n dt h et r a c kc o n s t r u c t i o no ft h et r a n s i t i o n a ls e c t i o nb e t w e e nt h e e m b a n k m e n t sa n dt h eb r i d g e sa r et a k e ni n t oa c c o u n tc o m p r e h e n s i v e l y ， a i m i n ga t a l lk i n d so fc o n d i t i o n am a s so fe m u l a t i o n a lc a l c u l a t i o n ， c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n dp e r f o r m a n c ea p p r a i s e m e n th a sb e e nd o n e ， t h e nt h er u l ew h i c ha l lf a c t o r se f f e c to nt h ev e h i c l ea n dt h et r a c ki sg a i n e d t h ep r o p o s i t i o n a lv a l u eo ft h e1 e n g t ho ft h et r a n s i t i o n a ls e c t i o nb e t w e e n t h ee m b a n k m e n t sa n db r i d g e st od if f e r e n tr u n n i n gs p e e di sg i v e n ，t h e n s o m em e a s u r ed e a l i n gw i t ht h ep r o b l e m sa b o u tt h et r a n s i t i o n a ls e c t i o n b e t w e e nt h ee m b a n k m e n t sa n db r i d g e si ss u m m a r i z e d k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ，b a l l a s t l e s st r a c k ，t r a n s i t i o n b e t w e e nt h ee m b a n k m e n ta n db r i d g e ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e i i i 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：斗日期：上卑年生月j 互日 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。 期：刎年7 月2g 日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来高速铁路发展迅速，日本的新干线、法国的t g v , 德国的i c e 等闻 名于世；我国的广一深准高速铁路、秦沈客运专线的建成和投入运行、在建的 武广客运专线以及2 0 0 7 年9 月经国务院批准国家发展改革委批复的京沪高速铁 路可行性研究报告使京沪高速铁路进入实质推进状态，这些都显示出高速铁路 在我国的蓬勃发展。高速铁路正以其快捷、舒适、安全、经济、效益高、运量 大、占地少、与人类生存环境高度协调而逐渐征服了一个又一个国家，把人类 带入有轨运输的又一个崭新时代【9 j 。 高速铁路具有快速、安全、舒适的优点，是发达国家一种有效的交通运输 方式，至今已有多个国家兴建了高速铁路和客运专线，并在高速铁路的技术上 积累了较为成熟的经验。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的日益 提高，在我国修建客运专线和高速铁路网是我国铁路满足日益增长的物质需要， 也是适应国际、国内市场竞争的要求。为此，我国铁路的科研、设计、施工等 部门在“八五”、“九五”期间在对国外高速铁路技术进行学习和借鉴的基础上， 对高速铁路的许多关键技术进行了较为细致和深入的研究，取得了大量的成果， 并在此基础上制定了京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定、新建时速2 0 0 - 2 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规定、新建时速3 0 0 - - 3 5 0 公里客运专线铁路 设计暂行规定等有关规定和政策。 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。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。 目前在日本、德国等一些发达国家，铁路广泛采用的无砟轨道技术具有轨 硕士学位论文 第一章绪论 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。发展无砟轨道技术也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砟 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【2 1 。 