（车辆工程专业论文）高速铁路板式轨道结构力学分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着现代高速铁路和城市轨道交通的快速发展，以少维修为特点的板式 轨道得到了较快发展。以往的板式轨道结构计算模型，都作了不同程度的简 化，忽略了基床对于轨道结构的影响，不能全面地反映板式轨道的实际受力 状态。本文以路基上板式轨道为研究对象，建立了比较全面的路基上板式轨 道力学分析模型，对其力学性能进行了系统的分析。 本论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 综述了国内外学者在路基上板式轨道所作的研究工作，并指出了路 基上板式轨道存在的主要问题。 ( 2 ) 介绍了路基上板式无砟轨道的结构，建立了路基上板式轨道结构力 学模型。 ( 3 ) 对路基上板式轨道伸缩缝的两种布置方式进行了阐述，并对轨道板 与混凝土底座对缝与错缝两种布置方式的有限元模型进行了计算，并对上述 两种不同布置方式的板式轨道结构进行了受力分析。 ( 4 ) 通过建立路基上板式轨道的梁一板有限元模型计算得出的底座弯矩 值对板式轨道底座进行了配筋计算。 ( 5 ) 对高速铁路板式轨道与有砟轨道过渡段问题及其结构特点进行了分 析，建立了隧道内板式无砟轨道与有砟轨道过渡段结构模型并计算分析了轨 道结构刚度的变化。 建立了移动荷载作用下路基上板式轨道有限元动力学模型，并对轨 道板与混凝土底座对缝与错缝布置时两种轨道结构的动力学响应进行了分 析。 。( 7 ) 分析了路基上板式无砟轨道在轨道板上下温差为士i o 。c 时轨道板的 翘曲变形。 最后，在全面总结论文工作的基础上，提出本课题尚待深入研究的若干 问题。 关键词：高速铁路；路基；力学分析；过渡段；有限元 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f t h em o d e m h i g hs p e e dr a i l w a ya n du r b a nr a i l t r a n s i t , s l a bt r a c kh a sd e v e l o p e dq u i c k l yw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f l i t t l em a i n t e n a n c e i nt h ef o r m e rs l a bt r a c ks l r u c t u r ec a l c u l a t i o n s ，a l lt h em o d e l sh a dm a d e s i m p l i f i c a t i o na td i f f e r e n td e g r e e ，a n dn e g l e c t e dt h ei n f l u e n c eo f t h es u b g r a d eb e dt o t h et r a c ks t r u e m r e i tc o u l d n tr e f l e c tt h er e a ls t r e s so f t h es l a bt r a c kc o m p l e t e l y n 血 p a p e r t o o kt h es u b g r a d eb a s e ds l a bt r a c ka st h er e s e a r c ho b j e c t , b u i l d i n gu pt h e m e c h a n i c sa n a l y s i sm o d e l ，a n dm a k i n gt h es y s t e m a t i ca n a l y s i s 1 f 1 1 i st h e s i sm a i n l yc o n t a i n st h ef o l l o w i n ga s p e c t ( 1 ) o v e r v i e w e dt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hw o r ka b o u tt h es l a bt r a c k o nt h es u b g r a d e ，a n dp o i n t e do u tt h em a i ne x i s t i n gp r o b l e m s ( 2 ) i n t r o d u c e dt h es t r u c t u r et y p e so f t h es u b g r a d eb a s e ds l a bt r a c k , a n db u i l tu p t h em e c h a n i c a lm o d e l s ( 3 ) p r e s e n t e dt w ot y p i c a ls l a bw a c ka r r a n g e m e n tm o d eo f t h ee x p a n s i o n j o i n to n t h es u b g r a d e ，a n dc a r r i e do u