（车辆工程专业论文）高速铁路无砟轨道结构受力及轮轨动力作用分析.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 无砟轨道是以混凝土、沥青等材料代替碎石道床层的轨道结构，具有少 维修、轨道稳定性好、平顺性好和耐久性好的显著优点，减少了线路养护维 修工作，提高了线路使用率，还提高了曲线通过速度和安全性，减少了道砟 这种不可再生资源的消耗，更为环保。长远来看，其经济性优于有砟轨道。 当前世界各国大力发展高速铁路，应用现代高新技术建设高速铁路，无砟轨 道成为高速铁路轨道结构的重要选择。为了缓解国民经济快速增长与铁路运 输能力紧张的矛盾，我国大规模建设高速铁路客运专线。无砟轨道结构受力 状况与轨道结构的安全性密切相关，而无砟轨道的动力性能则影响到行车安 全性和旅客乘坐的舒适性。因此，开展无砟轨道结构受力和高速动车作用下 无砟轨道动力学性能研究具有很强的理论意义和工程应用背景。 本文首先简要回顾了国内外无砟轨道发展和无砟轨道力学研究的历史与 现状。然后，以车辆一轨道耦合动力学理论为基础，以目前国内应用效果良 好的板式轨道和双块式无砟轨道为研究对象，采用我国自主研发的c r h 2 、 c r h 3 型高速动车组，对高速铁路无砟轨道结构受力和动力学问题进行研究。 开展的研究工作主要包括以下几方面： 建立了板式轨道和双块式无砟轨道三维实体有限元模型，主要分析了在 设计荷载作用下板式轨道和双块式无砟轨道受力特性，包括轨道结构型式、 轨道结构参数、路基关键参数对无砟轨道结构受力的影响。 基于车辆一轨道耦合动力学理论，采用多刚体动力学理论建立了车辆系 统动力学方程，采用梁一板一板有限元模型模拟板式轨道，采用梁一板有限 元模型模拟双块式无砟轨道，通过轮轨关系将车辆系统和无砟轨道系统联系 在一起，建立了车辆一无砟轨道耦合动力学模型。采用德国高速低干扰谱作 为轮轨激励进行无砟轨道动力学仿真计算，并与遂渝线无砟轨道综合试验段 动力学测试结果对比，仿真计算结果与试验数据吻合较好，验证了模型的可 靠性。 应用所建立的无砟轨道轮轨动力作用分析模型，对高速行车条件下，冲 击型激扰、谐波型激扰和随机不平顺激扰引起的板式无砟轨道结构振动特性 进行了分析。研究了不同弦长的车轮扁疤不平顺、不同凸起高度的凸起焊缝 第页西南交通大学博士研究生学位论文 不平顺和不同长波和短波组合的凹陷焊缝不平顺、德国高速低干扰谱激扰下， 板式无砟轨道结构动力响应，验证了现行铁路技术管理规程对高速铁路车辆 车轮扁疤管理和钢轨焊缝打磨要求的合理性。并研究了车速在2 0 0 3 5 0k m h 范围板式轨道和双块式无砟轨道结构随机振动响应受车速影响规律，研究结 果对高速铁路无砟轨道结构参数优化设计具有指导参考意义。 应用所建立的无砟轨道轮轨动力作用分析模型，研究了轨下胶垫刚度和 阻尼、基床表层弹性模量、板式轨道c a m 层弹性模量和双块式无砟轨道道 床板厚度等参数对板式轨道和双块式无砟轨道结构动力性能的影响。 关键词：高速铁路；机车车辆：轨道结构；无砟轨道；板式轨道；双块式无 砟轨道；耦合振动；动力学；有限元；仿真分析 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t b a l l a s t l e s st r a c ki san e wk i n do ft r a c kw h i c hu s e sc o n c r e t eo ra s p h a l tt r a c k b e di n s t e a do fb a l l a s tb e d i th a st h er e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w m a i n t e n a n c e ，h i g hs t a b i l i t y , h i g hs m o o t h n e s sa n dg o o dd u r a b i l i t y r a i l w a yl i n e m a i n t e n a n c ei sr e d u c e da n di t su t i l i z a t i o nr a t ei si m p r o v e db yu s i n gb a l l a s t l e s s t r a c k t h es a f e t ya n ds p e e do ft r a i nn e g o t i a t i o na r eb o t hi m p r o v e d b a l l a s ti sa k i n do fn o n r e n e w a b l er e s o u r c e s b a l l a s t l e s st r a c ki sb e n e f i c i a lt oe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n b e c a u s et h eu s eo fb a l l a s ti sr e d u c e d b a l l a s t l e s st r a c ki sm o r e e c o n o m i ct h a nb a l l a s tt r a c ki