（道路与铁道工程专业论文）无砟轨道结构振动响应的概率分析.pdf

c 叫一，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论文中作了明确的说明。 作者签名：兰三童! 刍日期：盟年上月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：墨盘置! 导师签名：扯日期：4 年卫月旦日 摘要 板式无砟轨道是高速铁路轨道结构的主要类型之一，由于轨道不 平顺的随机特性，列车一板式轨道系统动力响应亦是随机的，对该系 统动力响应进行概率分析，将对板式轨道的结构设计具有一定的参考 价值。本文完成了以下主要内容： 1 建立车辆一轨道系统模型，以便于考虑车体、前后转向架及车 轮的影响，将车辆模拟为由弹簧和阻尼器连接的多刚体，具有1 0 个 自由度。假定车轮总是与钢轨接触，则车轮与钢轨之间具有约束关 系，车轮的自由度为非独立自由度。轨道部分，视钢轨为离散粘弹性 支点支承的长梁、道床板和混凝土支承层为连续粘弹性基础支承的短 梁。钢轨和道床板之间通过模拟为离散弹簧和阻尼器连接，道床板和 混凝土支承层之间以及支承层与路基之间通过模拟为连续弹簧和阻 尼器连接。 2 视列车、轨道为整个系统，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，推导列车一轨道系统竖向振 动矩阵方程，并用w i l s o n - 0 法求解，编制了相应的程序。 3 采用三角级数法产生轨道高低随机不平顺，编制出相应的 m a t l a b 程序。 4 计算了i c e - 2 型列车在a 型板式轨道上运行时所产生的轨道响 应。并将计算结果与秦沈客运专线、武广客运专线武汉一成宁段的实 测结果进行了对比，验证了本文建立的方程以及所编制的程序的正确 性。 5 考虑轨道随机不平顺，对五种速度( 6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 m s ) 下列车一轨道系统方程进行了多次求解，每种速度计算5 0 次，列车每 种速度下每次得到的轨道动力响应的最大值视为其随机变量的一次 观察值，运用数理统计的方法并结合数理统计分析软件s p s s 对每组样 本进行了概率分析，得到了列车每种速度下轮轨力、车轮加速度、钢 轨和轨道板的位移、加速度等最大值随机变量的均值、标准差，以及 其随机变量概率分布服从正态分布的结论。另外还得到动力响应最大 值随机变量的均值、均值与3 倍标准差基本随列车速度的增大而增大 的结论。 关键词高速铁路板式轨道随机振动随机不平顺概率分析 a bs t r a c t t h es l a bb a l l a s t l e s st r a c ki so n eo ft h em a i nt y p e so ft h eb a l l a s t l e s s t r a c k s i n c et h er a n d o mc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a c kr a n d o mi r r e g u l a r i t yo n t h et r a i n s l a bt r a c ks y s t e m ，t h ep r o b a b i l i t ya n a l y s i so ft h ed y n a m i c r e s p o n s ew i l lh a v er e f e r e n c ev a l u ei nt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h es l a b b a l l a s t l e s st r a c k t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gm a i nc o n t e n t s ： 1 t oc o n s i d e rt h er e f e r e n c eo ft h ev e h i c l e ，f r o n ta n dr e a l b o g i ea n d w h e e l ，t h i sp a p e rf i n i s h e dt h ev e h i c l e s - t r a c ks y s t e mm o d e l t h ev e h i c l e w i t l l10d e g r e e so ff r e e d o mi sm o d e l e da saf e wm u l t i r i g i db o d y c o n n e c t e db ys p r i n g sa n dd a m p e r s i ti sa s s u m