（道路与铁道工程专业论文）铁路板式无碴轨道结构分析方法的研究.pdf

摘要 无碴轨道是一种新型的轨道结构。目前，我国致力于建设高速 铁路和客运专线，正是无碴轨道发展的黄金时代。但是，我国无碴轨 道结构的理论设计计算水平发展还不够成熟，不能满足当前高速铁路 和客运专线无碴轨道应用的需求。本文以普通板式轨道为例，对无碴 轨道结构分析的方法进行了研究。 针对板式无碴轨道的结构特点，通过适当的假设，建立了基于 弹性地基梁理论的叠合梁模型、基于叠合梁结构体系的有限元模型和 基于梁一板组合结构体系的有限元模型，选用一定的算例阐述了这三 种模型在板式无碴轨道结构分析中的应用。通过m a t l a b 语言编程来 实现分析结果。 对基于弹性地基梁理论的叠合梁模型、基于叠合梁结构体系的有 限元模型和基于梁一板组合结构体系的有限元模型进行了对比分析。 三种模型对同一个板式轨道结构问题分析的结果相差不大，都可以得 到满意的结果，三种模型均可满足工程需求。证明了传统的叠合梁理 论在板式无碴轨道结构分析中的实用性。本文推荐采用基于叠合梁结 构体系的有限元模型对板式轨道结构进行分析计算。 对桥上板式无碴轨道结构进行了分析研究，运用基于叠合梁结构 体系的有限元模型对桥上板式无碴轨道结构各部分在荷载作用下的 变形、内力等反应进行了计算。通过举例分析，计算结果表明：荷载 作用位置对桥上无碴轨道结构的钢轨和轨道板的变形及其内力的影 响较大，而支座位置及其布置方式对桥梁的变形和内力的影响较大； 荷载作用于活动支座所在端部时，为不利的组合情况，这需要引起我 们的重视。 关键词无碴轨道，板式轨道，桥梁，弹性地基梁，叠合梁，有限元 a b s l r a c t t h eb a l l a s t l e s st r a c ki san e wk i n do f t r a c ks h 1 l c t l l r e s a tt h ep r e s e n t t i m e ，c h i n ah a sb e e np a y i n gm o r ea t t e n t i o nt od e v e l o p i n gh i g h - s p e e d r a i l w a ya n ds p e c i a ll i n ef o rp a s s e n g e rt r a n s p o r t , w h i c hc a nb eap r e c i o u s t i m ef o rb a l l a s t l e s st r a c k sd e v e l o p m e n t h o w e v e r , t h ed e s i g na n d c a l c u l a t i o n a lt h e o r yo fb a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r e si sn o tf u l l yb u i l ti n c h i n a , w h i c hc a l l tm e e tt h en a t so fb a l l a s t i e s st r a c ka p p l i c a t i o ni n h i 曲- s p e e dr a i l w a ya n ds p e c i a ll i n ef o rp a s s e n g e rt r a n s p o r t i nt h i sp a p e r , o r d i n a r ys l a bt r a c ki st a k e nf o re x a m p l e ，a n dt h ea n a l y t i c a lm e t h o d so f b a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r e sa r es t u d i e d o nt h eb a s i so f t b es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f s l a bb a l l a s t l e s st r a c k , t h ec o m p o s i t eb e a mm o d e lb a s e d0 1 1e l a s t i cf o u n d a t i o nb e a mt h e o r y , t h e f e mm o d e lb a s e do ns t r u c t u r a ls y s t e mo fc o m p o s i t eb e a ma n dt h ef e m m o d e lb a s e do ns t r u c t u r a ls y s t e mo fc o m b i n a t i o no fb e a ma n ds l a ba r e e s t a b l i s h e dv i ap r o p e rh y p o t h e s i s 髓ea p p l i c a t i o no ft h e s et h r e em o d e l s i ns l a bh a l l a s t l e s st r a c ki ss h o w e da c c o r d i n gt os o m ee a l c u l a t