tt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nb yt h ef i n i t em o d e l sa b o u t t h et w od i f f e r e n ts l a ba r r a n g e m e n tm o d e s ，t h ec o n c r e t eb e a r i n g - b r e a k i n g j o i n to r b u t t - w e l l e d ( 4 ) c a l c u l a t e dt h er e i n f o r c e m e n to f t h ek e ys t r u c t u r eo f t h eu n b a u a s t e dt r a c k , b y u s i n go f t h ef l e x i o nm o m e n tc a l c u l a t e db yt h eb e a ma n ds l a bf i n i t em o d e l so f t h e s l a bt r a c k ( 5 ) a n a l y z e dt h ep r o b l e m sa b o u tt r a n s i t i o ns e c t i o na n di t ss t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e 蚴s p e e d r a i l w a y ，b u i l tu pt h es m a c t u r em o d e lo f t h es l a b t r a c ka n db a l l a s tt r a c ki n s i d et h et u n l l e ln e a rt h et r a n s i t i o ns e c t i o na n dt h e n c a l c u l a t e dt h ec h a n g eo f t o t a ls t i f f n e s so f t h et r a c k d e v e l o p e dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o f t h es u b g r a d eb a s e ds l a bt r a c k c o n s i d e r i n gt h em o v i n ga x l el o a d s ，a n da n a l y z e dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo f t w ok i n d s o f t r a c ks t r u c t u r e s ，t h eb e a r i n g - b r e a k i n g j o i n ta n dt h eb u t t - w e l l e d j o i n t ( 7 ) a n a l y z e dt h ew a r p i n gd e f o r m a t i o no f t h et r a c ks l a bu n d e rt w od i f f e r e n t t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n st h a tt h er a n g eo f t h et e m p e r a t u r ei sb e t w e e n - 1 0 a n d1 0 i nt h ee n d , a tt h ef o u n d a t i o no f s u m m a r i z i n gt h ew o r ko f t h et h e s i s ，p u tf o r w a r d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s o m e p r o b l e m so f t h et o p i ct h a tn e e dt ob es t u d i e dp r o f o u n d l y k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a y ；s u b g r a d e ；m e c h a n i c a la n a l y s i s ；t r a n s i t i o ns e c t i o n ： f i n i t ee l e m e n t 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年后解密后适用本授权书。 2 不保密囹，适用本授权书。 ( 请在方框内打“”) 学位论文作者签名：晰成 指导教师签名： 蔑哺 日期：2 0 0 8 年4 月l o 日 日期：2 0 0 8 年4 月1 0 日 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个姬坛集体己经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本 人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 针对路基上板式无砟轨道结构，建立了有限元模型，分别对轨道板伸缩缝的布置方 式，移动荷载作用下的动力学问题、板式轨道与有砟轨道过渡段问题、温度荷载对轨道 板受力与变形的影响以及混凝土底座的配筋问题进行了计算分析，研究成果对板式无砟 轨道的设计和施工有参考作用。 