e dt h a tt h ew h e e la n dr a i l k e e pi nc o n t a c t t h ed e g r e eo ff r e e d o mo ft h ew h e e lc a nb er e p r e s e n tb y t h ed e g r e eo ff r e e d o mo ft h er a i l t h e r ef o r e ，t h ed e g r e eo ff r e e d o mo ft h e w h e e li sn o ti n d e p e n d e n to n e 1 1 1 er a i l sa r em o d e l e da sau n i f o r me l a s t i c b e r n o u l l i e u l e ru p p e rb e a m 1 1 1 es l a ba n dt h ec o n c r e t eb e a n n gl a y e ra r e m o d e l e da sau n i f o r me l a s t i cs h o r tb e a m t h er a i l sa n dt h es l a bt r a c k sa r e r e p r e s e n t e db yc o n t i n u o u ss p r i n g sa n dd a m p e r s t h es l a bt r a c k sa n dt h e c o n c r e t eb e a r i n gl a y e r , t h ec o n c r e t eb e a t i n gl a y e ra n dt h es u b g r a d ea r ea l l r e p r e s e n t e db yc o n t i n u o u ss p r i n g sa n dd a m p e r s 2 t r a i na n dt r a c ka r ec o n s i d e r e da sa ne n t i r es y s t e m t h ev e r t i c a l e q u a t i o n so fm o t i o n f o rat r a i n t r a c k s y s t e ma l e f o r m u l a t e db yt h e p r i n c i p l eo ft o t a lp o t e n t i a le n e r g yw i t hs t a t i o n a r yv a l u ei ne l a s t i cs y s t e m d y n a m i c s a n dt h e “s e t - i n r i g h t - p o s i t i o n r u l e f o r f o r m u l a t i n g m a t r i c e s t h ee q u a t i o n so f m o t i o na r es o l v e db yt h ew i l s o n 0m e t h o dt o o b t a i nt h ed y n a m i cr e s p o n s e s t h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a mh a sb e e n c o m p i l e d 、 3 t h er a n d o mv e r t i c a l i 仃e g u l a r i t ys a m p l e sa r ef o r m u l a t e db y t r i g o n o m e t r i cp r o g r e s s i o n m e t h o da n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o m p u t e r p r o g r a m i sc o m p i l e dw i t hm a t l a b 4 o nt h eb a s i so ft h et r a c kv e r t i c a lf r e ev i b r a t i o nm o d e l t h ed y n a m i c r e s p o n s e so ft h ei c e 2m o d e lt r a i nr u n n i n go nt h ea s l a bt r a c ka r e c a l c u l a t e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft h i sp a p