i o n a l e x a m p l e s n ea n a l y t i c a lr e s u l t sc a nb eo b t a i n e db ym a t l a bp r o g r a m 1 飞ec o m p o s i t eb e a mm o d e lb a s e do ne l a s t i cf o u n d a t i o nb e a mt h e o r y , t h ef e mm o d e lb a s e do ns t r u c t u r a ls y s t e mo fc o m p o s i t eb e a ma n dt h e f e mm o d e lb a s e do ns t r u c t u r a ls y s t e mo fc o m b i n a t i o no fb e a ma n ds l a b a r ec o m p a r e da n da n a l y z e dr e c i p r o c a l l y f o rt h es a m ep r o b l e mo fs l a b t r a c ks t r u c t u r e s ，t h ee a l c u l a t i o n a lr e s u l t sg o t t e nb yt h e s et h r e em o d e l s h a v ef e wd i s e r e p a n c i e s ，a n de a c ho ft h e mc a ns a t i s l yt h ed e m a n do f e n g i n e e r i n g i tc a nb es e e nt h a tt r a d i t i o n a lc o m p o s i t eb e a mt h e o r yi sa p r a c t i c a lw a yi na n a l y z i n gt h es t r u c t u r e so fs l a bb a l l a s t l e s st r a c l1 1 1 e f e mm o d e lb a s e do ns t r u c t u r a ls y s t e mo f c o m p o s i t eb e a mi sc o m m e n d e d i na n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fs l a bb a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r e s t h es t r u c r l r e so fb a l l a s t l e s st r a c k0 1 1 b r i d g ea r es t u d i e d , t h e d i s p l a c e m e n ta n di n t e m a lf o r c eo fb a l l a s t l e s st r a c ko nb r i d g eu n d e rt h e l o a d sa r ec a l c u l a t e db yt h ef e mm o d e lb a s e d0 1 1s t r u c t u r a ls y s t e mo f c o m p o s i t eb e a m t h ec a c u l a t i o n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h el o c a l i t yo fl o a d s a c t i o nh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h ed i s p l a c e m e n ta n di n t e m a lf o r c eo f r a i la n ds l a b ，b u ta r r a n g e m e n tf o r mo fs u p p o r t si n f l u e n c eb r i d g em o r e ； t h a tl o a d sa c to nt h eb o r d e ro fs t r u c t u r e s ，w h e r ea c t i v es u p p o r t sh a sb e e n a t 。i st h ew o r s tc o m b i n a t i o nf o rt h ew h o l es t n l c t u r e s 。o nw h i c hs h o u l db e p a i dm o r ea t t e n t i o n k e y w o r d sb a l l a s t l e s st r a c k , s l a bt r a c k , b r i d g e ，e l a s t i cf o u n d a t i o n b e a m , c o m p o s i t eb e a m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 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。