学位论文作者签名：p 砩成 日期：2 0 0 8 年4 月1 0 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 传统有砟轨道结构自诞生之日起，就显现出稳定性差的缺点，其原因在 于碎石道床在列车荷载长期作用下，产生变形及道砟的磨损和粉化。由于钢 轨支承点的非连续性，道床变形沿线路纵向呈现非均匀性特点，对保持良好 的轨道几何状态和均衡质量十分不利。一般情况下，道床维修工作量占线路 维修工作量的7 0 以上，而高速铁路相对于普通既有线路，维修费用要增加 2 倍，道砟使用周期减少一半。目前，高速铁路的发展趋势是运营速度 _ 3 0 0 k m h ，因此，其对轨道结构的平顺性和稳定性要求更高，有砟轨道结构 的适应性问题己引起普遍关注，采用无砟轨道结构是解决这个问题的一个重 要思蹭旧。 无砟轨道结构是用耐久性好、塑| 生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，成为高速铁路轨道结构的发展方向。4 0 多 年来，随着世界高速铁路的发展，尽管无砟轨道初期造价比有砟轨道高，但 由于其具有轨道平顺性好，整体性强，纵向、横向稳定性好，结构高度低， 几何状态持久以及低维修量，社会经济效益显著等优点，在国内外越来越受 到重视，越来越多的国家都在致力采用和发展无砟轨道工程技术，并取得了 长足发展。其应用范围已从隧道、桥梁发展到土质路基和车站的道岔区，并 且新的技术与新型结构在不断出现。毫无疑问，无砟轨道工程技术在世界高 速铁路上的大范围应用将是大势所趋【3 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 - 2 国内外无砟轨道发展概况 1 2 1 国外无砟轨道发展概况 从6 0 年代开始，高速铁路无砟轨道结构在日本、德国、英国、意大利 等国家得到了广泛应用嘲，以下概要介绍目前国内外铁路应用较成熟的几种 无砟轨道结构形式 6 - 9 1 。 ( 1 ) 日本板式轨道 日本铁路由于其独特的地理条件以及劳动力短缺等原因，极力发展板式 轨道，从6 0 年代在山阳新干线试铺的8 k m 板式轨道算起，到1 9 9 7 年完工的 北陆新干线15 5 k m 板式轨道，累计铺设长度已超过2 4 0 0 k m 。日本铁路在板 式轨道研究发展过程中，通过室内模型试验与现场试验段的运营考验，积累 了丰富的研究与实践经验。开发出适用于隧道和高架桥上的a 型轨道板、框 架式轨道板，适用于土质路基上的r a 型轨道板，以及防振型轨道板：配合 使用的c a 砂浆有适用于温暖、寒冷、海岸线、修补等各种不同的配方，从 而构成了不同使用范围的板式轨道系列。 ( 2 ) 德国r h e d a 型无砟轨道 德国高速铁路对无砟轨道的研究与应用主要针对隧道和路基，1 9 5 9 - 1 9 8 8 年的试验阶段，试铺了各类无砟轨道试验段3 6 处，累计长度达到 2 1 3 k m ，到1 9 8 9 年基本定型，并开始成段铺设，截止到1 9 9 7 年，共铺设无 砟轨道达1 9 0 k m ，其结构形式以r h e d a 型为主，在此基础上，通过在道床板 与底座间增设减振层，实现在特殊地段的减振要求。 ( 3 ) 弹性支承块式无砟轨道 弹性支承块式无砟轨道由于其具有的减振、降噪、减磨等优越性能而被 世界上许多国家所采用，如瑞士、丹麦、英国等。设计时速2 0 0 k m h 的英吉 利海底隧道通过对多种无砟轨道结构比选，采用了该种结构型式，并于1 9 9 3 年6 月开通运营。美国成立的s o n n e v i l l e 国际集团公司还对该轨道系统提供 成套技术咨询服务，其技术已相当成熟。我国的1 8 k m 长秦岭隧道，也采用 了这种结构型式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 4 ) 其它结构型式的无砟轨道 世界上许多国家根据自己的技术基础与线路特点，开发出多种型式的无 砟轨道结构，如：英国的p a c t 型、法国的v s b 型、意大利的i p a 型等。 1 2 2 国内无砟轨道发展概况 借鉴国外高速铁路无砟轨道结构的成功实践，我国提出了适用于高速铁 路桥、隧结构上的三种无砟轨道结构型式( 长枕埋入式、弹性支承块式和板式) 及其设计参数 4 1 。19 9 8 年完成对三种结构型式无砟轨道室内实尺模型的铺设 及各项性能试验，提出高架桥上无砟轨道的施工方案和徐变上拱限值与控制 措施，建立桥上无砟轨道车线桥耦合模型并进行仿真计算，初步分析高速铁 路高架桥上无砟轨道的动力特性与车辆走行性甜1 0 1 。1 9 9 9 年选定三座高架桥 作为无砟轨道的试铺段，在长度6 9 2 m 的沙河特大桥试铺长枕埋入式无砟轨 道，长度7 4 1 m 的狗河特大桥( 直线) 和长度7 4 0 m 双何特大桥( 曲线) 上试铺板 式轨道，与此同时，完成桥上无砟轨道设计、施工技术条岸n 1 的研究与编制。 