（一般力学与力学基础专业论文）无缝线路轨道参数与结构安全稳定性研究.pdf

摘要 摘要 轨道结构安全稳定是无缝线路的核心，为了保证列车的正常运行，无缝线 路必须有足够的安全稳定性储备。轨道结构的动力稳定性分析及其安全评估是无 缝线路的关键技术之一，其研究具有重要理论价值和现实意义，也是目前轨道结 构中需要解决的重要问题。本论文针对无缝线路在温度力作用下的稳定性和安全 性开展了研究，主要在以下方面进行了工作。 在分析了无缝线路丧失稳定性机理和变化过程的基础上，提出了无缝线路轨 道在胀轨跑道变化中的两个重要特征参数，轨道臌曲的安全临界轨温点抽和胀 轨临界轨温点，。论述了轨道结构状态、无缝线路的稳定性与安全临界轨温点 及胀轨临界轨温点的内在联系和对无缝线路轨道安全稳定的重要性，建立了旨在 分析无缝线路安全临界轨温点、胀轨临界轨温点与轨道结构参数关系的理论分析 模型。 通过模型对无缝线路轨道在不同温度力下轨道稳定性进行了讨论，并结合实 际无缝线路着重讨论了轨道参数变化对代表轨道线路稳定性的重要参数安全临 界轨温和胀轨临界轨温的影响及其程度。在分析的基础上提出了无缝线路轨道结 构中合理化参数的建议， 论述了无缝线路轨道动力特性与无缝线路温度力相互关系的基本概念，提出 了无缝线路轨道结构动态特性来研究其在温度力作用下安全性的基本思路。根据 以上基本思路，建立了无缝线路轨道在不同轴向力作用下振动响应的分析模型， 在模型中考虑了钢轨质量、轨枕削距、轨道刚度等参数的影响。分析了结构振动 中阻尼的表现特征，讨论并建立了反映在轴向力影响下结构振动阻尼特征的振动 模型 通过建立理论计算分析公式，对无缝线路轨道在轴向力作用下振动响应特性 进行了分析。首先对轴向力作用下轨道自由振动响应的频率变化进行了计算比 较，主要讨论了钢轨参数、轨枕间距等参数对轴向力和自振频率的影响及内在联 系，认为上述轨道参数对无缝线路的稳定性有密切关系，与无缝线路轨道中的温 度力也存在这一定的联系：论文中还分析了轴向力变化对轨道结构自由振动响应 总体阻尼的相互关系，认为温度力的变化也会对自由振动响应中的总体阻尼产生 影响。 在理论研究分析的基础上，通过室内实验和现场测试两方面进一步研究了无 缝线路温度力与钢轨自由振动响应的内在关系，对理论分析结果进行了实验验 证。研究表明，无论是采用室内缩小模型还是现场实地测试结果，所反映的无缝 摘要 线路温度力与钢轨自由振动响应的特征关系与理论分析结果都有较好的一致性， 反映了无缝线路轨道结构振动的基本特征，即在轴向力作用下( 轨温发生变化) 钢轨的竖向自振频率随着轴向力的变化而改变，当轴向拉力增大时，梁中的自振 频率也会相应地增大；当轴向拉力减小时( 包括轴向压力增加) ，梁中的自振频 率会相应地减小；轨枕间距的变化对钢轨自由振动频率影响十分明显，轨枕间距 增大，钢轨自由振动频率下降的趋势；钢轨中轨温增加，钢轨在竖向自由振动响 应中的总体阻尼比相应增加，反之将会有所减小；随着无缝线路轨道结构中轨枕 间距的增大，钢轨竖向振动响应中的总体阻尼比也随着轨枕间距的增加而减小。 实验表明在研究无缝线路轨道结构在温度力作用下钢轨的自由振动响应特性时， 采用所建立的理论分析模型和缩小的实验模型进行无缝线路温度力与振动特性 研究是能够反映实际轨道结构的振动的基本特性和变化规律。 关键词：无缝线路、稳定性、轮轨系统、动力学、温度力、阻尼、频率、实验 a b s t r a c t _ _ - 一 a b s t r a c t t h e r a i l w a yt r a c ks t r u c t u r es t a b i l i z a t i o nu n d e rt h e r m a ll o a di n d u c e dr a i li so n ec o r eo f c o n t i n u o u sw e l d e dr a i l ( c w r ) i no r d e rt o g u a r a n t e er u n n i n gs a f ea n ds t a b l y ，t h e s a f e t yr e s e r v em u s tb ee n o u g hf o rt h es t a b i l i t yo fcw rt r a c k t h ea n a l y s i sa n d s a f e t y e v a l u a t i o no nt h ed y n a m i cs t a b i l i t ya r et h ek e yt e c h n i q u eo fc w r s t u d y i n gt h i s p r o b l e mh a sag r e a tt h e o r yv a l u ea n dr e a l i s t i cm e a n i n gf o rc w rt r a c k t h e i n v e s t i g a t i o no fs a f e t ya n ds t a b i l i t yo fc w rt r a c ku n d e rt h et h e