n l o n gr u n h i g h s p e e dr a i l w a yi se n e r g e t i c a l l y d e v e l o p e di nm a n yc o u n t r i e sa tp r e s e n t m o r ea n dm o r en e wt e c h n o l o g yi su s e dt o b u i l dh i g h s p e e d r a i l w a y b a l l a s t l e s s t r a c ki san e w i m p o r t a n tc h o i c e o f h i g h s p e e dr a i l w a yt r a c ks t r u c t u r e t oa l l e v i a t et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ef a s t g r o w t ho ft h en a t i o n a le c o n o m i ca n ds h o r t a g eo ft h er a i l w a yt r a n s p o r tc a p a c i t y ， t h es p e e dp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n ei nc h i n e s er a i l w a yi sf a s td e v e l o p e d t h e s t r u c t u r em e c h a n i c a lc o n d i t i o n so fb a l l a s t l e s st r a c ka r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h es a f e t y o ft r a c ks t r u c t u r e ，a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so fb a l l a s t l e s st r a c kh a v e i n f l u e n c eo nv e h i c l er u n n i n gs a f e t ya n dr i d ec o m f o r t t h e r e f o r es t u d i e so nt h e s t r u c t u r em e c h a n i c sa n dw h e e l r a i ld y n a m i ci n t e r a c t i o no fb a l l a s t l e s st r a c ka r e v e r yi m p o r t a n tf r o mt h ep r a c t i c a la n dc o g n i t i v ep o i n t so fv i e w t h eh i s t o r ya n dt h es t u d i e so ft h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i c so fb a l l a s t l e s st r a c k i nt h ep a s ta n dn o wi nt h ew o r l da r er e v i e w e d o nt h eb a s i so ft r a c ks t r u c t u r a l m e c h a n i c sa n dv e h i c l e t r a c kc o u p l e dd y n a m i c st h e o r y , t h es t r u c t u r em e c h a n i c s a n dw h e e l r a i ld y n a m i ci n t e r a c t i o np r o b l e mo fb a l l a s t l e s st r a c ka r es o l v e dw i t h f i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ea n a l y s i so b j e c t so fb a l l a s t l e s st r a c ka r et h es l a bt r a c k a n dt h et w i n b l o c kb a l l a s t l e s st r a c kb e c a u s et h e s et w ok i n d so fb a l l a s t l e s st r a c k a r ef o u n dw e l la p p l i c a t i o ni nc h i n a t h ev e h i c l ep a r a m e t e r sa r ec o m ef r o mc r h 2 a n dc r h 3w h i c hw e r ei