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在论文中作了明确的说 明。 作者签名：至：! 兰查季日期：兰世月竺日 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、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：查l 竺! 军导师签名瓯葛之 日期：丝年旦月 磺士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 4 0 多年来，随着世界高速铁路的发展，尽管无碴轨道造价比有碴轨道高，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碴轨道工程技术，并取得了长足进展【l 】。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 断出现哪3 】毫无疑问，无碴轨道工程技术己成为世界高速铁路轨道结构的发展 趋势1 4 h 习 我国铁道工程界，由科研、设计、施工以及院校多部门的线路、桥梁、隧 道等专业科研人员组成的新型无碴轨道结构研究群体，近年来对新型无碴轨道 结构设计参数，动力学仿真计算分析，室内实尺模型试验，无碴轨道设计、制 造、施工技术条件或施工细则及验收标准的编制，现场铺设，动力测试和长期 观测等开展了一系列的综合试验研究。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，表明完全达到了有关规定和标准的要求，为无碴轨道的设计和 施工积累了宝贵的经验，尤其是扳式无碴轨道所使用的c a 砂浆配方开发与应用。 接近国际先进水平，为我国在客运专线铁路上规模性铺设无碴轨道奠定了坚实 的基础嘲f 7 胴尽管如此，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 项与批准，标志着我国客运专线工程建设开始启动，无碴轨道技术在我国客运专 线中将广泛采用。因此，无碴轨道工程技术的深入探讨与实践，具有非常重要的 现实意义。 1 2 国外无碴轨道概况 虽然传统有碴轨道具有铺设简便，综合造价较低的特点，但随着重载、高速铁 路运输的发展，有碴道床的累积变形速率随之增长，而为了保持轨道平顺性，不 得不进行频繁维修，致使维修费用不断上升【9 】【l o 】。自上世纪6 0 年代开始，德国和日 本，对铁路相继开展了以整体式或固化道床取代散粒体道碴的各类无碴道床的 硕士学位论丈第一章绪论 研究 1 1 】例。其中德国铁路最初对无碴轨道的研究与推广应用主要是针对土质路 基和隧道区段，后来逐步扩大到预应力混凝土桥上，而日本的无碴道床是一种轨 道板结构，由此组成的轨道称为板式轨道。因此，从概念上讲，由无碴道床组成的 轨道称为无碴轨道。至今，尽管大部分国家的无碴轨道由于建设初期造价高等原 因还处于试铺或短区段分散铺设的状况：但在德国已有r h e d a 系、z u b l i n 系等5 种 无碴轨道得到批准正式使用，并在新建的高速线上全面推广，铺设总长度达6 6 0 k m ( 含8 0 组道岔区) 。值得指出的是德国在1 9 7 2 年就在r h e d a 车站首次试铺了无 碴轨道结构( 后称“r h e d a ”型) ，随后德国铁路曾对1 7 种无碴轨道型式进行过系 统研究。德国铁路的无碴轨道结构大多由企业、院校等合作研发，研发单位拥有 知识产权，任何新开发的无碴轨道结构在纳入德国铁路网之前，必须获得e b a ( 德 铁技术检查团) 的批准；e b a 通过指定的认证实验室进行综合评价( 包括实尺模型 的连续激振试验等) 。对获得通过者，则有资格在线路上进行有限长度的试铺， 运营考验通常为5 年。着经运营试验满足要求，e b a 最终将批准其在运营线上正 式使用。日本的板式轨道己在新于线大量铺设，总长度已超过27 0 0h 。日本的 无碴轨道最初一般都铺设在隧道内( 或地下铁道) ，以后逐渐扩大到桥梁和路基 上，如日本的板式轨道铺设在山阳( 冈山博多段) 、东北、上越、北陆等新干 线全部的桥、隧结构上。除此之外，英国、法国、澳大利亚、意大利、荷兰等国 家都开发过不同形式的无碴轨道。 随着高速铁路的发展，国外各国研制出了不同的无碴轨道结构，以下列举 比较有代表性的几种类型： 1 日本的板式轨道 从无碴轨道结构的推广应用看，以日本的板式轨道f 2 5 】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、士工、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。 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 2 6 1 。 日本从6 0 年代中期开始进行板式无碴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 2 硕士学位论文第一章绪论 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、日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碴轨道结构的试铺，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 陆和九州新干线的桥梁、隧道和路基上大量使用。 