r m a ll o a dh a sb e e n d o n ei nt h i sp a p e r t h em a i nw o r ki sf o l l o w t w oi m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fc w rt r a c kb u c k l i n gh a v eb e e n p u t f o r w a r do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h em e c h a n i s ma n dv a r yp r o c e s so fc w r t r a c k b u c k l i n g t h e ya r et h eu p p e rc r i t i c a lb u c k l i n gt e m p e r a t u r e 死麟w h i c hr e p r e s e n t sa t r a c kp o s i t i o ns t a b l ei nt h ei n f i n i t e s i m a ls e n s e ，a n dt h em i n i m u mp o s s i b l eb u c k l i n g t e m p e r a t u r ei n c r e a s e 加w h i c hr e p r e s e n t st h a tat r a c kw i l lb u c k l ew i t hs u f j f i c i e n t e x t e r n a le n e r g yi n p u t t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h es t a t eo ft r a c ks t r u c t u r e c w rt 1 a c k s t a b i l i z a t i o na n dc r i t i c a lb u c k l i n gt e m p e r a t u r e sh a sb e e ni n t e n s i v e l yd i s c u s s e di nt h e p r e s e n t t h ea f f e c to fc w rs t a b i l i z a t i o no nt r a c ks a f e t yi sa l s oa n a l y z e d at h e o r e t i e m o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e dt h a ti su s e dt oa n a l y s i sr e l a t i o n so ft h et r a c kp a r a m e t e r s v e r s u s u p p e r c r i t i c a l b u c k l i n gt e m p e r a t u r ea n dm i n i m u mp o s s i b l e b u c k l i n g t e m p e r a t u r e t h ei n v e s t i g a t i o nh a sb e e nm a d ea b o u tc w rt r a c ks t a b i l i z a t i o nu n d e rd i f 梵r e n t t h e r m a ll o a d sb yt h em o d e l t h ei n f l u e n c eo ft r a c kp a r a m e t r i cv a r i a t i o no nc r i t i c a l b u c k l i n gt e m p e r a t u r e sh a sb e e nd i s c u s s e d s o m es u g g e s t i o n sa b o u tu s i n go p t i m a l c w rt r a c kp a r a m e t e r sa r ep u tf o r w a r df o ri m p r o v e ds a f e t ya n dp e r f o r m a n c e t h eb a s i cc o n c e p th a sa l s ob e e np r e s e n t e da b o u ti n f l u e n c eo ft h e r m a ll o a d so nt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fc w rt r a c ki nt h ep a p e r am e t h o di sp o s e dt h a ts t u d y i n g c w rt r a c