n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e di nc h i n a t h em a i nr e s e a r c hw o r k i nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o ni n v o l v e s ： t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l so fs l a bt r a c ka n dt w i n b l o c k b a l l a s t l e s st r a c ka r ee s t a b l i s h e d m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c su n d e rd e s i g n1 0 a do f b a l l a s t l e s st r a c ka r es t u d i e d i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo ft h et r a c ks t r u c t u r ef o r m a n dp a r a m e t e r s ，k e yp a r a m e t e r so fs u b g r a d e 第页西南交通大学博士研究生学位论文 av e h i c l e b a l l a s t l e s st r a c kd y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so f v e h i c l e t r a c kc o u p l e dd y n a m i c st h e o r y i nt h i sm o d e l ，m u l t i b o d ys y s t e m ( m b s ) m o d e l l i n gt e c h n i q u e s a r ec o m b i n e dw i t ht h e t e c h n i q u e s b a s e do nt h e f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) m bsm o d e l l i n gi su s e df o rm o d e l l i n gt h ev e h i c l e a n df e mf o rs i m u l a t i n gt h eb a l l a s t l e s st r a c k d y n a m i cr e s p o n s e so fb a l l a s t l e s s t r a c ka r es i m u l a t e dw i t hg e r m a nr a i l w a ys p e c t r u mo fl o wi r r e g u l a r i t ya st h e i r r e g u l a r i t i e so fr a i l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t r e s u l t sm e a s u r e do nc o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a ls e c t i o no fb a l l a s t l e s st r a c ko n s u i y ur a i l w a yl i n e t h en u m e r i c a lr e s u l t sa r ei ng o o da 伊e e m e n tw i t ht h et e s t o n e s ，a n dt h ed e p e n d a b i l i t yo ft h ev e h i c l e - b a l l a s t l e s st r a c kd y n a m i cm o d e li s v e r i f i e da tt h es a m et i m e t h ee s t a b l i s h e dv e h i c l e b a l l a s t l e s st r a c kd y n a m i cm o d e li su s e dt oa n a l y z e t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs l a bt r a c kc a u s e db yi m p u l s e ，h a r m o n i ca n dr a n d o mt r a c k i r r e g u l a r i t y t h ei n f l u e n c eo ft h ef i a tl e n g t h ，t h eh e i g h to fh i g hw e l da n dd i p p e d w e l dc o m p o s e db yd if f e r e n c e l o n g o rs h