最初的轨道板为普通钢筋混凝土结构，为应用于东北、上越新干线的寒冷 地区，后来又研制出双向预应力结构的轨道板，以防止混凝土裂纹的发生与扩 展。 上世纪7 0 年代后期，新干线环境机构负责部门根据日本环境污染控制中央 委员会( c c e p ) 关于控制由于工厂、建设施工和道路交通引起的振动和噪声的 严格要求，提出了新干线振动控制措施： a ) 采取措施控制振动源和干扰，特别是加速度振动噪声超过7 0 d b 的地区； b ) 对于铁路经过医院或学校的区段应特殊考虑。 为解决新干线的噪声振动问题，实现高速铁路发展与社会环保兼容的目的， 日本从7 0 年代后期开始，在日野土木研究所、东北新干线上的“小山试验线”， 北上地区，古河地区的高架桥上分别试铺了2 0 多种型式的减振性板式轨道结构 ( 防振a 型防振h 型) ，观测其噪声振动效果，在进行技术、经济分析后，最终 将防振g 型板式轨道作为标准型式在减振降噪区段推广铺设 2 德国的博格板式轨道圆 德国博格板式无碴轨道系统的前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔费尔德达豪 的一种预制板式无碴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。 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 3 硕士学位论文 第一章绪论 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。 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碴轨道。 分别有路基上的博格板式无碴轨道，长度小于2 5 m 桥梁上的博格板式无碴轨道， 长度大于2 5 m 桥梁上的博格板式无碴轨道，隧道内的博格板式无碴轨道。 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 姗。 博格板式无碴轨道具有以下特点： ( 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。 3 r h e d a 型无碴轨道 如前所述，德国铁路于上世- 纪6 0 年代开始无碴轨道的研究叨，曾试铺过多达 1 7 种无碴轨道结构，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。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 无碴轨道中，r h e d a 型约占5 0 以上。 4 l v t 型无碴轨道 l v t 型无碴轨道是在双块式轨枕( 或2 个独立支承块) 的下部及周围设橡胶 套靴，在块底与套靴间设橡胶弹性垫层，在双块式轨枕周围及底下灌筑混凝土以 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碴轨道。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 、丌型轨道。至今l ”轨道的铺设总长度约3 6 0h 。 硕士学位论文 第一章绪论 5 a t d 型无碴轨道 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，且轨枕与底座问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碴轨道约有6 6 k m 。 6 p c t 型无碴轨道 英国铁路从1 9 6 0 年开始研究无碴轨道，1 9 6 6 年起开始试铺各种型式的板式 轨道。英国铁路的无碴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垫层，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 型无碴轨道。英国铁 路试铺的p a c t 型无碴轨道，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。 1 3 国内无碴轨道概况 国内对无碴轨道的研究始于上世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同时起步 初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床以及沥青道床等几 种型式，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 公里的隧道内铺设，总铺设长度约3 0 0 k i n 。8 0 年代曾试铺 过沥青整体道床，由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的整体道床，以及由沥青灌 注的固化道床等，在大型客站和隧道内试铺，总长约l o k m ，但并未正式推广。 此外，在桥梁上试铺过无碴无枕结构，在京九线九江长江大桥引桥上全部采用 了这种结构，长度约7 k i n 在此2 0 多年期间，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，以及出现基础下沉等伤损的整治等方面积累了宝贵的经验，并吸取了 有益的教训，为发展无碴轨道新技术打下了基础网巾。 