为掌握桥上无砟轨道在高速运行条件下的结构受力、变形情况与振动特性， 评估几种无砟轨道结构的动力性能，2 0 0 0 年对三座桥上无砟轨道与两座桥上 有砟轨道进行了各项性能的对比测谢1 2 1 。为完善高速铁路无砟轨道的结构设 计、施工工艺和设备，选定渝怀线鱼嘴2 号隧道和赣龙线枫树排隧道分别作 为长枕埋入式和板式轨道的试铺段，并分别于2 0 0 3 年6 月和2 0 0 3 年底完成 铺设。在线路开通后将对隧道内铺设的无砟轨道结构进行动力测试与长期观 测。 1 3 无砟轨道结构研究的目的与意义 我国铁路正朝着高速化方向发展，无砟轨道结构成区段大量铺设将成为 发展趋势1 1 3 】。目前我国已有在客运专线隧道和桥梁上铺设无砟轨道的经验， 但在土路基上的工程实践尚不成熟，因此对土路基上无砟轨道结构进行结构 受力分析很有必要1 4 1 ：故本论文主要针对路基上板式无砟轨道结构及其力学 性能进行分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 土路基上无砟轨道结构研究现状 1 4 1 日本铁路路基上板式无砟轨道 日本在土质路基上铺设的无砟轨道型式主要为三类：宽枕沥青混凝土道 床无砟轨道，混凝土道床板式无砟轨道和宽枕沥青填充道床少维修轨道【限1 8 1 。 ( 1 ) 宽枕沥青混凝土道床无砟轨道 日本在土路基上铺设的主要是r a 型( 灰浆填充型如图1 1 ) 板式轨道，日 本铁路土路基上宽枕( 】l p c 枕) 沥青混凝土道床无砟轨道，适用于新干线或既有 线土路基上的区间轨道和站场( 道岔) 轨道。采用全面铺装支承的方法，板底有 凹槽，凹槽尺寸为6 5 0 m m 6 5 0 m m 3 0 m m ，纵横向阻力是靠填充在板底凹槽 中的水泥灰浆的剪切作用来承受。r a 型板式轨道由轨道板、填充材料、上部 铺装和下部铺装几部分组成。r a 型轨道板的板长为1 2 5 m ，宽度为2 0 m ，板 厚为0 1 9 m 。这种新型轨道结构从根本上取消了传统轨道的轨枕和道床，改用 预制的钢筋混凝土板( 称轨道板) 直接支承钢轨，并在轨道板与桥隧建筑物基底 上浇筑的混凝土基础板之间填充水泥沥青砂浆垫层，成为一种全面支承的板 式轨道结构。 图l - 1 用于路基上的r a 型轨道板图( 单位：m m ) 铺设沥青混凝土道床作为垫层，来保持r a 型板式轨道的水平状态和路 基所必要的强度。道床垫层又分为道床表层和道床底层，道床底层由厚 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 10 0 m m 的级配碎石层和厚9 0 m m 的沥青稳定处理层( 碎石沥青层) 组成；而道 床表层则为厚6 0 m m 的粗粒沥青混凝土层。在宽枕与道床表层之间灌注约 5 0 m m 厚的乳化沥青水泥砂浆( c a ) 调整层。从而构成了十分稳定的路面铺装 宽枕无砟轨道，可以显著延长轨道养护维修周期。 为保证l p c 枕的强度条件，要求路基表面地基系数k 3 0 为1 0 m p a m ； 考虑到扣件的最大调高量，要求l p c 枕无砟轨道铺设后的最终沉降量：当列 车速度为2 5 0 k m h 时应在3 0 m m 以内；为保证旅客乘坐的舒适性，在路堤比 较松软地段，要求轨道最大挠度指数不大于1 18 0 0 ，高低不平最大折角指数 不大于2 - 7 1 0 0 0 0 。 ( 2 ) 土路基上混凝土道床板式无砟轨道 为改善r a 型板式轨道所用沥青材料温度敏感性高和耐久性差的不足， 日本提出了用水泥混凝土道床替代沥青混凝土道床的结构方案，并己在北陆 新干线上铺设使用，约1 0 8 k m 。它是由砂层、下部铺装( 由级配碎石层、矿 砟层、水泥稳定处理层或沥青中间层组成的强化路基) 、钢筋混凝土底座、乳 化沥青水泥砂浆层( c a m ) ，a 型轨道板、钢轨扣件和钢轨等构成的。 这种轨道的特点是： 可以使用在高架桥上和隧道内等刚性基础上广泛应用的标准a 型轨道 板； 采用了抗弯刚度大的混凝土底座，可以提高荷载的分散传递效果； 与沥青材料相比，温度敏感性低，耐久眭优； 与沥青铺装施工时可采用道路工程铺装用的大型施工机械相比，施工效 率降低了，并且需要较长的养生时间： 工程建设费高于沥青铺装轨道； 应采取防止混凝土因温度收缩而出现裂纹的技术对策； 与有砟轨道相比，噪声和振动大。 ( 3 ) 宽枕沥青填充道床少维修轨道 日本铁路铺设的沥青填充道床轨道是作为既有线少维修轨道而研制的， 主要有b 型和e 型2 种。 在经过数十年运营后路基下沉和道砟压入路基己完结，封锁线路施工 时，先撤去旧枕和扒出部分旧砟，用振动器将底砟夯实，并在其上面铺设宽 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 枕( l p c 枕) ，然后在宽枕周围补充新砟并整正轨道，再注入预先加热熔融的 特殊沥青( 氧化沥青和合成树脂混合料，简称b t b 混合物) 来填充宽枕和道床 之间的空隙。此外，还在充分碾压的道床表面喷洒预先拌和的沥青闭层，以 防止表层水浸入。 b 型填充道床轨道己铺设1 2k m ，运营调查表明，可大大减少养护维修 工作量，达到了少维修的目的。但也存在诸如在排水处理不当地点有翻浆冒 泥，沥青封闭层与l p c 枕接缝处开裂等现象。为此，又研发铺设了e 型填 充道床轨道。 