o r tw a v e l e n g t ha r ea n a l y z e d t h e r a t i o n a l i t ya b o u tt h el i m i t e dv a l u eo fw h e e lf l a ta n dw e l di nr a i l w a yt e c h n i c a l a n dm a n a g e m e n t a lr e g u l a t i o n si sv e r i f i e d v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb a l l a s t l e s s t r a c ko ft h eh i g hs p e e dp a s s e n g e rd e d i c a t e dr a i l w a yl i n eu n d e re x c i t a t i o n sf r o m t h es t o c h a s t i c a lt r a c ki r r e g u l a r i t i e sa r ea n a l y s e d w h i l et h ev e h i c l ev e l o c i t yi si n t h er a n g e2 0 0 - 3 5 0 k m h ，t h ei n f l u e n c eo fv e l o c i t yo nt h ed y n a m i cr e s p o n s e so f s l a bt r a c ka n dt w i n b l o c kb a l l a s t l e s st r a c ki ss t u d i e d a tl a s t ，t h ei n f l u e n c eo ft h eb a l l a s t l e s st r a c ks t r u c t u r ep a r a m e t e r so nd y n a m i c p e r f o r m a n c e i ss t u d i e d t h e s es t r u c t u r ep a r a m e t e r si n c l u d et h es t i f f n e s sa n d d a m p i n go fr a i lp a d ，r e s i l i e n tm o d u l u so ft h es u r f a c el a y e ro fs u b g r a d e ，e l a s t i c m o d u l u so f c e m e n ta s p h a l tm o r t a ro fs l a bt r a c ka n dt h eb e ds l a bt h i c k n e s so ft h e 铆i n b l o c kb a l l a s t l e s st r a c k k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；r o l l i n gs t o c k ；t r a c ks t r u c t u r e ；b a l l a s t l e s st r a c k ； s l a b t r a c k ；t w i n b l o c k b a l l a s t l e s s t r a c k ；c o u p l i n gv i b r a t i o n ； d y n a m i c s ；f i n i t ee l e m e n t ；s i m u l a t i o na n a l y s i s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 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 本学位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，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：罗蓉 指导教师签名： 日期：2 0 0 8 年1 1 月2 0 日日期：2 0 0 8 年11 月2 0 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 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， 本论文不包含任何其它个人或集体已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，均已在文中做了明确 的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 基于车辆一轨道耦合动力学理论，采用多刚体动力学方法建立车辆系 统动力学模型，采用有限元方法建立板式轨道及双块式无砟轨道动力学模型， 通过轮轨关系将车辆系统和无砟轨道系统联系在一起，建立车辆一无砟轨道 动力分析模型，仿真计算与遂渝线无砟轨道动力学测试进行了对比验证，结 果吻合较好。