kb u c k l i n gp o t e n t i a ld u et o h i g ht h e r m a l l yi n d u c e dc o m p r e s s i v el o a d t h r o u g ha n a l y z i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft r a c k am o d e lf o ra n a l y z i n gt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fc w rt r a c ks u b j e c t e dt h et h e r m a lf o r c ei nt h er a i lo w i n gt o f l u c t u a t i o ni nt e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt ot h i sc o n c e p t t h ee f f e c t so ft r a c kp a r a m e t e r s s u c ha sr a i lm a s s ，s u p p o r tl e n g t ha n ds u p p o r ts t i f f n e s sa r ec o n s i d e r e d t h ev a “o u s d a m p i n gc o m p o n e n t so ft h es t r u c t u r ev i b r a t i o ni sp r e s e n t e di nt h ep a p e lt h ep a p e r d i s c u s s e sa f f e c t so ft h e r m a lf o r c eo no v e r a l l d a m p i n go ft r a c kv i b r a t i o n a i i i a b s t r a c t f o r m u l a t i o ni sb e e ns e tu p v i b r a t er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co fc w rt r a c kd u ot ot h e r m a l l yi n d u c e dc o m p r e s s i v e l o a d si si n v e s t i g a t e d t h ef r e q u e n c yv a r i a t i o no ft r a c kv i b r a t i o nf o rd i f f e r e n tr a i l t h e r m a lf o r c e si ss t u d i e du s i n gt h ef o r m u l a t i o n s o m ep a r a m e t e r s ，s u c ha sr a i l p r o p e r t i e s ，s u p p o r ts t i f f n e s sa n di n t e r v a lo fs l e e p e r ，a f f e c to na x i a lf o r c ea n df r e e v i b r a t i o nf r e q u e n c yi sd i s c u s s e d t h er e s u l t sa r ed r a w nf r o mt h es t u d y t h a ti s ，c w r t r a c ks t a b i l i z a t i o nh a sar e l a t i o n s h i pc l o s e l yt ot h et r a c kp a r a m e t e r sa n da x i a lf o r c ei n t h er a i l ，t h er e s e a r c hw o r ka b o u ti n f l u e n c eo fa x i a lf o r c ev a r i a t i o nt oo v e r a l ld a m p i n g o fr a i li sd o n e n u m e r i c a lr e s u l t so b t a i n e du s i n gt h ef o r m u l a t i o na l s os h o w st h a t c h a n g eo fa x i a lf o r c ew o u l da f f e c to v e r a l ld a m p i n g o fr m lw h e nt r a c ki sf r e ev i b r a t i o n s o m ee x p e r i m e n t sa n df i e l dt e