e rb ec o m p a r e dw i t ht h e q i n s h e n ，w u g u a n gp a s s e n g e rl i n e t h ee q u a t i o na n dt h ep r o g r a m s i i i a r ep r o v e dt ob er i g h t 5 t h er a n d o mi r r e g u l a r i t yo ft h er a i lh a sb e e nc o n s i d e r e d a t t e n t i o n i sf o c u s e do nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft r a i na tf i v ed i f f e r e n ts p e e d ( 6 0 ，7 0 ，8 0 ，9 0 ，a n d l o o m s ) l e v e l se x c i t e db yt h ei r r e g u l a r i t yo ft r a c k t h e m a x i m u md y n a m i cr e s p o n s eo fe a c hs p e e di sc o n s i d e r e das a m p l e o b s e r v a t i o no ft h er a n d o mv a r i a b l e t h es a m p l e sa r er e g a r d e da sr a n d o m v a r i a b l ew h i c hi su s e dp r o b a b i l i t ya n a l y s i s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m e e l r a i lc o n t a c tf o r c ea n dt h e 、胁e e la n dr a i la c c e l e r a t i o n t h e m a x i m u md i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o no ft r a i nr a i l sa n dr a i lp a n e l sa l l d e f e rt on o r m a ld i s t r i b u t i o nu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n i th a sa l s ob e e n o b t a i n e dt h a tt h em e a no ft h em a x i m u md y n a m i cr e s p o n s eo fr a n d o m v a r i a b l e s ，m e a na n dt h r e et i m e ss t a n d a r dd e v i a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n gs p e e d k e yw o r d s ：h i 曲- s p e e dr a i l w a y ，s l a bt r a c k ，r a n d o mv i b r a t i o n ，r a n d o m i r r e g u l a r i t y , p r o b a b i l i t ya n a l y s i s 目录 摘要_ i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 引言”1 1 2无砟轨道结构的兴起和发展3 1 2 1无砟轨道的优点3 1 2 2国外无砟轨道结构应用状况4 1 2 3国内无砟轨道结构研究与工程实践1 0 1 3列车一轨道系统动力学的发展1 5 1 3 1国外轨道动力学的发展1 5 1 3 2国内轨道动力学的发展1 7 1 4本文的主要研究内容1 8 第二章板式无砟轨道一高速列车耦合动力学模型1 9 2 1板式轨道系统1 9 2 1 1板式无砟轨道结构”1 9 2 1 一 国外设计方法_ 2 0 2 1 3国内设计方法2 2 2 1 4轨道板结构层参数一2 2 2 2车辆系统2 4 2 3 竖向振动分析模型的基本假设2 5 2 3 1 板式无砟轨道竖向分析模型的基本假设2 6 2 3 2车辆模型的基本假设2 6 2 4车辆一轨道耦合竖向系统振动分析模型2 8 2 5本章小结2 9 第三章列车轨道耦合系统竖向振动方程一3 0 3 1单元划分和梁单元形函数3 0 3 2车辆与钢轨接触点的约束方程3 1 3 3车辆一轨道单元的总势能3l 3 3 1 车辆轨道单元的重力势能3 2 3 3 2 车辆轨道弹性应变能3 3 3 3 3 车辆。