体现在本文第3 章、第4 章。 2 应用车辆一无砟轨道动力分析模型，分析了在高速行车条件下，由脉 冲型激扰、谐波型激扰和随机型激扰三种典型轮轨系统激扰引起的无砟轨道 振动特性，分析结果为确定高速铁路无砟轨道不平顺限值提供理论基础。体 现在本文第5 章。 3 分析了在高速行车条件下无砟轨道结构参数对无砟轨道轮轨动力作用 性能的影响规律，为无砟轨道结构动力学设计提供必要的理论依据。体现在 本文第6 章。 学位论文作者签名：罗袈 日期：2 0 0 8 年11 月2 0 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 8 2 5 年，英国斯托克顿( s t o c k t o n ) 达灵顿( d a r l i n g t o n ) 之间的铁路 开通，这是世界上第一条铁路。由于运输能力和可靠性明显优于其它的交通 工具，铁路得到了迅速发展，同时也推动铁路技术不断发展和进步，为世界 各国经济繁荣和社会进步发挥了重要作用。2 0 世纪中期，在新兴的高速公路 和航空运输的有力挑战下，铁路运输经受了严峻考验，迫使人们重新认识到 铁路运输速度的重要性。1 9 6 4 年，世界是第一条高速铁路一日本东海道新干 线成功运营，取得了巨大经济和社会效益，迅速掀起了高速铁路研发和建设 的高潮【1 1 。 高速铁路具有全天候、大运能、高速度、舒适安全、节能环保等显著特 点，发展高速铁路可为社会和经济发展提供强大支撑。在当前全球气候变暖、 环境恶化、能源紧缺的大背景下，铁路运输凸显其特有的优势，高速铁路还 可减少旅行时间、服务旅客的开支，以及相应减少车辆数量及其维护费用。 因此，开展高速铁路相关技术的研究，应用现代高新技术建设高速铁路成为 铁路发展的新趋势。 轨道是铁路运输的特有技术装备，轨道对机车车辆提供导向作用，直接 承受机车车轮荷载，并将荷载传递给铁路路基或桥隧。随着铁路的迅速发展， 轨道结构发生了翻天覆地的变化。最初的轨道采用木轨，随着冶炼技术的不 断进步，出现了铸铁轨和至今仍在使用的钢轨。早期的轨道没有枕木，1 9 世纪4 0 年代，人们在铁轨下铺设了木枕，很好的保持了轨距，同时减小了 地面应力，取得了良好的效果；随着2 0 世纪中叶钢筋混凝土结构的迅速发 展，强度更高、使用寿命更长的混凝土枕得到应用并逐渐取代了木枕。为了 进一步减小基础结构应力，在地面基础和轨枕之间铺设一层碎石，称之为有 砟道床，简称道床，碎石道床提高了轨道结构的弹性和排水性能，并使轨道 维修更为方便。由钢轨、轨枕、碎石道床组成了现代铁路有砟轨道的基本结 构型式2 - 5 1 。 传统有砟轨道造价便宜，易于维修，减振性能好，但是应用于高速铁路， 随着车速提高，轮轨相互作用明显加剧，在列车荷载长期反复作用下，道砟 相互摩擦更为剧烈，道砟粉化、液化现象严重，道床易产生变形，影响道床 的弹性和排水功能，致使轨道稳定性和平顺性降低。因此高速有砟轨道维修 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 工作量明显增加，突出表现为碎石道床累积变形过快。当道床变形超过一定 限度时，必须通过养护维修恢复其平顺状态，以保证行车安全和乘坐舒适度。 线路维修工作量，随着列车的通过次数和行驶速度的不断增加而增大，道床 变形日趋严重，道床维修周期日益缩短，道床维修工作量和维修费用大幅增 加，同时影响高速列车的舒适性和安全性。高速铁路有砟轨道维修费用比普 速铁路要增加2 倍，道砟更换周期减半。为适应既有线提速和兴建高速铁路， 世界各国铁路尽管对有砟轨道结构采取了一系列强化和改善的技术措施，但 仍不能解决轨道维护和列车运行之间的矛盾。因此，以少维修为目的，用其 他材料替代碎石道床层的无砟轨道结构得到了迅速发展。 与传统有砟轨道相比，无砟轨道的优点是：轨道稳定性好，轨道几何形 位能持久保持，线路养护维修工作量显著减少；耐久性好，轨道使用寿命长； 轨道平顺性好，乘车舒适度高；横向阻力的提高，增加了安全性和曲线通过 速度，同时可以采用较小的曲线半径和较大的曲线超高，减少投资；结构高 度低，自重轻，可减轻桥梁二期恒载、降低隧道净空，从而总造价与有砟轨 道相当；维修量小，提高了线路使用率，减少了事故隐患：道床整洁美观， 没有道砟飞溅带来的一系列问题 6 - 8 1 ；不需要使用和更换道砟，减少了道砟这 种不可再生资源的消耗，更为环保。 无砟轨道也有其显著的缺点：由于没有道砟层的缓冲，车载作用下无砟 轨道振动比有砟轨道明显剧烈；无砟轨道维修困难；初期建设成本高，是有 砟轨道的1 3 2 倍；在恶劣的天气状况和地质条件下，无砟轨道应用存在较 大的风险。 无砟轨道在隧道内、高架结构和桥梁上的应用，已被世界各国铁路普遍 认可并逐步标准化，而在高速铁路土路基上的应用则十分谨慎。 对于路基地段无砟轨道而言，由于其道床的整体性，其与基床为整体接 触，作用在基床上的应力较有砟轨道有明显的改观，基床具有更高的稳定性， 这是其少维修的重要原因。当然，在土路基上铺筑无砟轨道，由于土路基的 承载能力较低，又对动载荷和水浸蚀反应敏感，因此，必须特别重视对地基 的加强处理和排水设施的良好设置。 客运快速化、高速化亦是近半个世纪以来世界铁路客运发展的一个重要 趋势。无砟轨道则是随着高速铁路运输发展应运而生的新型轨道结构，成为 了高速铁路轨道结构的重要选择。 