我国无砟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、板式无砟轨道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，并为无砟轨道的设计和施工积累了 宝贵的经验，尤其是板式无砟轨道上使用的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成规模铺设无砟轨道奠定了 坚实的基础。尽管如此，与国外发达国家的先进无砟轨道工程技术相比仍存在 较大差距，需要不断学习和借鉴。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【4 0 1 。 高速铁路的发展必须以安全、可靠、舒适等为前提，这些均取决于构成铁 路系统各方面的高品质和高可靠性。其中，铁道线路的稳定和平顺是必不可少 条件之一。铁道线路是由不同特点、性质迥异的线下构建物( 桥涵、隧道、路 基等) 和线路上部的轨道结构组成的，它们相互作用，共同构成了一条供机车 走行的平滑线路。由于组成线路的各结构物在变形、强度、刚度、材料等方面 存在巨大差异，并会随着运量、时间、气候环境等因素而变化，以及车辆荷载 的随机性和重复性等特点，决定了轨道变形和刚度在线路纵向是变化的和不均 匀的( 不平顺) 。 特别是当轨下基础的结构不同时，轨道的变形和刚度就会随之发生较明显 的突变，产生显著的过渡段问题。如桥上线路与两端的路基上线路、隧道内线 路和隧道外的线路、填方路基线路和挖方路基线路、以及有砟轨道和无砟轨道、 道岔外轨道和道岔内轨道、平交道口内轨道与外轨道等的交接部位，都是线路 最容易发生不平顺的地方。其中，尤以路堤与桥梁连接处的轨道不平顺最为严 重和典型。 轨道不平顺有静不平顺和动不平顺之分。静不平顺是指轮轨接触面的不平 顺，如钢轨轨面的不平顺( 高低、水平等) 、不连续( 接头、道岔等) 、车轮不 圆顺( 含扁疤) 等；动不平顺是指轨下基础支撑刚度的不均匀，如扣件失效、 枕下支撑失效、路基不均匀以及路堤与桥梁、路堤与路颦、路堤与横向结构物、 路堤与隧道等连接处的支撑刚度不均匀等。 在路堤与桥梁的连接处，由于路堤和桥梁的沉降特性不一致，在路桥连接 2 硕十学位论文 第一章绪论 处附近极易产生沉降差，导致轨面发生弯折变形，导致静不平顺问题；另一方 面，路堤与桥梁结构的刚度差异十分巨大，引起轨道刚度的较大变化，形成动 不平顺问题。当列车通过该路段时，由轨下基础引起的轨道变形和刚度的突变， 会加剧列车与线路的振动，引起列车与线路相互作用力的增加，加速线路的变 形和破坏，影响行车的舒适性和平稳性，严重时甚至危及行车安全，并且这一 现象随着列车速度的提高和轴重的增大而加剧。 在路堤与桥梁之间设置一定长度的过渡段，可最大限度地减小路堤与桥梁 的沉降差，同时使轨道的刚度逐渐变化，达到降低列车与线路的振动，减缓线 路结构的损伤及变形发展，保证列车安全、平稳、舒适运行。 1 2无砟轨道结构的发展现状 高速铁路轨道是承载高速列车运行的基础设备，由于列车速度高，车辆与 线路振动问题非常突出。高速列车轮轨系统的振动加速度、不平衡加速度和冲 击动能均与速度的平方成比例，所以，随着速度的增加，轮轨之间的动力作用 急剧增加，导致轨道变形加速、部件损伤加快、轨道稳定性降低，直接影响高 速列车平稳舒适、安全可靠地运行。 日前，高速铁路轨道结构主要有两种类型：有砟轨道和无砟轨道。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砟轨道，列车速度已经达盈j 3 0 0 k m h ，虽然法 国也在对无砟轨道进行实验研究，但至今在t g v 运营线上仍全部采用有砟轨道。 德国高速列车轴重较大，且客货混跑，其有砟轨道破损严重，要求换铺无砟轨道 的呼声甚高。 有砟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刚度分布不均匀，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 砟轨道结构是用耐久性好、塑性变形小的材料代替道砟材料的一种轨道结构形 式。由于取消了碎石道砟道床，轨道保持几何形位的能力提高，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。 有砟轨道和无砟轨道各有其优缺点，在高速铁路上究竟铺设何种类型轨道结 构，应从技术和经济角度全面衡量决定。和有砟轨道相比，无砟轨道具有轨道平 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小等优点。无 砟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依靠所节省的线路 养护维修费用收回投资。但是，无砟轨道在运营过程中一旦产生病害，维修将十 3 硕上学位论文 第一章绪论 分困难，因此对无砟轨道的适用范围、设计条件和施工技术等问题，都必须十分 重视。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 隧区段可铺设无砟轨道，路基上宜铺设有砟轨道，当行车速度大于3 0 0 k m h 时， 采用无砟轨道可较好保持轨道的平顺性，有利于高速行车【7 1 。 1 2 1 国外无砟轨道结构应用状况 世界上许多国家很早就开始了对无砟轨道的研究，或者在研究无砟轨道方 面已经取得了一定的进展，并根据自己的技术基础与线路特点，开发出多种型 式的高速铁路无砟轨道结构，高速铁路的轨道结构更是首选无砟轨道，成为高 速铁路的发展趋势【3 l 。 