轨道单元的阻尼力力势能3 3 v 3 3 4 车辆轨道单元的惯性力势能3 4 3 4列车轨道耦合系统竖向振动方程”3 5 3 5列车轨道耦合系统竖向振动方程求解3 5 3 6 程序流程图3 7 0 7 本章小结：”3 8 第四章轨道不平顺3 9 4 1国内外轨道不平顺功率谱4 0 4 1 1美国功率谱”4 1 4 1 2 德国高速谱”j 4 2 4 1 3 中国干线轨道谱4 2 4 2轨道不平顺的数值模拟4 5 4 3 轨道随机不平顺样本4 7 4 4本章小结4 8 第五章车辆轨道系统动力响应的概率分析- 4 9 5 1 车辆轨道系统竖向响应的求解4 9 5 1 1单车模型”：4 9 5 1 2一动三拖模式”5 2 5 2非参数检验7 4 5 2 1二项分布检验7 4 5 2 2总体分布的卡方检验”7 4 5 2 3 k s 检验7 5 5 2 4三种检验方法的比较7 5 5 2 5k s 检验结果7 6 第六章结论与展望8 2 6 1本文的主要工作8 2 6 2今后须努力的方向8 3 参考文献8 4 致 射”8 9 攻读学位期间的主要研究成果”9 0 v i 硕士学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 铁路是第一次工业革命的产物，自1 8 2 5 年9 月1 7 日世界上第一条行驶蒸 汽机车的永久性公用运输设施：英国斯托克顿达灵顿的铁路正式通车了， 人类开始进入了铁路时代。铁路的产生为人类社会的文明进步与经济发展做出 了巨大的贡献。世界铁路的发展大概经历了迅速兴起一衰退一复苏三个阶段。 2 0 世纪4 0 年代后运输方式变的多了起来，由于各种运输方式之间的激烈竞争， 铁路的地位不断收到挑战，世界铁路的发展曾一度陷入艰难境地，铁路甚至被 某些国家成为“夕阳产业”。进入2 0 世纪8 0 年代后，由于世界氛围内受能源危机， 环境污染，交通安全等问题的困扰，铁路的价值被重新认识。铁路所具有的技 术经济优势与可持续发展战略的一致性，越来越受到各国重视，世界各国纷纷 调整铁路战略，掀起铁路改革浪潮。在可持续发展战略的推动下，在高新技术 的促进下，世界铁路呈迅速发展之势，铁路在世界范伟内复苏，迎来了蓬勃发 展的新时代。 近年来，随着我国经济的高速发展，铁路运输能力远远不适应国民经济和 社会发展的需求，路网整体运输能力严重不足，主要干线、部分地区限制型运输 矛盾突出，季节性运输能力十分紧张，而且还在不断加剧。近几年，尽管铁路采 用强力措施，实现用6 的世界铁路营业里程，完成世界铁路1 4 的运输工作量， 运输密度为世界之最，但“一票难求”、“一车难装”的现象依然随处可见，运力 紧张已经成为制约经济发展的一个因素。党的十六大确立了全国建设小康社会 的战略目标，按照科学发展观、构建和谐社会和资源节约型社会的要求，加快铁 路发展，缓解“瓶颈制约”的矛盾，是形势的需要，历史的必然。国民经济的持续 快速增长，工业化、市场化、城镇化进程的加快，必将带动全社会人员、物资加 快流动，使全社会运输需求总量持续增长。从客运需求看，我国人口基数大，客 运需求增长潜力巨大。城镇化率的提高，城镇人口的增加，将带来客运需求快速 增长；区域经济发展的差异，地区人口、资源、生产力布局的不平衡，导致人员 流动广泛；生活条件的极大改善，生活水平的逐步提高，产生大量的假日旅游、 休闲旅游和探亲访友等客流。从货运需求看，未来1 5 年，我国g d p 将以年均 7 一8 的较快速度增长，支撑这个速度，各种物资的需求也会大幅度增加，对 硕士学位论文第一章绪论 运输的需求将持续上升。由于我国资源分布和工业布局不平衡，能源消费以煤炭 为主，未来大宗原材料物资运输仍将是运输的主流，必须依靠成本低、效率高、 环保好的铁路来完成。初步测算，n 2 0 2 0 年，全国铁路旅客、货物运输需求将分 别达4 0 亿人、4 0 亿吨，年均增长速度分别为8 、4 。铁路作为交通运输的主要 方式，必须提供与市场需求相适应的运输能力。实施可持续发展战略要求建立以 铁路为骨干的资源节约型、环境保护型的现代化交通体系。因此，解决新一轮经 济增长周期中铁路“瓶颈”制约日益突出的问题，要求铁路加快发展；建设资源节 约型、环境友好型社会，铁路应该加快发展；建设现代化综合交通运输体系，充 分发挥铁路骨干作用，铁路必须加快发展；落实科学发展观，实现区域经济协调 发展，铁路更要加快发展。党中央、国务院对加快铁路发展高度重视。2 0 0 4 年1 月，国务院审议通过了我国铁路史上第一个中长期铁路网规划，确定蛩 2 0 2 0 年，我国铁路营业里程将达n l o 万k m ，其中客运专线1 2 万k m ；复线率和电气化 率均达到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。