西南交通大学博士研究生学位论文 第3 页 1 1 世界铁路无砟轨道发展 日本和德国开发了多种型式的无砟轨道，并经过了多年的运营考验，也 因此被认为是无砟轨道开发最为成功、应用最为广泛的两个国家。 为减少轨道维修，以节省人力、物力和财力，达到安全、经济和耐用的 目标，日本自19 6 5 年开始研发新型少维修轨道，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， 并能满足控制成本、快速施工、可维修性和轨道强度、弹性保持与有砟轨道 相当。由于其无砟道床由预制混凝土板和现浇混凝土底座组成，因此把这种 结构型式取名为“板式轨道”( s l a bt r a c k ) 9 , 1 0 。1 9 7 1 年正式应用于山阳新干线， 其后得到了迅速发展。 日本铁路在桥上和隧道铺设板式轨道之后，开发了多种型式的土路基上 板式轨道并取得了成功，图1 1 为日本土路基上板式轨道的典型结构型式。 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。 混 图1 - 1 土路基上混凝土道床板式轨道 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c 。 型板式轨道、b 型、e 型和c 型铺装轨道，以及框架轨道和梯型轨道等 1 1 - 1 3 】。 以往，日本新干线土路基上主要铺设的是沥青混凝土道床宽枕( l p c 枕) 无 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 砟轨道，约18 k m 。近年来，经过试铺后，在1 9 9 7 年开通运营的北陆新干线 土路基上正式铺设了水泥混凝土道床板式无砟轨道，约1 08 k m ”。 c a m 是轨道板和底座之间的填充层，其主要功能是联结轨道板和底座， 日本铁路认为c a m 技术是板式轨道的关键技术，。直致力于c a m 技术的 研究和改进”5 i 。针对近年来发现的钢筋腐蚀问题，口木目前又开始研发短纤 维无钢筋混凝土板f l 。 到u 前为止，日本新t 线共有新干线总k 度为2 1 9 6 k m ，无砟轨道艮度 为1 3 0 0 k m ，2 0 世纪8 0 年代以米修建的新干线无砟轨道比例都在8 5 以上。 但口本新干线桥隧比例大，其路基地段铺设无砟轨道迄今只有9 0 k i n 。 德剧是欧洲最热衷于研究卅发无砟轨道的同家，也是世界上丌发无砟轨 道种类最多的国家，共有9 9 种轨道结构型式，但只批准铺设5 种无砟轨道， 另有1 0 种无砟轨道被批准试铺。为了达到减少维修劳力、适应高速运营和 强化轨道的口的，德困从1 9 5 9 年起就开始研制和试铺各种类把的少维修尤 砟轨道。与日本相反，德国起初在路基地段铺设无砟轨道，而后普及到桥卜 和隧道内。 l “ 一 _ 奶 ；z j t = f i j ；e j 自： l 图1 - 2r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道结构简幽 1 9 7 2 年德剧在比勒费尔德哈姆之间的雷达( r h e d a ) 车站土路基卜曲 线轨道试铺了整体式轨枕的现浇钢筋混凝十道床无砟轨道试验段，r h e d a 轨 道w 此而得名。r h e d a 无砟轨道系统经过不断改进，h 前发展为r h e d a 2 0 0 0 犁无砟轨道，它与原r h e d a 轨道的丰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轨枕，烈块式轨枕仅承轨和预埋扣件螺栓部位为预制混 凝十，其余为桁架式钢筋饲架，使之与现场灌注混凝土的新老界面结合紧密， 提高了施上质量和结构整体性。同时，轨道高度从原来的6 5 0 r a m 降至 4 7 2 m m ，有利于减小隧道净三i ! 和减轻桥日载，因而降低土建丁程造价。适 用0 卜路基、桥梁、隧道及道岔、伸缩器、轨道过渡段等各种线路轨道结构。 r h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道广泛成川于柏林汉诺威、科隆法兰克福等高速铁 路新线i 。此外，荷兰阿姆斯特丹比利时布鲁塞尔设汁运营速度3 3 0 k m h 西南交通大学博士研究生学位论文 第5 页 的高速新线，其中1 6 0 k m 长度采用r h e d a 2 0 0 0 双块式无砟轨道。韩国大邱 釜山1 3 0 k i n 高速线采用r h e d a 无砟轨道。 旭普林( z i i b l i n ) 型无砟轨道系统于1 9 7 4 年开发，并在科隆法兰克福 高速铁路上成功铺设了2 1 k m 。雷达与旭普林轨道结构非常相似，都是在水 硬性混凝土支承层( h y d m u l i s c hg e b u n d e n et r a g s c h i c h t ，简称h g t 层) 上铺 设双块埋入式道床板，不同的是雷达轨道是先将双块式轨枕按轨道设计要求 定位好再浇筑混凝土道床板，而旭普林型轨道则是先浇筑好道床板，然后将 双块式轨枕块安装就位，通过振动将轨枕块压入道床板中。 博格板式无砟轨道系统前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德达豪 试验段的一种预制板式轨道，由钢轨、弹性扣件、预制轨道板、沥青水泥砂 浆调整层及水硬性支承层底座等部分组成，路基、桥梁及隧道地段均可应用。 