s t sa r ed o n ei no r d e rt oi n v e s t i g a t i n gt h er e l a t i o n b e t w e e nc w rt r a c kt h e r m a lf o r c ea n dr e s p o n s eo fr a i lf r e ev i b r a t i o no nt h eb a s i so f t h et h e o r e t i cs t u d y t h e o r e t i cr e s u l t sa r et e s t e da n dv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t s t h e c o n c l u s i o nh a ss h o w nt h a tt h e r ei sag o o di d e n t i c a lb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i cr e s u l t sr e g a r d l e s so fm o d e le x p e r i m e n t so rf i e l dt e s t s t h e yh a v es h o w n m a i n l yv i b r a t ec h a r a c t e r i s t i c so fc w r t r a c kw h i c hi n c l u d ev e r t i c a lv i b r a t ef r e q u e n c y o fc w rr a i lv a r i e sw i t ht h ec h a n g eo ft h e r r n a lf o r c ei nt h er a i l ，a n dt h er e s o n a n c e f r e q u e n c yo fr a i li n c r e a s e sw h e nt h ea x i a lt h e r m a lf o r c ed e c r e a s e sa n dt h er e s o n a n c e f r e q u e n c yo fr a i ld e c r e a s e sw h e nt h ea x i a lt h e r m a lf o r c ei n c r e a s e s t h ec h a n g eo f s l e e p e ri n t e r v a lh a sa i lo b v i o u si n f l u e n c eo nt h er a i lf r e q u e n c yo ff r e ev i b r a t i o n t h e r e s o n a n c ef r e q u e n c yo fr a i li sr e d u c e da si n t e r v a lo fs l e e p e ri n c r e a s e s t h eo v e r a l l d a m p i n go ff r e ev i b r a t i o ni sa u g m e n t e dw h e n t h et h e r m a lf o r c ew o u l dr i s e i nt h er a i l o t h e r w i s ei ti sr e d u c e d t h eo v e r a l ld a m p i n gr a t i oo ff r e ev i b r a t i o no fr a i li sg e t s m a l l e rw i t hal a r g e ri n t e r v a lo fs l e e p e r t h ei n v e s t i g a t i o nh a sp r o o f e dt h a ta ss t u d y i n g f r e ev i b r a t i o nr e s p o n s eo fc w rr a i lu n d e rt h e r m a l l yc o m p r e s s i v el o a d s ，t h em e t h o d s o ft h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i n a i lm o d e le x p e r i m e n ta r ea b l et or e p r e s e n tt h e f u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i ca n dv a r i e dr e g u l a t i o no fp r a c t i c ec w rt r a c k k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sw