e 型填充道床轨道的主要特征是把填充材料改用常温沥青水泥砂浆复合 材料( 简称p t c a m ) ，以实现注入容易，早期强度快；同时，增设替代模板的 土工布，以使注入厚度均匀。铺设沥青填充道床轨道时，应特别注意路基支 承力k 3 0 的影响，一般是随着路基k 3 0 的降低，l p c 枕的垂向位移及p t c a m 层的压力及其剪应力都将增大，如果增加p t c a m 层的厚度，剪应力则可随 之降低。 1 4 2 双块式无砟轨道 德国是欧洲最热心研究开发无砟轨道的国家。为了达到减少维修劳力、 适应高速运营和强化轨道的目的，从19 5 9 年起就开始研制和试铺各种类型 的少维修无砟轨道。 1 9 7 2 年德国在比勒费尔德哈姆之间的r h e d a 车站土路基上曲线轨道试 铺了整体式轨枕的现浇钢筋混凝土道床无砟轨道试验段，r e h d a 轨道因此而 得名。德国r h e d a 无砟轨道系统，经历了由传统r h e d a 轨道形式- - r h e d a s e n g e b e r g 轨道形式一r h e d a 轨道b e r l i nh s t 形式- - r h e d a - 2 0 0 0 轨道形式的 发展过程( 图1 - 2 ) 。 匿南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - 2 德国r e h d a 系列无砟轨道 传统的r e h d a 轨道为整体式轨枕的现浇钢筋混凝土道床，为改变原先的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 r h e d a 无砟轨道穿钢杆和环形箍筋方法的不足，近年来又研发了无混凝土槽 形板的r h e d a - 2 0 0 0 双块式无砟轨道，如图1 3 和图1 _ 4 所示，广泛应用于1 9 9 8 年开通的柏林汉诺威、科隆法兰克福及纽伦堡英格尔城高速铁路新线 上。此外，荷兰阿姆斯特丹比利时布鲁塞尔设计运营速度3 3 0 k m h 的高速 新线，其中16 0 k m 亦采用r h e d a - 2 0 0 0 双块式无砟轨道。 图1 - 3r e h d a - 2 0 0 0 无砟轨道结构示意图 豢 图1 - 4r e h d a - 2 0 0 0 无砟轨道装配图 它与原r h e d a 轨道的主要区别是用两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨 枕取代整体式轨枕，取消了混凝土槽形板，特殊双块式轨枕只保留承轨和预 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 埋扣件螺栓部位的混凝土，其余为桁架式钢筋骨架，使之与现场灌注混凝土 的新老界面减至最少，有利于改善施工工艺性，提高施工质量和结构整体性。 同时，轨道高度从原来的6 5 0 m m 降至4 7 2 m m ，有利于减小隧道净空和减轻 桥上恒载，因而降低土建工程造价。适用于土路基、桥梁、隧道及道岔、伸 缩器、轨道过渡段等各种线路轨道结构。 我国把这种轨道结构叫作双块式无砟轨道，已自主研发并在遂渝线无砟 轨道试验段试铺。 1 4 3 国内状况 我国在6 0 年代就曾在土质路基上试铺过一小段无砟轨道，但由于设计 和旌工均存在较大问题，在运营过程中出现了大量问题，如下沉、开裂等病 害，后不得不拆除。我国在土质路基上铺设无砟轨道的研究尚处于起步阶段， 相关技术标准，尤其是如何有效控制以岩土为材料的路基工程残余变形，以 满足无砟轨道铺设和长期运营的要求，是土质路基地段铺设无砟轨道急需研 究解决的关键技术之一【1 4 1 。 我国遂渝线试验段选在重庆枢纽遂渝引入工程内的龙凤隧道进口蒋 家桥大桥，正线长度12 8 3 7 k m ，设计速度为12 0 - 2 0 0 k m h 。在试验段内全部 采用无砟轨道型式，铺设双块式无砟轨道和板式无砟轨道两种结构型式，土 质路基板式轨道所采用的结构型式为：轨道板宽度为2 4 0 0 m m ，厚度为 1 9 0 m m ，标准轨道板长度暂定为4 7 3 0 m m ，相邻轨道板间隔7 0 m m ，轨道板 下c a 砂浆设计厚度般为5 0 m m ，凸型挡台半径2 6 0 m m ，高度2 5 0 m m ， 凸型挡台四周填充树脂，混凝土底座尺寸根据铺设地段确定。设计参数主要 参考日本和德国的技术阍。 1 5 在土质路基上铺设板式轨道存在的问题 土质路基上铺设无砟轨道在我国处于起步阶段，对于无砟轨道在列车荷 载长期作用下的振动特性、变形特性以及运用安全性都缺乏足够的理论和试 验研究，更缺乏相关的设计经验。投入到实际运用中，会在路基和上部结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 上出现种种的问题，对板式轨道结构造成不同程度的损坏。 一 在土质路基上铺设板式轨道会出现的问题主要有以下几点【啪1 】： 土质路基板式轨道上部结构为弹性体，而路基为弹塑性体，在列车荷载 的反复作用下，基础会出现塑性变形，随着运行次数的增长，塑| 生变形不断 积累，就在混凝土底座和基床表层之间出现空隙，使得底座不是完全支承或 者是变成端部两点支承的简支结构，在最不利荷载作用下，会造成上部结构 的开裂。而且，塑| 生变形的积累，会使得结构的变形超过板式轨道的调整范 围，增加线路维修。