1 9 9 5 年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的进程，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、隧结构上的三种无碴轨道型式( 长枕埋入式、 5 硕士学位论文第一章绪论 弹性支承块式和板式) 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，完成了对三种结构型式的无碴轨 道( 长轨枕埋入式、弹性支承块式、板式轨道) 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线桥耦合模型并进行了仿真 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【3 2 1 3 3 1 。 以上的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三座高架桥作为无碴轨 道的试铺段。其中，沙河特大桥( 长6 9 2 m ) 试铺长枕埋入式无碴轨道；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。 作为新型轨道结构发展的一个必要环节，为掌握桥上无碴轨道在高速运行 条件下的结构受力、变形情况与振动特性，评估两种无碴轨道结构的动力性能， 2 0 0 0 年铁道部科技司与铁道部工程管理中心立项开展“秦沈客运专线桥上无碴 轨道综合试验”，并在项目的试验大纲中，选定线路平纵断面、桥梁结构型式相 近的桥上有碴轨道试验工点( 石河二号特大桥、跨兴闰公路特大桥) 进行对比 测试。 在西康线我国最长的秦岭隧道( 长度为1 8 5 k m ) 内采用了弹性支承块式无 碴轨道，已于2 0 0 1 年正式开通运营，效果良好。为适应高速铁路的线路条件， 选定了渝怀线鱼嘴2 号隧道、赣龙线枫树排隧道分别作为长枕埋入式和板式轨 道在隧道内的试铺段，隧道长度分别为7 1 0 m 和7 1 9 m ，渝怀线鱼嘴2 号隧道长 枕埋入式无碴轨道已于2 0 0 3 年6 月铺设完成，赣龙线枫树排隧道板式轨道于 2 0 0 3 年底完成铺设。同时按合同要求，在线路开通后对隧道内的无碴轨道结构 进行动力测试与长期观测。 我国台湾省台北一高雄的高速铁路全长3 4 5 k m ，其中无碴轨道1 5 5 k i n ，在 1 2 3 组道岔中有9 6 组采用雷达2 0 0 0 无碴轨道结构。全线2 0 0 5 年1 0 月投入运营。 目前我国规划建设的客运专线，引用外国无碴轨道技术尽大可能地铺设无 碴轨道。在建的京津客运专线全线采用博格板式无碴轨道，郑西客运专线和武 广客运专线分别采用旭普林型无碴轨道和雷达型无碴轨道。 土质路路基上无碴轨道目前尚处于前期理论研究外，我国铁路在桥梁和隧 道内都有了相应的无碴轨道结构试铺段。 下面着重介绍一下我国的板式无碴轨道。 6 硬士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 我国板式无碴轨道的结构型式 板式轨道的结构组成主要包括：混凝土底座、r c 或p r c 轨道板、水泥沥青 ( c a ) 砂浆调整层、凸形挡台及扣件系统( 图l 1 ) 。 桥上轨道板与混凝土梁体之间设置混凝土底座，并设置c a 砂浆层。两块轨 道扳之间设置钢筋混凝土凸形挡台，以固定其水平位置，制止其移动。c a 砂浆 由水泥、乳化沥青、细骨料( 砂) ，混合料、水、铝粉、各种外加剂等多种原材 料组成，其作为板式轨道混凝土底座与轨道板间的弹性调整层，是一种具有混 凝土的刚性和沥青的弹性的半刚性体。c a 砂浆的设计厚度为5 0 1 ，施工时的容 许范围为4 0 l o o m m 。 图1 1 板式无碴轨道结构 c 砂浆调整层是板式无碴轨道结构的关键组成部分，其性能的好坏直接影 响板式轨道应用的耐久性和维修工作量。为此，我国对板式轨道c a 砂浆开展了 为期3 年的科研攻关工作，在科研、设计与施工部门的大力配合下，研究取得 了可喜的成果，其各项性能指标均达到或接近国外同类产品的质量水平，为板 式无碴轨道结构在我国客运专线的首次铺设创造了条件。在借鉴日本新干线板 式轨道c a 砂浆研究资料的基础上，结合我国前期的研究成果，针对性地提出了 板式轨道c a 砂浆的性能指标及相应的试验方法刚。 凸形挡台外形在梁跨的端部为半圆形，在梁跨中部均为圆形，其半径为 2 5 0 m ，高度为2 5 0 衄凸形挡台与轨道板端部的半圆形缺口共圆心。在曲线部 分，凸形挡台竖向轴线与底座的顶面垂直。凸形挡台采用c 4 0 级混凝土，在混 凝土底座旅工完成后进行现场浇筑，其周围填充c a 砂浆或树脂材料。 7 硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 板式轨道结构制造和施工 轨道板( r c 或p r c ) 为工厂预制，其质量容易控制，现场混凝士施工量 少，施工的机械化程度高，将人为控制因素减至最少，施工进度较快。 道床外表美观。由于其采用“由下至上”的施工方法，施工过程中不需 工具轨，施工结束后，承轨面高低、水平误差小，为一次铺设跨区间无缝线路 提供了平顺的工作面，但由于在秦沈线施工中，未能形成一个合理的测量控制 体系，实际施工中仍采用了工具轨，使其绝对几何位置不易实现，此方面和国 外有一定差距。 