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的深刻变革。 高速铁路以其具有全天候、大运能、高速度、舒适安全、低能耗、轻污染、 成本低、占地少、投资省、效益高等特点，受到了各国的重视，发展高速铁路可 为社会发展、经济发展提供强大支撑【i 。2 。目前我国在高速铁路方面的研究还处 于刚刚起步阶段，离国外相应技术还有一定的差距。国外对高速铁路的研究已 趋先进和成熟，适用于不同环境和不同线路条件的结构型式日趋完善。随着世 界各国高速铁路的大力发展，对无砟轨道结构的高速铁路研究已形成了一个新 热点。发展无砟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 发展的重要举措之一1 3 】。为此，铁道部科教司因而下达了“高速铁路无砟轨道 结构设计参数的研究”及“高速铁路高架桥上无砟轨道关键技术的试验研究 等题目进行科技攻关，同时也列项研究秦岭特长隧道无砟轨道结构型式及施工 方法。我国铁路新型无砟轨道的研究进入了一个新时期。 目前，国际金融危机正在全球蔓延，中国也未能幸免，国民经济的发展遇 到了较大的困难，为了保经济，促增长，国家果断的决定通过加大基础设施的 投资来拉动经济的增长，而铁路做为重要的交通基础设施也是国家投资的重点 领域，我国高速铁路建设的高潮已经开始。而无砟轨道结构以其稳定性高、维 修少等优点成为高速铁路的首选轨道形式，作为高速铁路修建技术重要组成部 分的无砟轨道技术，得到各级领导和设计、施工人员 2 硕士学位论文第一章绪论 应用，这为进一步完善无砟轨道技术，形成适合我国国情和路情、具有中国铁 路特色的无砟轨道结构技术创造了条件。所以认真总结国内外高速铁路无砟轨 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 高速铁路无砟轨道结构需要开展的工作，选择技术先进、经济合理的无砟轨道 结构形式，并研究国外无砟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【4 副，真正实现洋为中用及再创 新的目的。由此可见，本论文具有重要的理论价值、经济及社会效益。 1 2无砟轨道结构的兴起和发展 高速铁路不同于传统铁路，高速度和高密度决定其必须具有高安全性和高 乘车舒适型，因而对轨道的要求也相当苛刻，轨道结构必须具备高平顺性和高 平稳性。目前，应用于高速铁路的轨道结构有两种：有碴轨道和无砟轨道。从 实际经验来看，两种轨道都可以运行高速铁路，但是无砟轨道以其独有的优点 正在获得越来越广泛的应用。 1 2 1无砟轨道的优点 有碴轨道是铁路的传统结构，历史悠久。它具有弹性良好、价格低廉、更换 与维修方便、吸噪特性好等优点。但随着行车速度的提高，其缺点也逐渐显现。 首先，由于有碴轨道不均匀下沉产生的1 2 0 h z 以下频率范围的激振严重，轨道 破损和变形加剧，从而使维修工作量显著增加，维修周期明显缩短。根据德国高 速铁路的资料1 6 剐，当行车速度为2 5 0 ，- - - 3 0 0 k m h 时，其线路维修费用约为行车 速度为1 6 0 2 0 0k m h 时的2 倍；速度为2 5 0 ，- - - 3 0 0 k m h 时，通过总重达3 亿吨后道碴就需全部更换，而在1 6 0 , - - - 2 0 0 k m h 时，通过总重则可达1 0 亿吨。 日本对高速铁路桥上的有碴轨道与无砟轨道维修费用进行的统计分析表明，有碴 轨道的线路维修费用比无砟轨道高1 1 1 ，也就是说有碴轨道的维修费用相当于 无砟轨道的2 倍多。基于这一情况，许多专家认为，从经济角度和维修管理角度 看，高速铁路应采用无砟轨道。特别是在桥隧结构上，由于无砟轨道减少了二期 恒载和建筑高度，采用无砟轨道更为有利l m 】。 除此以外，无砟轨道还具有使用寿命长、线路状况良好、不易胀轨跑道、 高速行车时不会有石碴飞溅等优点【。3 ，因此无砟轨道在国外高速铁路上获得了 越来越广泛的应用，其铺设范围己从桥梁、隧道发展到上质路基和道岔区，无破 轨道结构在高速铁路上的大量铺设已成为发展趋势。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2国外无砟轨道结构应用状况 日本除在1 9 6 4 年开通的东海道新干线未采用无砟轨道外，其后修建的高速 铁路采用无砟轨道的比例逐年增加：1 9 7 2 年开通的山阳( 大阪一冈山) 新干线 占了4 9 ；1 9 7 5 年开通的山阳( 大阪一福冈) 新干线占6 8 6 ：1 9 9 1 年开通 的东北( 东京一盛冈) 新干线占8 2 ；1 9 9 0 年开通的上越( 大宫一新混) 新干 线占9 0 ；1 9 9 7 年开通的北陆( 高崎一长野) 新干线占8 7 5 。德国认为，当 运营速度超过3 0 0 k m h 时，有碴轨道会出现道碴粉化现象，需要经常维修，由 于维修成本增加，其最终成本要比无砟轨道高。