尤其在路堤部分，其边坡根本就不可能压实到设计强度， 这种情况出现的概率会更大。 在有砟和无砟的过渡段上，设计上采取的措施都是在过渡段长度内铺设 十几或二十几米的大板，在列车反复作用下，大板就会可能出现局部悬空的 现象，这对上部结构的受力是不利的。 土质路基作为板式轨道的基础，若压实度不够或者由于其它原因，轨道 基础就可能会出现不均匀沉降，基础的不均匀沉降会使得在两块轨道板之间 出现竖向错位，竖向错位产生时，板式轨道各部分受力状态将发生相应变化， 影响车辆与板式轨道的动态相互作用及轨道的稳定性与强度。 轨道板在温度应力作用下的翘曲现象，在混凝土板的表面，拉力超过了 混凝土的抗拉强度，会造成轨道板表面开裂，致使内部钢筋锈蚀，强度降低。 施工中，若作为弹性垫层与底座和轨道板之间的连接部分的c a 砂浆填充 不均匀，在板下出现不完全支承的现象，在列车荷载的反复作用下，轨道板 会出现局部应力集中，可能会造成轨道板的开裂。 因土质路基板式轨道以岩土为基础材料，一旦发生岩土事故，如边坡失 稳、塌方等情况发生时，会造成无砟轨道结构基础的破坏，以致整个结构的 破坏。尤其在挡土墙位置，当不能保证挡土墙在自重和外力作用下不发生全 墙的滑动和倾覆时，板式轨道结构会由于基础的承载力不足而发生塌陷，进 而造成混凝土的开裂等问题。 若轨道结构的排水措施不好，会使得雨水渗流到基础部分，引起基础的 淘刷，使得地基发生翻浆冒泥，严重时会造成上部结构的塌陷，严重威胁运 行安全。 有效控制路基工程残余变形，以满足无砟轨道铺设和长期运营的要求， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 是土质路基地段铺设无砟轨道急需研究解决的关键技术之一。 由于轨道不断承受列车的反复作用，板式轨道像我国大部分轨道那样， 处于超负荷状态工作，残余变形积累迅速，而无砟轨道一旦出现大的变形就 不易维修，不可避免的会出现一些大的轨道不平顺，破坏列车运行平稳，影 响行车安全。 土质路基板式轨道结构的位置偏差超出了轨道附属设备的调整范围，而 无砟轨道是一种免维修的结构，这是在板式无砟轨道铺设时必须注意到的问 题。 本论文正是在这种背景下运用有限元法建立轨道系统模型，对其进行了 结构力学分析和强度评估，并提出相应的整改措施。 1 6 论文的主要研究内容 本论文主要以板式无砟轨道系统为对象，以有限元分析软件a n s y s 为 平台，根据实际结构的参数建立轨道系统模型，进行结构力学分析。具体的 研究内容介绍如下： 第二章，路基上板式轨道结构及其力学模型。介绍了路基上板式轨道主 要结构型式；建立了路基上板式轨道梁一板及梁一体有限元模型并对模型的 参数予以说明。 第三章，路基上板式轨道结构力学分析。针对轨道板与混凝土底座伸缩 缝对齐与错开两种布置方式进行结构受力分析；计算了底座厚度及宽度和基 床表层厚度对轨道结构的受力影响；对普通a 型、框架型、以及特殊减振区 段用的减振g 型三种不同的板式轨道结构进行力学分析。 第四章，板式轨道底座配筋计算。通过梁一板模型计算得出混凝土底座 承受的最大弯矩值对板式轨道底座进行配筋计算。 第五章，无砟轨道过渡段力学分析。分析了高速铁路过渡段存的问题及 其结构特点；对高速铁路过渡段轨道连接条件的基本原理进行了分析和设计 计算；建立过渡段处整治后的轨道结构有限元计算模型，并对得出的计算结 果进行对比分析。 第六章，移动荷载作用下路基上板式无砟轨道动力学分析。对轨道板与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 混凝土底座对缝与错缝布置的轨道模型进行动力学响应分析；对不同工况下 轨道板与混凝土底座在对缝布置时轨道结构动力学响应进行分析：对路基上 板式无砟轨道各部分的合理刚度进行匹配。 第七章，路基上板式轨道温度影响计算。对路基上板式无砟轨道温度荷 载参数进行取值；建立路基上板式无砟轨道温度影响计算模型；对不同温度 荷载作用下轨道结构的力学响应进行分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第2 章路基上板式轨道结构及其力学模型 2 1 路基上板式轨道结构 为减少轨道维修，以节省人力、物力、财力，达到安全、经济和耐用的 目标，日本自1 9 6 5 年开始研发新型少维修轨道，在研发中曾提出过种种结 构方案，经过方案比选，考虑到预制混凝土板在制造上容易保证精度，又可 在板下与下部结构之间设置可供调整的缓冲垫层，满足控制成本、快速施工、 可维修| 生和轨道强度、弹性保持与有砟轨道等同水平等要求，因此，把这种 结构形式取名为板式轨道 2 2 1 。 日本在高架桥上、隧道内等坚固基础上大量铺设有标准定型的a 型板式 轨道，目前正在研制试铺各种型式的减振降噪板式轨道，g 型防振板式轨道 已标准定型。在土路基上试铺有r a 型板式轨道和板式道岔，还试铺有b 型、 e 型和c 型铺装轨道，以及框架轨道和梯型轨道等圆。 为改善r a 型板式轨道所用沥青材料温度敏感性高和耐久性差的不足， 提出了如图2 1 所示用水泥混凝土道床替代沥青混凝土道床的结构方案 2 4 1 。 图2 - l 土路基上混凝土i 蛛板式轨道 它是由砂层、下部铺装( 由级配碎石层、矿渣层、水泥稳定处理层或沥青 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 中间层组成的强化路基) 、钢筋混凝土底座、乳化沥青水泥砂浆层( c a m ) 、a 型轨道板、钢轨扣件和钢轨等构成的1 2 f l 。 