e l d e dr a i l ，s t a b i l i z a t i o n ，w h e e l r a i ls y s t e m ，d y n a m i c ， t e m p e r a t u r ef o r c e ，d a m p i n g ，f r e q u e n c y ，e x p e r i m e n t i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝储虢琢三 一_ - - - - 一- 一一一_ _ - - 一- o - 一oo - - _ - - _ - 一2 1 0 - - - - - - ，d 。6 年 月叼曰 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 虢够 矿。b 年2 ，月7 7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 通常，钢轨在气温的变化下，会产生热胀冷缩的物理现象，早期的铁路轨道 为了克服这种情况，在线路中设置了钢轨接缝。由于接缝的存在，列车通过时会 发生冲击和振动，其冲击力最大可达非接头区的几倍以上。这种在接头的冲击是 影响列车行车平稳性和旅客舒适度的重要因素，也是造成轨道结构病害的主要原 因，如接头区道床翻浆冒泥、钢轨螺栓孔裂纹、轨道的不均匀下沉、钢轨和联结 零件的磨耗和损伤等等，据统计，在铁路轨道结构的养护维修中，线路接头区的 养护维修费用占全部养护维修费用的3 0 - 5 0 。随着我国铁路运行速度和轴重的 不断提高，上述问题将会更加突出。随着铁路技术的不断发展，轨道结构也得到 了进一步的加强，混凝土轨枕和重型钢轨技术的日益成熟，无缝线路轨道技术也 逐步得到了推广应用。采用无缝线路( 焊接长钢轨) 被认为是解决钢轨接头问题 的最佳方法，其基本原理是通过焊接，将钢轨的接头减少甚至取消，解决了线路 中由于接头而产生的一系列问题，主要表现为： 延长了钢轨的使用寿命，同时也延长了轨枕等其它部件的寿命； 节约了轨道养护维修劳力和材料； 节约能耗，提高运输能力。 铁路无缝线路轨道由于其消除了大量的钢轨接头，具有列车行驶稳定性好、 线路养护维修费用低和使用寿命长等优点，广泛地应用于铁路轨道结构中。自从 二十世纪初无缝线路问世以来，得到了快速地发展和应用。我国从5 0 年代起， 开始研究和推广应用无缝线路，发展迅速，近年来在我国的主要干线基本都实现 了线路的无缝化，特别是在一些运输繁忙的长大干线上正在逐步实现总长度在数 百公里以上的长大干线无缝线路，为提高运输效率、改善列车运行条件发挥了积 极的作用。但是无缝线路采用的是限制钢轨纵向自由伸缩来达到消除钢轨间接头 的方法，在环境温度变化时，由于材料的热胀冷缩现象，会使钢轨中会产生较大 的纵向力，钢轨中由温度变化而产生的纵向力可能会导致钢轨在夏天炎热时产生 胀曲或在冬天寒冷时产生钢轨被拉断现象，导致严重的安全后果，由于钢轨中存 在着纵向力，对轨道结构强度提出了更高的要求，以保证轨道结构有足够的安全 保障。根据有关文献资料统计，从1 9 7 6 年至1 9 8 0 年间，全球每年发生大约4 0 0 0 起与轨道结构有关的事故，其中大部分是与无缝线路轨道温度力相关 1 】。随着 铁路运行速度的不断提高和列车轴重的增加，上述矛盾将更为突出。 第1 章绪论 图1 1 无缝线路轨道结构发生胀轨图例 为了保证无缝线路轨道结构的安全使用，从无缝线路应用的第一天起，人们 就开始了对无缝线路的温度力研究建立了无缝线路的设计理论和铺设方法。但 是由于轨道结构中钢轨扣件扣压钢轨力的不均匀、轨下垫板与钢轨底部磨擦系数 的不均匀、道床弹性和阻力的不均匀、作用在轨道上的列车载荷不均匀和钢轨在 使用中产生纵向爬行现象等诸多因素使得无缝线路在实际使用中，钢轨中的纵 向力随着时间的变化产生了一定的无规律性变化这种不确定因素使我们在一定 程度上无法从理论上预测某一区段、某一时段钢轨内纵向力的大小值和它的变化 规律性。 1 1 无缝线路安全性研究发展概况 11 1 无缝线路安全性理论研究 长期咀来人们在保证无缝线路的安全使用、防止由于环境温度在钢轨内产 生过量的纵向力，导致无缝线路胀轨进行了广泛的探索。尤其是最近几年来随着 无缝线路使用范围的不断增加和列车速度的提高，人们加大了对无缝线路的研 究t 近年来有关无缝线路安全性的问题主要集中在两个方面，开展对能够较全面 反映无缝线路在实际使用中受力特征数学模型的研究和寻求无缝线路在温度影 第1 章绪论 响下纵向力的无损检测方法的研究。 在我国的无缝线路铺设发展使用中，为了保证其安全使用，根据国内外的理 论研究结果，初步建立了钢轨温度力分布规律和变化特征的基本理论假设，作为 我国目前现行无缝线路铺设设计的基础。无缝线路温度力的基本假设为【2 ，3 】： 钢轨温度力在克服接头阻力时不产生位移，当钢轨温度力大于接头阻力时，在温 度力作用下，钢轨开始伸缩，此时道床因温度力使轨枕被带动在道床中产生一微 小位移，导致道床提供阻力作用。