t 在特殊减振及过渡段区域，通过在预制轨道板底粘贴弹性橡胶垫层， 易于实现下部基础对无碴轨道的减振要求。 轨道状态整理过程中充填式垫板的应用，使钢轨支点的支承均匀性得 到保证。 在桥上铺设时，受桥梁不同跨度的影响，需要不同长度的轨道板配合 使用。 曲线地段铺设时，线路超高顺坡、曲线矢度的实现对扣件系统高低、方 向调整要求较高。 板式轨道结构中c a 砂浆调整层的施工质量要求高。其质量的好坏直接 影响轨道的耐久性：目前而言，因其技术含量较高，工艺复杂，现场施工时工 程耐久性能不易保障。 板式轨道的制造、运输和施工设备和机具的专业性较强，包括：轨道板 的制造、运输、吊装、铺设c a 砂浆的现场搅拌、试验、运输和灌注：轨道状态 整理过程中的充填式垫板树脂灌注等。 1 4 板式无碴轨道研究现状 1 。4 1 国外情况 国外对于板式无碴轨道的研究比较成熟 3 5 h 4 4 ，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、轨道结构系统和轮孰相互 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。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 0 磺士学位论文第一章绪论 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 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，已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 4 2 国内情况 我国板式无碴轨道结构力学分析取得了一些成绩。最早提出采用叠合梁法 来对无碴轨道或者整体道床结构进行分析，可见参考文献【1 】【4 5 】。 2 0 0 4 年高江宁的硕士学位论文整体道床计算方法与设计参数研究采用 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嗍。 2 0 0 5 年李春霞等土路基上板式轨道力学分析【4 7 境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罔。 2 0 0 6 年齐春雨土质路基板式轨道结构强度计算研究【抑l 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 年娄平等移动荷载作用下板式轨道 的有限元分析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【5 川。 9 硕士学位论文第一章绪论 西南交通大学的翟婉明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 系统的影响驯。 2 0 0 4 年赵坪锐板式轨道动力特性分析及参数研究【5 2 】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。 韩卫军的硕士学位论文高速铁路板式轨道动力特性研究1 5 3 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，同时引入了日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。 赵坪锐的硕士学位论文板式无碴轨道动力学性能分析与参数研究削以 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。 毛建红硕士学位论文r h e d a - 2 0 0 0 无碴轨道结构竖向动力分析建立了 r h e d a - 2 0 0 0 无碴轨道结构动力分析模型并进行了参数分析嘲。 其它方面的研究可参见文献【5 6 】 6 0 1 ，这里不再列举。 综上所述，目前国内外都致力于发展无碴轨道，取得了可喜的成绩。但是， 无碴轨道还处于发展阶段，理论计算水平还不够成熟，需要不断完善。 1 5 本文研究的意义 无碴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，无碴轨道结构t t i 为是首选方案。由于无碴轨道仍处于发 展阶段，计算研究理论还需要不断完善。尤其我国无碴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碴轨道应用的需求。 1 0 磺士学位论文 第一章绪论 鉴于这种情况，对无碴轨道结构分析方法的研究迫在眉睫，具有重要的现实意 义。 1 6 本文主要研究内容和方法 本文选用普通板式无碴轨道结构型式( 如图i - 1 ) ，对无碴轨道在荷载作用下 结构变形及受力等反应的分析方法进行研究。通过m a t l a b 编程计算得出分析结 果，其得分析方法简便，并具有良好的通用性。 1 )采用弹性地基梁理论，视钢轨为弹性支承上无限长梁，轨道板视为 弹性支承上的有限长梁，建立基于弹性地基梁理论的叠合梁模型，并举例说明 其应用对板式无碴轨道结构进行了参数分析，得出了相应的结论。 2 )把钢轨、轨道板、钢轨扣件、c a 砂浆层作为一个系统来分析，建立 基于叠合梁结构体系的有限元模型。钢轨视为无限长梁，轨道板视为短梁，钢 轨与轨道板的扣件用离散弹簧表示，轨道板下的c a 砂浆层用文克尔基础描述。 