2 0 0 6 年6 月投入运营的纽伦堡英格施塔特线铺设了3 5 双线公里博格轨道， 该线设计速度为3 3 0 k m h 。 德国无砟轨道类型繁多，但在高速铁路是实际铺设长度只有2 4 8 k m ，主 要铺设在1 9 9 8 年修建的柏林汉诺威和2 0 0 2 年修建的科隆法兰克福高速 新线，大面积铺设时间不长。但德国无砟轨道主要在路基地段铺设无砟轨道， 这对成区段全面铺设无砟轨道具有重要意义。我国幅员辽阔，地形复杂，德 国在路基地段铺设无砟轨道的经验值得借鉴 1 7 - 2 3 。 1 9 6 6 年，瑞士联邦铁路开始研制、铺设用于隧道内的弹性支承块式无砟 轨道( l v t 轨道) 。这种轨道轨枕是金属杆连接的双块式混凝土支承块，该结 构的最大特点是在支承块上套装了带有弹性底垫的橡胶靴套，以轨排的形式 用混凝土浇注在钢筋混凝土的底板上。由于橡胶套具有良好的弹性，该型无 砟轨道减振性能良好，在隧道内得到了广泛的应用。1 9 9 3 年开通的英法海底 隧道采用了这种型式的无砟轨道，不过为了减轻轨排的重量和避免金属轨距 杆在海底的锈蚀，取消了连接支承块的轨距杆。目前，l v t 轨道铺设总延长 约3 6 0 k m 。 英国于1 9 6 9 年开始研制、试铺，并于1 9 7 3 年正式使用的高速、重载少 维修无砟轨道p a c t ( p a v e dc o n c r e t et r a c k ) 轨道。它是在就地灌注的钢筋 混凝土道床上直接联结钢轨，轨底与道床板之间设有连续带状橡胶垫板，连 续支承钢轨。这种轨道已被英国、西班牙、南非、加拿大和荷兰等国广泛用 于大轴重高速客运专线的隧道内和桥梁结构上，铺设总延长约为8 0 k m 。 法国双块式轨枕混凝土道床无砟轨道，简称s t e d e f 轨道，类似瑞士和 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 英国的l v t 轨道。主要用于隧道内，特别是地铁轨道。由于它是在块枕下 设有橡胶衬垫和套靴以提供高弹性，故能有效地降低地铁轨道的噪声和振 动。另外，法国还有一种土路基上支承块式无砟轨道，简称s o n n e v i l l e 轨道。它是一种在钢筋混凝土槽形板上设置混凝土支承块，周围填充水泥灰 浆，多用于土路基轨道。 意大利的i p a 板式轨道，类似日本的s l a b 轨道。已铺设约9 2 k m ，其 中高速新线上2 5 4 k m 。前苏联铁路在土路基上铺设了在厚1 2 c m 、宽2 5 m 、 长1 2 5 m 或6 2 5 m 平面板上构筑t 型混凝土梁的整体组合式钢筋混凝土道床 无砟轨道。奥地利铁路w i n t h 博士提出了土路基梁式无砟轨道。这种梁式无 砟轨道结构钢轨是支承在已安置在支承台的两个螺旋弹簧支承联结，铺设后 经3 年运营无任何异常发生，但建设费比有砟轨道高，限用于特殊用途地段。 美国从2 0 世纪8 0 年代起新开发了应用道路工程铺装路面技术，用热拌 沥青铺装层替换碎石道床的沥青铺装道床轨道，简称h m a 轨道，适用于既 有线改造和新线建设。h m a 轨道结构改善了列车荷载传至路基面的分布特 性，提高了表层隔水性和路基基面支承的均匀性，改善了排水性能，提高了 轨道稳定性和乘坐舒适性，能显著减少轨道养护维修工作量。由于路基不良， 以往每年都要进行3 - - 一5 次线路维修，自从用h m a 置换后2 年才进行1 次维 修，大大降低了线路养护维修工作量。 经过半个世纪的发展，世界各国铁路研发了1 0 0 多种结构型式的无砟轨 道，其中2 0 多种结构应用比较成功。从实际应用情况来看，无砟轨道体现 了养护维修工作量小、稳定性和耐久性好的优点，得到了世界各国的大力发 展。 到目前为止，全世界已经建成并投入运营的高速铁路有日本( 2 1 9 6k m ) 、 法国( 15 4 1k m ) 、德国( 9 16k m ) 、西班牙( 9 4 1k m ) 、意大利( 2 4 6k m ) 、 l t 禾l j 时( 1 4 2k m ) 、韩国( 4 0 9k i n ) 等国家，线路总延长约7 0 0 0k m 。其中， 有砟轨道占7 5 ，无砟轨道占2 5 。在新建高速铁路线上，无砟轨道比例越 来越高 4 , 6 , 2 4 - 2 5 1 。 1 2 我国铁路无砟轨道应用现状 当前，我国铁路面临的主要问题是运输能力远不能满足国民经济和社会 发展的需求，中国铁路长期处于超负荷运输状态。目前，我国铁路运营里程 约为世界铁路里程7 ，但完成了世界铁路近1 4 的运量，运输量和运输密 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 度均居世界首位，即便如此也仅能满足社会需求的6 0 左右。随着我国经济 高速增长，物资领域的流通量越来越大，路网整体运输能力严重不足，主要 干线运输矛盾突出，季节性运输能力十分紧张，且在不断加剧。铁路运输能 力成为制约国民经济进步发展的“瓶颈。 从1 9 9 7 年至2 0 0 7 年期间，我国铁路历时1 0 年，进行了六次大提速， 全面地提高了列车运行速度，运输产品不断地丰富和完善，更好的满足了客 运和货运需求。 