如果钢轨在受力过程中不产生任何轨枕与道床 间的相对位移，道床阻力将保持其原值不变，只有当温度力克服接头阻力之后的 余量大于道床纵向阻力时，钢轨开始伸缩，假定道床的单位长度纵向阻力为常数， 不考虑动荷载的影响。假设无缝线路的横向稳定因素主要由道床横向阻力、轨道 框架刚度和钢轨扣件决定，道床阻力与轨枕横向位移成线性关系：钢轨丧失稳定 的因素主要由钢轨中的温度力和轨道原始不平顺( 原始弯曲) 所致，在上述基本 假设的条件下，利用势能驻值原理建立轨道的平衡方程，进行无缝线路轨道稳定 性计算和锁定轨温的计算。在这基本原理下建立了普通无缝线路和桥上无缝线路 设计的基本理论和方法。上述理论仍是我国目前无缝线路铺设设计的基本依据。 随着我国铁路运行速度的不断提高和无缝线路应用的不断广泛，上述理论无 论从精度上还是从可靠性方面，都存在着一定的缺陷，已不能满足现代铁路安全 要求，在这种情况下，促使人们不断地对无缝线路的安全性理论进行深入地研究， 以满足不断发展的需求。 无缝线路安全性理论研究主要是无缝线路在复杂荷载条件下能反映实际情 况的理论模型的建立，从而对各种载荷作用下无缝线路中钢轨纵向力的变化、轨 道结构的稳定性变化进行研究，对无缝线路轨道结构能做出比较切合实际的安全 评价，对无缝线路的铺设规则和要求、无缝线路的使用条件、轨道结构状态与线 路稳定性关系以及保证无缝线路安全使用的必要措施制定等等。期望在理论研究 的基础上，对现有的养修规范和条例提出修订，使无缝线路在使用过程中的安全 可靠性得到进一步保证【4 】。 无缝线路轨道稳定性的理论研究模型通常分为两类：采用梁模型或和钢轨轨 枕模型。早在二十世纪5 0 年代人们就开始探索建立梁模型应用能量方法研究无 缝线路轨道的稳定性。到了7 0 年代美国学者提出了胀轨区的概念，认为无缝线 路轨道在胀轨区内轨道会产生较大的横向变型，而临近区域轨道主要产生轴向变 形，在这一假设的基础上建立了单个梁模型研究轨道稳定性的理论。这一理论曾 经得到了广泛的应用。但是该理论存在两大局限，没有考虑轨枕、扣件和道床密 实度的影响，必须通过假定轨道胀轨的几何形状来建立胀轨方程和对应的胀轨载 第1 章绪论 荷。美国学者k i s h 、s a m a v e d a m 等【7 一1 4 】在8 0 9 0 年代间发表了一系列通过梁 模型研究无缝线路稳定性的论文，但是在模型中都没有考虑道床阻力沿轨道方向 分布不均匀、左右钢轨锁定温度的不同和轨距的变化等因素。同时h e n g s t u m 、 e s v e l d 等 1 5 】开始用有限元方法研究曲线地段无缝线路的稳定性，e 1 g h a z a l y 等 通过对单个梁结构进行三维有限元分析研究无缝线路的稳定性，在研究中考虑了 横向和扭曲引起胀轨的相互作用，同时也考虑了道床阻力、扣件刚度等复杂现象。 在8 0 年代，j a c k s o n 、r a m e s h 发展了钢轨轨枕模型研究无缝线路，建立了两维 平面模型研究无缝线路轨道的稳定性，最近韩国学者应用有限元方法建立了三维 立体模型，考虑了左右钢轨受力的不对称、钢轨的几何非线性和道床的材料非线 性：考虑了道床的横向、竖向及纵向阻力的影响；也考虑了扣件垫板的纵向刚 度等复杂条件【l 】。 在实际无缝线路由温度变化引起的纵向力变化存在着众多的随机不确定因素， 例如钢轨的原始不平顺、轨道横向及纵向阻力的不均匀等因素，为此国内外学者 在上世纪9 0 年代开始用概率统计方法研究无缝线路的稳定性及其胀轨发生的可 能性 1 6 ，1 7 。 蚤 是 d 一 a 2 厶 图1 2 无缝线路轨道结构胀轨失效概率示意图 美国的v o l p e 铁路研究中心对不同轨道结构的无缝线路在各种状态下安全性进 行了大量的研究工作【7 1 4 ，为改善无缝线路轨道安全和实用性，着重开展了估 计轨道横向强度和稳定极限的理论和实验研究，进行了在既有轨道结构胀轨发生 可能性逼近预测的失效分析，这种胀轨失效的评估方法对于处理轨道参数的统计 变化是非常有效的。实效逼近可以为实现以合理的轨道胀轨强度为目标的轨道养 护维修，提供一个优化的选择。在胀轨失效方法和统计参数描述原理的基础上， 4 第1 章绪论 进一步建立了胀轨失效分析模型，认为当轨道横向阻力、横向不平顺、钢轨锁定 轨温等关键参数作为统计变量给定时，认为胀轨发生概率是最大轨温的函数。 在估计无缝线路轨道结构胀轨失效概率中基本参数是“载荷”与“强度 ， 这两个参数在结构的使用寿命过程中其概率是发生变化的，如图所示。 轨温允许增加主要是由轨道横向阻力和轨道横向初始不平顺所决定，其他参 数对轨道胀轨稳定性也会产生一定的影响，例如轨道抗扭刚度、纵向阻力、车辆 载荷等，在以上理论的基础上，可以建立无缝线路胀轨失效分析，示意图如下所 示，主要用于对特定区域轨道发生胀轨可能性分析和某一区段无缝线路单位长度 每年发生胀轨概率研究。 在上述基础上开发了c w r s a f e 无缝线路安全分析系统，该系统主要是对 影响无缝线路轨道胀轨失稳的三个主要参数钢轨温度力( 或锁定轨温) 、轨道水 平方向不平顺度和轨道横向阻力与无缝线路轨道胀轨的关系进行研究。