德国在2 0 世纪7 0 年代修建的 高速铁路，无砟轨道不足3 0 ；而1 9 9 8 年开通的柏林一汉诺威高速铁路，无砟 轨道比例达到8 0 以上。中国台湾高速铁路无砟轨道1 5 5k m ，占正线长度的 4 5 。荷兰高速铁路土质条件不好，软土较多，但也积极采用无砟轨道。法国 是以有碴轨道为主的国家，目前也在铺设无砟轨道。4 0 多年来，国外出现了1 0 0 多种无砟轨道结构形式( 其中德国有9 9 种形式) ，但只有近3 0 种无砟轨道结构 形式得以试铺和运用。但经过4 0 多年的试验和铺设，只有不到1 0 种结构在高 速铁路上得以应用，其中又以日本的板式无砟轨道和德国的r h e d a 型、b o g l 、 z d b l i n 无砟轨道以及用于隧道的弹性支承块式无砟轨道比较成熟【1 4 1 。目前，高 速铁路无砟轨道结构逐步形成两大技术体系，即日本的柔性充填层板式无砟轨 道结构和德国整体式无砟轨道结构。这两种技术体系已基本发展成熟，在高速铁 路上得到了大范围的推广应用。其中r h e d a 型、b o g l 型、z 心b l i n 无砟轨道以 及新干线板式无砟轨道具有速度3 0 0 k m h 高速铁路实际运营经验。根据支承扣 件、轨枕方式以及道床板材料和制作方式可将无砟轨道分为两大类共5 种主要结 构形式【4 j ，如下图1 1 所示。下面主要介绍下几种常用轨道结构。 无砟赣童 ：摹桕俘方式 罂型区垡 卜吏曩奠麓方式l 一亍彳 卜薯摩t 榜舞ill 翻审ll 句l 量 露簟鬈馆方式 菰拥 有扣件il 无招伟 肇| | 新o i 剿b p o r r 国直l t a l l a u r r i 岫酗蠢nl f b 嘟 ll 眦1li 瑚栅 弛硼llll 蕊ll b 哪y 撕ll胤l 。 图1 1 无砟轨道分类1 4 】 4 一一一 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 1日本板式( c r t s ) 无砟轨道 日本是高速铁路的诞生地。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。日本无砟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。因此， 日本的板式轨道应用非常广泛，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【1 4 】。目前常用的有普通a 型道床板( 图1 - - 2 ) 、框架型道床板( 图 1 3 ) 、用于特殊减振区段上的防振g 型道床板及早期用于路基上的r a 型道床板 等。从其应用情况看，日本无砟轨道具有五个特点： ( 1 ) 板式轨道由轨道板和钢轨组成，由扣件将其联结轨道板由水泥沥青砂浆 层( c a 砂浆) 整体支承。 ( 2 ) 轨道板为钢筋棍凝土或预应力混凝土结构，考态到运输、铺设作业及曲线 地段轨道中心和轨道板中心错位等因素，轨道板标准长度为5 m 。 ( 3 ) 为防止轨道板沿轨道纵、横向移动，要把轨道板固定在整体道床上，因此 在隧道及高架桥的整体道床上设置圆柱形混凝土凸台。 ( 4 ) 轨道的高低误差可通过在轨道板衬垫和钢轨垫板之间插入可调高衬垫进行 调整，而轨道的方向误差则可通过调节钢轨扣件及移动轨道板进行校正。 ( 5 ) 在轨道板和整体道床之间采用自然重力法填充沥青。 图i 一2 普通a 型道床板图i 一3 框架型道床板 日本的板式轨道属于单元板式无砟轨道，具有很好的适应地震多发地段、便 于及时维修的高速铁路特点。同时，采用分块式单元道床板结构可以明显降低温 度荷载对道床板的受力，可减少和避免道床板的横向裂纹的产生。日本单元板式 无砟轨道结构可以采用道床板在工厂批量生产、现场组装的简便快捷铺设作业的 方法，具有良好的施工性能，能最大限度地减少现场工作量，提高机械化作业水 平，加快施工进度。 1 2 2 2德国无砟轨道 德国铁路开展无砟轨道的研究起步较早，始于上世纪6 0 年代，1 9 7 2 年首次 在r h e d a 车站试铺了无砟轨道结构( 故称“r h e d a 型) 。德铁高速运输的年代始 硕士学位论文第一章绪论 于上世纪9 0 年代初，开始无砟轨道只在新建的汉诺威一乌兹堡线的3 座隧道和 曼海姆一斯图加特新线的1 座隧道内铺设，当时在德国全部高速线总共只有1 9 7 k m 的无砟轨道。随后于1 9 9 3 和1 9 9 4 年在经改造的柏林一汉堡、柏林一哈尔勒 和乌兹堡一阿沙分堡新线上部分区段铺设了无砟轨道。2 0 世纪9 0 年代后期在新 建高速线上，特别是客货混运的线路上，有碴轨道的道碴呈现明显的磨损粉碎而 发白的现象，养护维修工作量显著增加。通过德铁有关方面努力，首次在设计时 速2 8 0k m 的柏林一汉诺威高速线全面推广应用无砟轨道结构，线路全长2 6 4k m ， 其中无砟轨道1 9 0k m ( 包括3 0 组道岔区) ，于1 9 9 8 年9 月投入运营。