提速大力挖掘了铁路运输潜力，进一步显示了铁路本身的经济便捷和安 全舒适的优势，在增强铁路市场竞争力的同时也取得了非常明显的经济效 益。经过第六次大提速后，我国铁路既有线改造提速能力已基本释放，但铁 路运能紧张的状况依然很严峻，要缓解国民经济高速发展和铁路运输能力紧 张的矛盾，必须大力建设新线，尤其是必须大规模建设客运专线。 为满足当前快速增长的旅客运输需求，2 0 0 4 年1 月，国务院批准了中 长期铁路网规划，确定了到2 0 2 0 年我国铁路网规模达到1 0 万公里，建设四 纵四横铁路快速客运通道及三个城际快速客运系统。2 0 0 7 年1 0 月，国务 院常务会议通过的综合交通网中长期发展规划，把到2 0 2 0 年的铁路网规 模增加到1 2 万公里以上。“十一五”期间，新建铁路1 9 8 0 0k m ，其中客运专 线9 8 0 0k m 。目前，我国已经开工建设的客运专线和高速铁路有7 0 0 0 余公里， 即将开工建设的有近4 0 0 0 公里，这些客运专线和高速铁路将在未来3 5 年 内建成投入使用。 客运专线高速铁路要求轨道结构具有高平顺性、高稳定性和低维护的特 点，无砟轨道正好能满足其运营要求。 国内对无砟轨道的研究与国外的研究几乎同时展开，上世纪6 0 年代， 我国铁路在长大山岭隧道内、部分桥梁、大型客站、客技站、洗涮线、装卸 线、港口码头等地段特殊作业线，铺设的无砟轨道结构类型主要有混凝土道 床无砟轨道和沥青混凝土道床无砟轨道，其应用效果良好，但行车速度较低。 同时，在成昆线、北京地铁、皖赣线的许多隧道也试铺了多种结构型式的无 砟轨道。建成初期，确实大大减少了维修工作，但由于基础排水和无砟道床 强度不够等问题，后来出现道床严重开裂和变形，因而不得不全面大修甚至 拆除，此后二十年间我国铁路对无砟轨道的开发基本陷于停滞。但这些工作 为我国铁路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， 第8 页 西南交通大学博士研究生学位论文 为近年来无砟轨道新技术的迅速发展打下了基础。 随着世界高速铁路运输的发展，尤其是日本新干线和欧洲高速铁路运输 取得的成功，上世纪九十年代中期以来，我国无砟轨道的研制工作又步入了 一个新阶段。 1 9 9 5 年以来，我国铁道科学研究院和铁道第一勘察设计院联合研发了结 构型式与英法海底隧道l v t 轨道相似的弹性支承块式无砟轨道，在陇海线 白清隧道、安康线大飘沟遂道、西康线秦岭隧道、兰新线乌鞘岭隧道铺设。 1 9 9 9 年，秦沈线狗河、双何特大桥上铺设了板式轨道，沙河特大桥上铺 设了长枕埋入式无砟轨道。2 0 0 3 年和2 0 0 4 年分别在渝怀线鱼嘴二号隧道、 赣龙线枫树排隧道铺设了长枕埋入式无砟轨道。 2 0 0 6 年，在遂渝铁路线建成了我国首个无砟轨道综合试验段。铁道科学 研究院、铁道第二勘察设计院和西南交通大学等单位联合研发了在包括桥 梁、隧道和路基及各种过渡段在内的不同线下基础上的双块式无砟轨道、长 枕埋入式无砟轨道、板式轨道( 含平板型、框架型和减振型板式轨道) 和纵 连板式轨道等多种结构类型的无砟轨道。遂渝线无砟轨道综合试验段是我国 首次尝试在路基地段成段铺设无砟轨道的试铺段，要求采用我国自主研发的 无砟轨道结构型式，适应我国铁路客观条件和实际需要，开发适合我国高速 铁路客运专线运营条件的路基地段无砟轨道。 2 0 0 5 年，我国系统引进了德国博格轨道测量、设计、制造、施工工艺和 工装以及材料标准等成套技术，在此基础是进行再创新，形成了也有完全自 主知识产权的纵连板式无砟轨道技术。京津城际高速铁路采用的纵连板式无 砟轨道，是我国第一条世界一流水平的高速铁路，2 0 0 7 年底完成全线铺轨， 2 0 0 8 年6 月2 4 日，c r h 3 列车在京滓城际高速铁路试验过程中创下了时速 3 9 4 3 k m h 的国内高速纪录，并于2 0 0 8 年8 月1 日通车运营。这条全长1 2 0 公里、最高运行时速3 5 0 公里、北京至天津间3 0 分钟到达的京津城际铁路， 把北京和天津两大城市连为一体。 正在建设郑西线、武广线高速铁路客运专线上也成区段连续铺设无砟轨 道试验段，已经开始兴建的京沪高速铁路和即将修建的哈大客运专线也将成 区段的大量铺设无砟轨道结构。 此外，我国台湾省2 0 0 5 年1 0 月投入运营的台北高雄高速铁路全长 3 4 5 k m ，其中无砟轨道1 5 5 k m ，主要采用了板式轨道和雷达两种结构型式的 无砟轨道。 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 随着我国铁路客运专线建设全面展开，无砟轨道应用前景广阔。目前， 我国板式轨道和双块式无砟轨道这两种结构型式无砟轨道系统日趋完善，具 备全面铺设的能力和条件。 1 3 无砟轨道力学研究进展 无砟轨道结构研发初期，各国主要通过试验进行结构设计，经过长期试 验研究，结构设计逐渐合理化，各国学者对无砟轨道有了深入的认识，开始 展开对无砟轨道全面的理论研究。 日本在二十世纪6 0 年代研发无砟轨道初期，做了大量的试验以进行合 理的结构设计，不断完善其设计理论【2 6 2 8 j 。日本学者佐藤吉彦将有限元分析 应用到新干线板式轨道静力分析中，将轨道板划分为三角形单元，轨道板下 连接弹簧单元，计算轨道板在设计荷载作用下的弯矩【2 9 , 3 0 。1 9 7 3 年，o k a d