该系统的 主要功能是在单个轨枕横向阻力测定、轨道横向水平不平顺测定等实验数据的基 础 m e t e o r o l o g | c a | r e v e n u es e r v i c e o ：h e rf i x e di n p u t d a t ao na m b i e n t n e j t f a l l a t e r a l m l s a l i g n m e n t a i rt e r n r a t u r e t e m p e r a t u r el t h ) r e s i s t a n c e f d a t al t r o c k p ar a m e t e r ： d a t a t e s td a 协 g e o m e t r y r 3 i ls i z e llll t r o c kc u r v a t u r e i 静e 1 r e v e n u es e r v i c e l a t e r a i 8 ，l l ：j s tt y p e o q e u t r a ； r e s l s t a n c e m i s a l i g n m e n tt i e b j 1 + 1 s t m t e m p e t a t u r 8 t i p r o b a b i l i t y f r i c t i o nc o e f f i c i e n t_ p r o b a b ，l i l y o b d l ) l l l t y d 1 1 ；l n b u t ；o n as t r i b l l t i o n d l s t r i b u k i o n i t o r s i o n a l m r e s i s 阳n c o 刀 喜il 乙o n g t u d | n a i 要 sr i 砌e s s 一 z p r o b a b i l i t y p r o b a b i l i t y 、p r o a r a m 7 f o u n d a r i a n c ， d l s l r i b u t t o nd i s t r i b u t i o n o fe _ f r - t o f ( j t f l o a d l f s t r e n g t h ) t q l o d u u s li 、 m i s o l i g n m e n t 一 ，_ ：3 ，w 3 v e f e n g t ho v e h l c l e 洲叫多 一 c h 3 r 3 c t e r s t i c s 图1 3 无缝线路胀轨失效分析流程图 上，通过理论计算研究了轨道结构的养护维修、线路捣固对无缝线路横向阻力的 影响，通过建立理论模型，用概率统计、能量分析的方法研究分析不同的轨道条 件和参数下，确定轨道的胀轨概率的大小和临界轨温的变化，分析了轨道方向不 平顺、锁定轨温和线路曲线半径对轨道胀轨的影响。该分析系统通过三个独立的 模型研究胀轨分析的可能性和确定性，包括为防止胀轨而确定允许轨温的增加范 第l 章绪论 围；为确定胀轨安全界限而进行安全性分析；建立以轨温为函数胀轨概率估计模 型。该计算模型主要用于对无缝线路维修前后( 主要包括起道、拨道、换碴和换 枕等) 由于轨道参数发生变化而使胀轨发生变化的概率进行分析研究，并指导实 际无缝线路的大中修工程，确保无缝线路的安全【1 8 】。 值得注意的是，在以往的无缝线路安全稳定性理论研究中，都是采用确定性 的分析方法，意思是输入的参数是确定值，因此结论往往是确定性的，即轨道结 构或者是失稳或者没有失稳。根据上述确定性分析进行安全维修的布置是不合理 的甚至是昂贵的，因为必须考虑最坏的情况发生。c w r s a f e 系统采用了概率 方法，在输入的参数中采用统计的变量被认为是一种比较合理的思路。在失效分 析中，可以在道床条件( 肩宽、断面) 和无缝线路锁定温度中选择一定的参数范 围来获得一个相同的安全度，这样的选择可以达到合理地布置、使用维修资源， 也表明维修计划将轨道胀轨概率、在确定的场所、每一维修过程被认为是一个单 个事件，它可以改变使胀轨概率增加重要参数( 横向阻力和锁定温度) ，而场所 确定了轨道结构的类型( 混凝土轨枕或木枕、曲线还是直线) ，根据轨道的横向 阻力、方向的偏差和无缝线路锁定轨温的损失的概率分布来计算给定区域由于维 修而引起的轨道胀轨的概率。 l a t e r a lr e s i s t a n c en e u t r a lt e m p e r a t u r e l a t e r a la l t g n m e m f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n l a t e r a lf e s i s t a n c e 。