设计速度 3 3 0 k m h 、运营速度3 0 0k m h 的科隆一法兰克福高速客运专线，新建线路长 度1 7 7l ( 1 i l ( 隧道占1 9 、桥梁占3 ) ，其中1 5 0k m 采用了无砟轨道结构。正 在新建、计划于2 0 0 6 年竣工的纽伦堡一英格施塔特( i n g o l s t a d t ) 高速线，设计 速度3 3 0k m h ，运营速度3 0 0k m h ，其新建线路8 9k m ，其中无砟轨道7 5k m ( 含 全部2 5 6l ( i i l 的隧道和4 7 5m 的桥梁区段) 。包括正在新建的高速线，目前德铁 路网将近有4 3 0k m 的无砟轨道，其中包括8 0 组道岔区。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砟轨道的研究，目前主要的无砟轨 道结构形式有5 种，包括r h e d a 型、b o g l 、z 汕1 i n 等，且均以连续轨道结构为 主，很好地适应了少地震、具有稳定线下基础地段的高速铁路。连续式无砟轨 道结构形式使线路轨道具有更好的整体性、平顺性和高稳定性，德国无砟轨道 主要铺设在路基上，其经验对全面发展无砟轨道具有重要意义。 表1 德国主要无砟轨道类型 整体结构直接支承结构 现浇混凝土现浇混凝土 ( 台轨扰或支承块)( 不含轨抚或支承块) 预制板j轨扰或支承块 r h e d a f f ca t d z 娃b l i n b e sc 盯r a c b e r l i n 8 t e 8 6 c l 8 t d h o c h 盱i e f s a ? 0 h l t k a m p r e s e l i f g 拢l sw a l t r 注：带的为e b a 批准可在路网正式应用的无碴轨道结构型式，其 余均在试铺运营考验阶段口 r h e d a 型无砟轨道结构在德国应用最为广泛，占到一半以上，从1 9 7 2 开始 试铺的普通型( 带槽形板、埋入轨枕) 到目前研发的2 0 0 0 型( 无槽形板、埋入支承 6 硕士学位论文 第一章绪论 块) 经历了近3 0 年的发展历程。r h e d a 型无砟轨道由u i c 6 0 钢轨+ v o s s l o h 3 0 0 扣 件+ 整体式轨枕或双块式轨枕+ 道床板( c ，r ) + 支承层底座( h s b ) 组成。最初为 整体轨枕埋人式轨道，到r h e d ab e r l i n 已经发展为钢筋桁梁支撑的双块埋入式 无砟轨道，但承载层仍然是槽形。发展到r h e d a 2 0 0 0 型时，成为由钢筋桁梁连 接的双块埋入式轨道，其混凝土承载层改成平板。r h e d a 2 0 0 0 取消了混凝土槽， 预制轨枕的钢筋与现浇结构钢筋联结在一起，实现了预制结构与现浇结构的最佳 结合，堪称r h e d a 型无砟轨道的完美之作，即实现了结构高度整体性的设计目标， 又达到了减少预制结构与现浇混凝土结合面面积、控制表面裂纹产生与扩展的效 果。而且造价低，可实现铺设的高精度。 铜执r u l c 6 0 翱件乐坑、_ 嗍如h 瑚 一r 二巡 1 im i 。l j 匹k 一一一t ，里鱼磐 lii ii h 钮一l i 硕士学位论文第一章绪论 图l 一5r h e d a 2 0 0 0 施工图 图1 6r h e d a 2 0 0 0 施工图 硕士学位论文第一章绪论 z t l b l i n 型无砟轨道系统也是德国无砟轨道的主要形式，其结构组成与 r h e d a 型无砟轨道系统很相似( 图l - 8 ) 。但它与r h e d a 的主要差异是在施工方 式上。z u b l i n 型无砟轨道系统可以实现高度机械化施工，后者是在底座浇筑完 成后，将预制轨枕组合的轨排放置在底座上，绑扎好钢筋以后浇筑混凝土，使轨 枕与道床板成为一个整体；前者是在现场混凝土道床板浇以后，通过振动方式将 轨枕“振入”到新鲜混凝土中，使轨枕与道床板成为一个整体结构。 图1 8z o b l i n 型无砟轨道结构图 由b 6 翻公司开发的博格板式无砟轨道是德铁应用的另一种轨道型式，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砟轨道。博格板 式无砟轨道结构由预制轨道板组成，轨道板结构高度( 从水硬性材料支撑项面到 钢轨顶面) 4 7 4l 衄，分为标准预制板、特殊预制板和补偿预制板3 种形式，标准 板的外形尺寸64 5 0 m mx 25 5 0m m x 2 0 0m m ，轨道板之间用钢筋连接，板底充填 水泥沥青砂浆层，它与单元板式无砟轨道在位于桥上时差别较大，主要体现在 传力方式不同。在横向通过道床板两侧的横向挡块进行横向限位，纵向在桥梁 固定支座处通过销钉与桥梁相连，将制动力传至桥墩。