1 日本板式无砟轨道 日本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。东海道新干线由于建造得比较 早，5 7 5 4 k m 全部采用有砟轨道，由于对地基基础处理的不重视，在线路开通初 期便出现了较多的线路病害，不得不限速运行，并下大力气进行加强地基、更换 钢轨，也直接导致了板式无砟轨道的出现。板式无砟轨道技术是技术较先进的新 型轨下基础，具有线路稳定性好、降低隧道和高架桥的造价、外观整洁美观、噪 声低等优点，板式轨道技术经济合理，是轨下基础发展的方向。世界各国已先后 致力于板式无砟轨道的研究并取得了许多设计、施工、制造和运营方面韵经验。 日本定型的轨道板有适用于隧道或高架桥上的a 型( 图1 - 1 ) 、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，其中带有凸型挡台的a 型轨道作为标 准型式在国内推广应用。日本的板式轨道由轨道板、水泥沥青砂浆( c a 砂浆) 和混凝土基础三大部分组成，钢轨铺设在轨道板上，下面为混凝土底座，中间灌 注c a 砂浆作为轨道板的弹性垫层，并对轨道板进行一定程度上的调整。混凝土 辘邈扳( 1 ) c 或r c ) 图1 1 普通a 型板式无砟轨道 4 硕上学位论文 第一章绪论 基础上每间隔一定距离布置凸型挡台，以承载轨道的纵向力和横向力。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，使板式轨道成为日 本新干线无砟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。 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； ( 2 ) 为节约混凝土用量、降低造价，发展了框架型板式轨道； ( 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 m 厚的橡胶垫层，发展了防振型板式轨道。 2德国r h e d a 型无砟轨道 德国也是研究无砟轨道较早的国家之一，从二十世纪六十年代开始无砟轨 道的研究，曾试铺过十余种无砟轨道结构。1 9 7 2 年原西德铁路在r h e d a 车站试 铺了由德国慕尼黑工业大学陆地交通工程试验中心开发的枕式无砟轨道，轨下 基础由整体混凝土枕和现浇钢筋混凝土板组合而成，称为r h e d a 型无砟轨道。 r h e d a 型无砟轨道为钢筋混凝土底座的结构型式之一，是德国开发的省力化轨 道结构，主要着眼于在坚固的土路基上进行铺设，以p c 枕为基轨结构，调整 高度后，在周围配置钢筋，然后用混凝土浇筑。在建立大量试铺段进行运行试 验和长期观测的研究基础上，德铁在桥梁、隧道和土质路基上全面推广应用， 在德铁铺设的6 6 0 k m 无砟轨道中，r h e d a 型无砟轨道约占一半以上。运营实践 表明，铺设在土路基上的线路，除少量调整钢轨扣件作业外，几乎没有其他作 业，维修工作量很少，显示出其良好的质量与性能，是可以作为一种代替传统 有砟轨道型式、可以广泛应用在高速铁路上的一种轨道型式。 最近开发的r h e d a - - 2 0 0 0 型轨道( 图1 2 ) 已投入商业应用，如应用在纽伦堡 图1 - 2r h e d a - 2 0 0 0 无砟轨道系统横截面( 单位：m m ) 硕i 二学位论文 第一章绪论 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 0m m 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。同时建 筑高度的下降，对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。 3 弹性支承块式( l 厂r ) 无砟轨道 支承块式无砟轨道结构是把预制的钢筋混凝土支承块用二次混凝土与隧道 基础混凝土或高架桥面混凝土连接成整体的一种轨道结构，弹性支承块是普通 支承块式的改进型，即在支承块下加了一层弹性橡胶套靴，轨道的垂向弹性由 轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供，最大程度上模拟了弹性点支承传统碎石道 床的结构和受荷响应，并使轨道纵向弹性点支承刚度趋于一致。通过双层弹性 垫板刚度的合理选择，可使轨道的组合刚度接近有砟轨道的刚度。此外，在支 承块外设橡胶套靴提供了轨道的纵、横向弹性变形，使这种无砟轨道在承载、 动力传递和振动能量吸收等方面更接近坚实基础上的碎石道床轨道，这样便使 得这种轨道结构的振动和噪声减少到最低，其截面型式如图1 3 。 图1 - 3 隧道内弹性支承块式无砟轨道系统横截面 弹性支承块式无砟轨道最初由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 0k m 。 4其它无砟轨道型式 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 底与混凝土道床之问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 。 奥地利联邦铁路铺了2 5 k m 的o b b p o r r 系统，其结构近似于z i i b l i n 型无砟轨 6 硕士学位论文 第一章绪论 道，主要应用于高架桥和隧道；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 f 系统、瑞士的w a l o 系统、e d i l o n 系统等。 