并举例说该模型在板式无碴轨道结构分析中的应用。 3 )视板式无碴轨道为梁一板组合结构体系，建立基于梁一板组合结构体 系的有限元模型。钢轨用梁单元描述，轨道板用薄板单元描述，钢轨与轨道板 的扣件用离散弹簧表示，c a 砂浆层看作连续弹性基础。举例说明了该模型在板 式无碴轨道结构分析中的应用。 4 )对基于弹性地基梁理论的叠合梁模型、基于叠合梁结构体系的有限 元模型以及基于梁一板组合结构体系的有限元模型通过举例进行了对比分析， 并对这三种模型进行了总结。 s )对桥上板式无碴轨道结构进行了分析研究，运用基于叠合梁结构体 系的有限元模型对桥上板式无碴轨道结构各部分在荷载作用下的变形、内力等 反应进行了计算。通过举例分析，得出了相应的结论。 硕士学位论文第二章板式无碴轨道结构计算理论 第二章板式无碴轨道结构计算理论 目前对于板式无碴轨道计算有两种方法。一种是按弹性地基梁或地基板模 型进行：另一种是利用有限元法，通过编程或者实用软件建模来进行有限元分 析。 2 1 弹性地基梁理论 2 1 1 概述 弹性地基梁的分析理论【6 1 】，其工程应用研究已有一百多年的历史。国内外 有关研究成果很多，提出了不少理论和假定，但具有工程实用意义的假定主要 有三种，即：反力直线分布假定、基床系数假定以及半无限弹性体假定。 地基梁按自身刚度的不同，可分为刚性地基梁和弹性地基梁两种。刚性地 基梁承受荷载后，地基梁本身不发生挠曲，或是挠曲很小，可以忽略不计，故 地基梁底面在受到荷载后仍为一个平面；在中心荷载作用下，地基梁底面各点 的沉降都是一致的；在偏心荷载作用下，地基梁底面各点的沉降则按直线规律 变化。弹性地基梁则不然，承受荷载后，地基梁本身发生挠曲，因而地基梁底 面各点的沉降都不同。当上部荷载通过地基梁传给地基，地基梁底面就受到地 基反力的作用。地基反力的总和同上部荷载大小相等，方向相反，两者的合力 互相重合在一条直线上。地基反力的分布与地基的物理力学性能、地基梁底面 的形状、地基梁刚度和荷载情况都有关系，精确地描述地基反力的分布是相当 困难的，因此，必须对地基梁底面反力的分布或反力与沉降的关系作出模拟假 定，以简化计算。地基反力确定了，则地基梁的内力就不难求得，所以，从某 种意义上讲，弹性地基梁的计算问题，就是确定地基反力的分布问题。当前， 求算地基反力的模拟假定主要有三种：即前述的反力直线分布假定、基床系数 假定以及半无限弹性体假定。 l 反力直线分布假定( 简称反力直线法) 这是一种近似方法，计算简单，假定地基反力是按直线交化规律分布的， 其地基反力图形在对称荷载时是矩形的，在偏心荷载时是梯形的。这一假定没 有考虑地基梁和地基变形的一致性，不论荷载分布情况如何、地基梁的刚度和 土壤的力学性质如何，都可以由材料力学的中心或偏心受压公式计算得出地基 反力。 1 2 硕士学位论文第二章板式无碴轨道结构计算理论 2 基床系数假定( 简称基床系数法) 1 8 0 1 年，富斯首先提出每单位长度的地基梁下的总地基反力与地基变形成 正比。显然，这一假定只能用于等宽度的地基粱。1 8 6 7 年，捷克人文克尔 ( e w i n l d e r ) 将其发展为地基每单位面积上所受的压力p 与地基的变形y 成正 比，即p = 耖，其中k 称为基床系数，这样就使其适用范围扩大到可用于任何形 状的地基梁，这一假定一般称为文克尔假定，或称为基床系数法。 基床系数法的假定可归纳为两点： 1 ) 梁的每一点的挠度与地基的变形相等，且两者之间没有缝隙存在，即梁 的挠度曲线与地基变形相一致； 2 ) 假定地基的变形只与该点受力大小成正比，地基相邻点之间不存在相互 作用，而是起着一系列独立弹簧似的作用。因此，地基的变形只发生在地基梁 范围内，而地基梁以外的地基变形等于零，这样就不能考虑边载对地基反力的 影响。 2 1 2 弹性地基梁或地基板模型 在弹性地基梁或板的计算中，由于连续支承的特点，必须着重分析地基反 力的分布规律。因此在计算中，常认为地基梁或板受荷载以后，它和地基共同 产生变形，梁或板的底面与地基始终保持接触，不产生任何脱离或错开的现象。 但又由于地基梁或板不同于刚性支承的梁或板，无法用梁或板的平衡方程来求 解地基反力的分布规律，必须再建立一个附加方程，将梁的挠度与地基反力联 系起来，以便求解地基梁挠曲微分方程中所包含的挠度和地基反力两个未知量。 所以在工程计算中，常将各种各样的天然地基简化抽象，以某种具有实际地基 主要性质的理想化地基作为计算对象。这种理想化地基通常称为地基模型。弹 性地基模型分为：文克尔模型、弹性半空间体地基模型、双垫层系数地基模型。 ( 1 ) 文克尔( i r i n k e r ) 模型。 这种地基模型是基于文克尔假定基础上的，即地基每单位面积上所受的压 力与地基沉陷成正比。模型将地基视作由无穷个互不联系的竖直弹簧构成的弹 簧体系，故又称弹簧地基。地基梁或板受载后，地基变形仅发生在梁底或板底 范围内；地基不但能承受梁或板传来的压力也能承受拉力 ( 2 ) 弹性半空间体地基模型 这类地基模型假设地基是半无限大的理想弹性体，它的厚度远大于梁板平 面上的最大构造尺寸。模型考虑了粱或板承压范围以外的地基沉陷和影响，因 硕士学位论文 第二章板式无碴轨道结构计算理论 此它能更好地反映岩石类和粘性土质地基的性质。 ( 3 ) 双垫层系数地基模型 这类地基模型，虽然也是将地基视作由无数竖直弹簧构成的体系，但认为 相邻弹簧之间具有某种柔性约束将其结为一体。还认为弹性地基具有一定的厚 度其下