i b s t i e 誊 参； 暑呈 至量 o a l i g n m e n td e f e c t , h 图卜4 无缝线路安全稳定性理论 c w r s a f e 计算模型主要由四部分组成，计算由于轨道温度力或车辆载 荷作用下无缝线路轨道直线或曲线的胀轨响应；根据给定的轨道设计参数，评 6 第l 章绪论 估c w r 轨道的胀轨强度和胀轨安全性；以轨道横向阻力、方向偏差和钢轨在锁 定轨温以上的增幅等参数为函数评估胀轨概率，输入参数服从正态分布；以服 从通用分布的轨道横向阻力、方向偏差和钢轨在锁定轨温以上的增幅等参数为函 数评估胀轨概率。 2 1 1 9 9 2 年国际铁联( u i c ) 下属的欧洲钢轨研究所( e r r i ) ，围绕着无缝线路的受 力机理分析和温度力的测试探索开展了专题研究 2 0 】，主要包括四方面的工作： 无缝线路理论模型研究，模型参数的实验确定及模型有效性的实验研究， 对u i c 有关无缝线路的内容提出修正，研究由于温度引起的钢轨纵向力无损测 量方法。在e r r i 的资助下，荷兰工业技术大学等进行了无缝线路受力理论模型 的研究工作，完成了有关无缝线路安全稳定分析三个理论模型的建模研究，主要 内容包括：从三维空间的角度研究无缝线路轨道的稳定性，在纵向和竖向载荷下 轨道结构的稳定性分析：包括列车载荷动态影响和道碴屈服等复杂载荷条件下的 分析：考虑纵向列车荷载作用和曲线轨道呼吸等因素下钢轨纵向蠕动容许值分析 等。在模型中考虑了无缝线路的空间受力、钢轨的横向、竖向和纵向的作用、轨 道的横向和竖向稳定性，不但考虑了温度载荷，同时也考虑了机械载荷，并且将 整个列车作为了一个整体、以及考虑轨道与多跨桥梁相互作用的复杂结构、轨道 和桥梁在外载荷作用下发生扭曲振动等情况。该模型的计算结果范围主要在锁定 轨温以上，在一个钢轨胀轨( r i s kf o rb u c k l i n g ) 可能发生的区域里。 该模型主要被应用于无缝线路轨道的安全分析，作为安全分析的工具。在修 订的u i c 7 2 0 “无缝线路轨道的铺设和维护”分册中，引用该程序进行了大量的 计算分析结果作为安全判别标准的依据。 国内学者在这方面也进行了大量的研究工作，早在1 9 7 7 年，以铁道科学研究 院和长沙铁道学院为主的科研小组，提出了“统一无缝线路稳定性计算公式”， 为我国铁道科技界所接受，并获得推广应用。统一公式的设计参数是根据当时 5 0 k g m 钢轨无缝线路进行统计分析得到的，而6 0 k g m 钢轨无缝线路铺设后，由于 种种原因，统一公式未能及时对6 0 k g m 钢轨无缝线路的设计参数进行调查和统 计，致使统一公式的使用一度受到限制。 2 0 世纪8 0 年代，铁道科学研究院卢耀荣研究员根据轨道变形弦长与初始弯曲 弦长不等的模型，推导了相应的稳定性计算公式。在此基础上对我囡无缝线路稳 定性的安全储备进行了定量分析，提出了铺设无缝线路允许温差表。该理论 被我国工程界广泛采用，并编入高校教科书中。 1 9 9 8 年陈秀方教授，在国内首次将结构可靠度理论应用于无缝线路稳定性研 究，在大量现场调查和试验的基础上，对轨道原始弯曲、道床阻力、轨道允许变 7 第1 章绪论 形矢度以及轨温变化幅度等设计参数进行概率统计分析 1 7 】，建立了无缝线路稳 定性的极限状态方程，分析了无缝线路稳定性可靠度，提出了无缝线路稳定性安 全储备分析的概率方法，在根据多元函数的极值理论推导了统一无缝线路稳定性 公式中变形波长的计算公式，但在当时并没有引起足够的重视。1 9 9 9 年提出了 6 0 k g m 钥 轨无缝线路原始弯曲的极值概率模型及其统计分析方法，基于大量的现 场调查数据确定了原始弯曲设计参数的概率取值，进一步完善了统一无缝线路稳 定性计算公式，提出了统一无缝线路稳定性计算的改进公式。该公式计算方法简 捷方便，易于工程技术人员应用，已纳入铁道部秦沈客运专线跨区间无缝线路 设计暂行规定和铁道部京沪高速铁路设计暂行规定。文献f 2 1 运用概率统 计理论，提出无缝线路动力稳定性的概率分析方法，应用超越失效准则分析了无 缝线路动力稳定性和及其可靠度，提出铁路无缝线路稳定性的目标可靠指标建议 值，基于李雅普诺夫意义的概率稳定性概念，结合随机过程跨越理论，提出了无 缝线路概率稳定性判断准则应用概率论和数理统计方法，建立了无缝线路动力 稳定性分析系统中的随机不确定性的概率模型。基于反应过程极值分布最大熵拟 合法，提出了无缝线路概率稳定性动力可靠度的拟静力分析方法。对中国干线铁 路无缝线路稳定性的可靠指标进行了校准分析，结果是不同曲线半径的稳定性可 靠指标不均衡，小半径曲线的可靠指标偏低。基于反应更新过程模型和随机过程 跨越理论，提出了无缝线路稳定性动力可靠度的分析方法，分析了高速铁路无缝 线路稳定性动力可靠度，并与随机模拟法、拟静力法的计算结果进行了对比分析。 1 1 2 无缝线路温度力的无损测试研究 无缝线路无损测试研究是目前对无缝线路安全问题研究的另一个重点。长期 以来，人们为了掌握实际无缝线路轨道中温度力的变化规律，从实验方法上进行 了探索和研究。在无缝线路的养护作业中，值得注意的是，许多无缝线路的胀轨 跑道往往发生在轨温不是最高的时刻，由于列车载荷和钢轨呼吸等因素引起了钢 轨爬行，使得无缝线路的局部区段产生了一个温度应力高峰区，其绝对值要比根 据原来纪录的锁定轨温和实际轨温计算所得的温度力大了许多。应力高峰区的存 在有一定的随机性，很难应用理论计算进行预