1 2 2 国内无砟轨道结构研究与工程实践 我国无砟轨道的研究起于2 0 世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同步。初期曾试 销过支承块式、短枕式、整体灌筑式及沥青道床等，正式推广应用的仅有支承块 式整体道床。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； 此外还铺设过由沥青灌注的固化道床，亦未正式推广：在京九线九江长江大桥引 桥上还铺设过无砟无枕结构，长度约7k m 。 在此2 0 多年间，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，为发展无砟轨 道新技术打下了基础。 1 9 9 5 年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的推进，无砟轨道在我国重新 得以关注，相继展开的课题研究及主要成果有： ( 1 ) “九五”国家科技攻关专题“高速铁路无砟轨道结构设计参数的研究 ， 提出了高速铁路无砟轨道的选型原则及适用于桥、隧结构上的三种无砟轨道型 式( 长轨枕埋入式、弹性支承块式、板式轨道) 及其设计参数。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 1 9 9 9 年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”，在秦沈线选定了两种无砟轨道结构型式在三座特 大桥进行了试铺。其中沙河特大桥试铺了长枕埋入式无砟轨道( 图1 4 ) ；狗河 特大桥和双河特大桥上试铺了板式轨道。 ( 4 ) 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， 7 硕士学位论文第一章绪论 1 3列车一轨道一桥梁系统振动分析的发展 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， 轮轨间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 世纪末到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 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、车辆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【9 1 】1 9 2 】，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，将车辆荷载简化为移动的集中力；略去 桥梁质量，将车辆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 t l 0 1 】基于略去桥梁质量并将车辆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，c t 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1 9 6 j ，1 9 2 2 年t i m o s h e n 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，基于同时考虑机车车辆和桥梁 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【9 7 】，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( 9 8 1 ，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 9 硕j 学位论文 第一章绪论 伽辽金法用于分析车桥动力响应问题【吲。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 o 】。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方程，难以找到一般的解析。 2 0 世纪6 0 年代初，随着计算机技术和有限元分析方法在实际工程中广泛应 用，车桥体系动力特性分析有了较大的发展。1 9 6 0 年，r k w e n 首先提出了多 轴移动车模型，以假定桥梁的动力挠度和静力挠度曲线相似为基础，研究了双轴 机车过桥问题1 9 3 。 从7 0 年代未开始，车桥动力响应的研究突破了传统框架，美国、日本、欧 洲和国内学者相继进行了一系列的车桥系统动力学研究，从而使车桥体系动力响 应分析进入系统动力学研究阶段。1 9 7 9 年，美国的k h c h u f l 0 2 】等首先建立了复 杂的车辆模型用于铁路车桥垂向动力响应分析，车辆模型为具有一系悬挂的四轴 车模型，一个刚性车体和四个刚性轮对，转向架并入车体，共1 1 个自由度。在 这一研究阶段，车桥系统动力学研究的主要特征表现为车辆系统模型的细化，桥 梁系统模型逐渐演变为有限元模型，车桥间通过轮轨接触关系而耦合，并引入轨 道不平顺或转向架蛇行波为系统激励源。