我国遂渝线无砟轨道试验段就将其作为路基地段铺设的两种主要无砟 轨道结构之嗣。 2 2 路基上板式轨道结构力学模型 根据以上对板式轨道介绍可知：其轨道结构主要由钢轨、联结件( 手口件和 胶垫) 、轨道板、c a m 、底座、路基等组成。在建立无砟轨道有限元模型 2 7 1 时，可根据图形拓扑学对轨道结构的各组成部分几何模型进行合理的简化。 对于轨道各组成部分几何形状和材料特性，有的已经明确，则可确定其参数， 有的尚需结果分析加以确定。并对各部分采用合理的单元。本论文主要对路 基上板式无砟轨道结构进行分析。考虑到模型计算的方便以及计算结果的提 取，本文中分别建立了叠合梁有限元模型、梁一板模型以及梁一体模型。 2 2 1 叠合梁有限元模型 钢轨作为一个等截面的细长结构物，在对其进行有限元分析时，可将其 看成无限长点支承梁，采用梁单元b e a m 3 对其进行离散。 对于联结f 氰扣件和胶垫) ，可以将其作为一个连续弹性支撑元件，忽略 其非线性因素，等效为一个线性弹性件，采用弹簧单元c o m b i n l 4 进行模 拟。 混凝土轨道板和混凝土底座的基本形状比较规则，在建立叠合梁有限元 模型时可将其等效为一段梁来处理，仍采用梁单元b e a m 3 对其进行离散。 c a 砂浆是由水泥、乳化沥青、掺合材料、细骨料、水、表面活性剂、 减水剂和铝粉等材料在常温下经搅拌制成的，它是板式无砟轨道结构的弹性 调整层的关键组成部分，其性能的好坏直接影响到板式无砟轨道使用的耐久 性与维修工作量。其组成材料复杂，技术指标要求多且高，在建立叠合梁有 限元模型时将其等效为线性弹簧c o m b i n l 4 单元进行模拟，密布于轨道板 下。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 路基是整个轨道结构的基础，对轨道结构正常工作有直接影响，计算轨 道强度时有必要对路基支承条件加以考虑，在建立叠合梁有限元模型时将其 等效为线性弹性件，采用弹簧单元c o m b i n l 4 进行模拟，将其密布于混凝 土底座下。 轨道结构各部分之间通过共用节点发生相互作用，钢轨和轨道板间由弹 簧单元通过节点相连接。这样，就可建立板式无砟轨道整体叠合梁有限元模 型。 考虑在荷载作用下轨道受办隋况，经过计算比较，模型长度确定为三个 轨道板长度即1 5 m 时，在设计荷载作用下，模型两端轨道结构各部分的应力、 应变及变形基本为零，说明，此时轨道模型的长度是足够的。图2 - 2 为土路 基上板式轨道叠合梁有限元网格划分图。 2 2 2 梁一板模型 图2 - 2 路基上板式轨道纵向叠合梁模型 模型中钢轨采用弹性点支承梁模型，扣件采用线性弹簧c o m b i n l 4 号 单元进行模拟：轨道板与底座由于在其厚度方向上的尺寸远小于长度和宽度 方向上的尺寸，符合弹性薄板的结构特点，采用板壳单元s h e l l 6 3 号单元 进行模拟；c a 砂浆为弹性体，为模拟c a 砂浆的粘性，采用实体单元模拟； 为消除边界效应，模型选取三块轨道板进行计算，以中间单元板作为研究对 象。计算模型如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 2 3 梁一体模型 图2 - 3 路基上扳式轨道梁板有限元模型 钢轨作为一个等截面的细长结构物，在对其进行有限元分析时，可将其 看成无限长点支承梁，采用梁单元b e a m 4 对其进行离散。 对于联结件( 扣件和胶垫) ，可以将其作为一个整体考虑，忽略其非线性 因素，等效为一个线性弹性件，采用弹簧单元c o m b i n l 4 进行模拟。 整体道床基本形状比较规则，在建立有限元模型时可将其各层视为规则 的长方体，各层均按弹性体考虑，离散为八结点六面体实体单元s o l i d 4 5 。 基床是整个轨道结构的基础，对轨道结构j 下常工作有直接影响，计算轨 道强度时有必要对基床加以考虑，基床材料属于非线性材料，由于非线性模 型计算量过大，所以本次计算中基床暂用弹性材料模拟，这对于基床部分的 应力会存在一定的偏差，为更精确的分析轨道结构各组成部分的力学特性， 仍然将其按实体单元建模，离散为八结点六面体实体单元s o l i d 4 5 。 轨道板及以下各层间之间的滑动甚微，由此引起的应力变化很小，故不 考虑实体间接触面的摩擦与滑移，而是通过共用节点发生相互作用。钢轨和 轨道板( 或道床板) 间由弹簧单元通过节点相连接。这样，就可建立板式无砟 轨道整体有限元模型。计算模型如图2 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 n 图2 4 路基上板式轨道实体有限元模型图 2 3 路基上板式轨道结构计算参数 荷载根据遂渝线无砟轨道综合试验段无砟轨道设计技术条件，取设 计动轮载3 0 0 k n 。 钢轨弹性模量为2 1 1 0 5 m p a ，惯性矩为3 2 1 7 c m 4 。 联结件( 扣件和胶垫) 轨下胶垫静刚度3 0 - - - 5 0 k n r n m ，本次计算中均取 4 0 k n m m 。 