在桥上可不采用伸缩调 节器。纵连板的优点很多，通过采用先进的数控磨床来精加工预制道床板上的 承轨槽，并且纵连板结构连续，更容易保证轨道的高精度。同时可取消钢轨伸 缩调节器的设置。博格板的开发有2 0 多年，但一直处于小规模的试铺，原因很 明显：纵连的结构将为日后的维修带来难度，而且造价高，比单元板每铺轨公 里多2 0 0 万，比双块式每铺轨公里多6 0 万。 图1 9 博格板式无砟轨道的结构图 9 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 3 弹性支承块式无砟轨道 弹性支承块式无砟轨道是在双块式轨枕( 或两个独立支承块) 的下部及周围 设橡胶或其他弹性复合材料套靴，轨枕块底部与套靴间设橡胶弹性垫层，在套靴 下灌筑混凝土而成型的一种无砟轨道结构形式。这种轨道的特点是采用包括轨下 弹性垫层、轨枕块下弹性垫层和橡胶套靴等多层弹性材料，具有高弹性的特点， 可以实现良好的减振降噪效果，因此常应用于地铁和普通铁路隧道内。1 9 9 3 年开 通运营的英吉利海峡两单线隧道内就全部铺设了弹性支承块式l v t 型无砟轨 道。 图1 一l ol 、，t 型无砟轨道 1 2 3国内无砟轨道结构研究与工程实践 在我国，无砟轨道的研制几乎与国外同时起步。在研制初期，我国铁路建设 者曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌注式等多种形式的整体道床。其中，支 承块式整体道床曾先后在多条线路的长隧道内采用。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 m 。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， 但未正式推广。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7 k m 。 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。在“九五 国家科技攻关专题“高速铁路无砟轨道设计参数的研究 中，提出了适用于高速铁路桥梁、隧道中的三种无砟轨道型式( 长枕埋入式、弹 性支撑块式和大板式) 及其设计参数；随后完成了对三种结构型式实尺模型的各 种性能试验和铺设，并在相关工程中应用。在秦岭i 线隧道中铺设了1 8 4k m 的 弹性支撑块式无砟轨道。同时，提出了秦沈线无砟轨道设计技术条件、施工技术 细则和无砟轨道工程质量检验评定标准，为高速铁路铺设无砟轨道创造了一定条 1 0 硕士学位论文第一章绪论 件。 1 9 9 8 年铁道部立项开展高速铁路高架桥上无砟轨道关键技术的试验研究， 在此课题中，对3 种结构型式的无砟轨道( 长轨枕埋人式、板式轨道、弹性支承块 式) 进行了试验研究。在此基础上，秦沈客运专线特别选定了3 座特大桥作为无砟 轨道的试铺段，其中，沙河特大桥( 直线，长6 9 2 3 3m ) 试铺长枕埋人式无砟轨 道，狗河特大桥( 直线，长7 4 1 7 1m ) 和双何特大桥( 曲线，长7 0 3 3 3m ) 试铺 板式无砟轨道。 1 9 9 9 年11 月，在我国西康线上最长的秦岭隧道( 长度为1 8 5k m ) 内，采用 弹性支承块式无砟轨道，于2 0 0 1 年正式开通运营，效果良好。这种弹性支承式 无砟轨道与上述的l 订型轨道相类似，为减振型轨道，是我国目前铺设无砟轨道 结构最长的区段。另外，为适应京沪高速铁路的线路条件，2 0 0 2 年还选定了渝 怀铁路鱼嘴2 号隧道、赣龙铁路枫树排隧道分别作为长枕埋人式和板式轨道在隧 道内的试铺段，2 座隧道长度分别为7 1 0m 和7 1 9m 。 我国前期的无砟轨道研究工作，虽然已取得了大量成果，但在设计、制造、 施工等成套技术方面缺乏系统性，试铺范围也有一定局限性( 仅限于桥梁、隧道) ， 尤其是在路基和道岔区的无砟轨道研究领域，基本上还处于空白阶段。受我国铁 路整体水平的限制，科研人员研发的无砟轨道结构未进行过成区段铺设试验，没 有经受过高速运营条件的考验。 2 0 0 4 年，铁道部组织开展了无砟轨道工程技术经济论证，得出了无砟轨道具 有良好的稳定性和平顺性，有利于高速行车，可大大减少养护维修工作量，研发、 推广无砟轨道是我国铁路发展的必然趋势和我国客运专线采用无砟轨道技术上 可行、经济上合理的重大结论，为无砟轨道的研发、引进和再创新提供了重要依 据。同年，铁道部经过调研，决定建设遂渝铁路无砟轨道试验段，系统试验研究 无砟轨道结构、轨道电气特性、扣件系统、路桥线下工程、l o o m 长定尺钢轨铺设、 无砟轨道施工及长期测试等关键技术，通过成区段铺设无砟轨道并进行实车试 验，取得无砟轨道工程成套技术和科学数据。遂渝铁路无砟轨道试验段有目的地 设计了c r t s i 型平板式、框架型板式、纵连板式轨道和c r t