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着车桥体系动力特性的深入研究，人们逐渐认识到 现有的车桥动力特性分析存在欠缺，这表现在车桥动力分析还未考虑桥上线路结 构在整个动力体系中的影响，已有的研究基本上都是把轨道结构简化为固结于梁 体上的钢轨，即钢轨与梁体具有相同的变形特征，而忽略桥枕、道床的参振作用， 这显然与实际情况有较大出入；此外，对于轮轨相互作用关系，己有的研究也多 是通过力的平稳条件和位移相容条件来考虑的，而从实际轮轨接触关系研究车桥 耦合振动的很少，即便是考虑了轮轨接触关系，也大多是考虑轮轨平面接触或钢 轨本身在振动中不产生变形。鉴于上述欠缺，1 9 8 9 年，d i a n a 等【1 0 3 】对车轨和车 桥系统的动力特性进行了大量的研究，建立了考虑支承于桥梁的车辆一轨道动力 分析模型。 进入9 0 年代后，随着我国铁路行车速度的提高、准高速、高速铁路开始发 展，快速列车与轨道、桥梁相互作用越来越受到关注。 1 9 9 7 年，王贵春等0 0 4 建立了车、桥耦合动力学模型，用于分析大跨度桥梁 列车走行性问题。 1 9 9 8 年，宁晓骏等0 0 5 考虑了轮轨空间接触关系，建立了相应的列车、桥梁、 基础耦合动力学模型，分析了高速线路桥梁动力响应和桥梁参数动力性能。 2 0 0 1 年，高芒芒等1 1 0 6 针对高速铁路列车一线路一桥梁系统耦合振动问题进 行研究，建立了较完善的机车车辆空间振动分析模型，首次针对多跨有砟轨道桥 梁建立了多层支承体系的线路结构动力分析模型，提出了在高速列车运营条件下 l o 硕士学位论文 第一章绪论 应采取车线桥耦合振动分析来综合考察桥梁刚度的观点。 2 0 0 2 年，张楠等【1 0 7 】建立了铰接式列车一高速铁路桥梁系统动力相互作用分 析模型，较为全面地研究了铰接式列车对高速铁路桥梁的影响，并对铰接式列车 作用下高速铁路常用跨度梁可通行性进行了探讨。 2 0 0 4 年，娄平等在文献唧】中视车辆、轨道和桥梁为整个系统，应用弹性系 统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的“对号入座法则，建立了4 轴双层悬 挂系统车辆的车辆一轨道一桥梁单元和系统的竖向运动方程。与传统的方法( 分 别建立车辆运动方程，轨道和桥梁运动方程，这两种方程通过轮轨相互作用力耦 合) 相比，该方法能直接得到车辆一轨道一桥梁单元和系统的运动方程。 2 0 0 4 年，蔡成标等【m 8 】针对高速铁路列车、线路、桥梁动力相互作用问题， 建立了比较完善的高速铁路四轴机车车辆以及六轴机车的动力学分析模型。在国 内首次针对高速铁路桥上有砟轨道、长枕埋入式无砟轨道、板式轨道、弹性支承 块式轨道结构以及各种轨道的路桥过渡段建立了系统全面的动力学模型。对秦沈 客运专线常用跨度桥梁的车线桥动力性能进行了评估，研究分析了高速铁路桥上 减振型板式轨道的动力特性。 2 0 0 5 年，向俊等在文献【6 1 1 中分析了国内外在列车一轨道( 桥梁) 时变系统空 间振动方程的建立及其求解过程中存在的根本问题，基于弹性系统动力学总势能 不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则( 它不是一般的有限元分析中的 计算机编码法和刚度集成法) ，可以很好地克服这一根本问题，同时还可以简便 有效地建立并求解此时变系统空间振动方程，在直线轨道及桥梁上货物列车脱轨 计算中取得了良好效果。对两座桥上列车走行安全性、平稳性及舒适性进行了分 析，分析结果已被有关铁路局采用。 2 0 0 5 年万家等1 1 叫构建了高速列车一无砟轨道一桥梁耦合系统动力学分析模 型，进一步研究了曲线桥梁系统的动力学性能，对比分析了不同轨道结构型式下， 车桥耦合系统动力学性能的差异； 2 0 0 6 年杨广军等【o 】建立了较为完善的无砟轨道、桥梁和车辆耦合振动模型， 并且考虑了车辆、钢轨、无砟轨道、桥梁运动方程的动力耦合作用，进行了系统 的比较、分析和求解，并分析了各结构对轨道减振的影响。 列车一轨道一桥梁系统动力相互作用的研究经过多年的发展取得了许多重 要成果，使人们对其构造特性和列车的运行规律有了深入的认识，但是由于问题 的复杂性，尚未形成一个完整的理论研究体系，尤其是对车一线一桥系统的研究 绝大部分研究注重的是系统动力响应分析，而对车一线一桥相互作用原理，尤其 是轮轨相互作用关系在动力系统中的影响研究还不够充分，因此，从系统工程角 度进行深入研究是有必要的。 硕上学位论文第一章绪论 1 4 路桥过渡段研究现状 高速铁路的高速度、高舒适性、高安全性、高密度等特点对高速铁路系统各 方面的品质和可靠性提出了更高的要求，随着速度的不断提高，线路的平顺性问 题尤为突出。高速铁路的轮轨系统，从结构上分为轨上系统、轨下系统两部分。 轨上系统指走行部分即机车车辆，轨下系统包括钢轨、轨枕、道床和路基。列车 高速行驶必须由高平顺性和稳定的轨下基础来保证，因此控制变形是轨下基础设 计的关键，各种不同的轨下结构形式设计和选择的首要目的亦是为高速线路提供 一个平坦、均匀和稳定的轨下基础。 1 4 1 高速铁路路桥过渡段轨面控制和动力分析研究现状 为了保证列车运行的安全性和舒适性，铁路设计中的核心内容之一就是控制 线路的不平顺，高速铁路和客运专线对轨道不平顺的要求更加严格。世界各国在 发展高速铁路技术的过程中，都非常重视路桥过渡段的不平顺问题，开展了路桥 过渡段不平顺的产生机理及工程处理措施等方面的研究，讨论了结构的变形与行 车安全舒适性的关系，并制定了有关的技术标准。 1 国外情况 国外许多国家对于路桥( 涵) 过渡段存在的沉降差和刚度差都十分重视，并 对过渡段的处理措施都做过专门的研究。德国联邦铁路1 9 8 2 年颁布施行1 6 0 k m h 以上高速铁路桥梁( d s 8 9 9 5 ) 和铁路桥梁和其他结构物( d v 8 0 4 ) 等规程和 文献，对路桥过渡段的设计施工提出了严格的