板式轨道轨道板为强度等级为c 6 0 钢筋混凝土材料，混凝土底座为强度 等级为c 4 0 钢筋混凝土材料，根据混凝土结构设计规范混凝土泊松比取 v = 0 2 ，对钢筋混凝土弹性模量分别为3 6 1 0 4 m p a 和3 3 x 1 0 4 m p a ；参照板 式轨道设计与施工，c a m 弹性模量取1 0 0 m pa 。基床弹性模量的选取参照 京沪高速铁路暂行规定，表层e l = 2 1 0 m p a 。底层对表层支承刚度 1 1 0 m p a 。 另外，板式轨道轨道板几何尺寸已经确定，长宽高为： 4 9 3 0 x 2 4 0 0 x 1 9 0 m m ，混凝土底座长宽为：4 9 3 0 x 2 8 0 0 m m ，底座厚度因对轨 道结构受力存在影响，故尚待确定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 4 本章小结 本章主要介绍了路基地段无砟轨道主要结构型式及其受力分析模型。首 先介绍了日本的r a 型板式轨道、框架型板式轨道和减振g 型板式轨道的发 展过程及其结构组成。其次对路基上板式无砟轨道建立了叠合梁有限元模 型、梁一板模型以及梁一体模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章路基上板式轨道结构力学分析 3 1 板式轨道伸缩缝的合理布置 路基地段板式轨道轨道板间伸缩缝与底座的伸缩缝是对齐还是错开布 置，目前也存在困惑。在此分别对伸缩缝对齐和伸缩缝错开时轨道结构受力 进行分析，进而选择合理的布置方式。 在分析板式轨道轨道板与底座的伸缩缝布置方式对轨道结构受力影响 的两种对比计算方案中，轨道板、底座长度相同，为4 9 3 0 m m ；轨道板厚度 为1 9 0 m m ，底座厚度为3 0 0 m m ，基床表层厚度为4 0 0 r a m 。 根据客运专线无砟轨道铁路设计指南，设计动轮载取3 0 0 k n 。 对于板式轨道结构型式，通过受力分析，可得出其各自的受力状态。为 得到轨道板的最大应力值，荷载需依次施加于不同扣件位置上，本文主要针 对如图3 1 所示两种荷载位置进行计算。其中1 号位置代表力的作用点位于 板端扣件处，2 号位置代表力的作用点位于板中扣件处。 图3 1 荷载作用位置 至于模型的选择方面，主要为三种，分别为弹性地基上的叠合梁理论、 弹性地基上的梁一板理论以及弹性地基上的梁一体理论。三种理论的主要区 别在于对轨下基础的模拟，轨道板和底座板在叠合梁理论中在纵向和横向上 均以梁模拟，而梁一板理论中则以弹性薄板模拟，梁一体理论则以实体进行 模拟。在梁体有限元计算理论中，轨道板、c a 砂浆层以及底座板均以实体 模拟，轨道板与c a 砂浆层之间、c a 砂浆与底座板之间在相邻界面采取粘 结处理，层间约束较叠合梁理论和梁一板理论更强，故本章利用路基上空间 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 梁体模型进行计算，其有限元模型见第2 章2 2 3 节图2 4 。 通过进行有限元分析计算，可得出伸缩缝对齐和错开时板式轨道的应力 值比较如表3 1 所示： 表3 - 1 伸缩缝对齐和错开时板式轨道应力值比较 相对于轨道板和底座伸缩缝对齐的轨道结构布置方式，当伸缩缝错开布 置时，轨道板纵向最大拉应力增加0 0 6 2 m p a ，幅度约为3 7 ；纵向最大压 应力减小1 0 4 6 m p a ，幅度约为2 4 8 ；底座纵向最大拉应力增大约0 0 8 3 m p a ， 幅度约为1 1 3 ；纵向最大压应力增大约0 2 8 9 m p a ，幅度约为4 1 1 ；轨道 板横向最大拉应力减小0 2 1 8 m p a ，幅度约为1 0 1 ；横向最大压应力减小 2 4 1 m p a ，幅度约为4 5 2 ；底座横向最大拉应力减小0 0 2 m p a ，幅度约为 2 7 ；横向最大压应力增加0 0 1 1 m p a ，幅度约为1 6 。伸缩缝错开与否， 轨道板和底座纵横向最大拉应力以及底座横向压应力均没有明显的变化，其 变化范围均在1 2 以内；轨道板和底座纵向最大压应力以及底座横向最大压 应力变化较大，幅度约为4 1 - - 4 5 。结果表明，伸缩缝错开布置对轨道板 和底座纵横向拉应力影响不明显，但对轨道板横向压应力和底座纵向压应力 影响较大。 对于最大基床压应力，当伸缩缝对齐时为1 4 9 6 k p a ，而伸缩缝错开时为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 9 7 7 k v a ，伸缩缝错开柿置基床晟大压应力减小近5 19 k p a ，幅度约为5 3 1 。 这是由于轨道板和底座伸缩缝错开时，当荷载作用在轨道板端部上方的钢轨 上，该处弯矩由底座承担，而伸缩缝对齐时则对基床形成应力集中，从而该 处基床压力较大。基床压力相差幅度达将近5 31 ，说明伸缩缝错开的布置 方式对基床受力足非常有利的。 对于两种轨道结构钢轨垂向位移，当伸缩缝对齐时为3 7 8 8 m m ，而f 申缩 缝错开时为37 9 6 m m ，两者基本没有什么变化。 伸缩缝错开与否轨道板纵向应力分布如图3 _ 2 所示。 伸缩缝错开 c o ) 伸缩缝对齐 图3 - 2 轨道扳纵向应力云图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 伸缩缝错开与否轨道板纵向应力分布很相似，但位移情况有所不同，中 间