（车辆工程专业论文）铁路有砟轨道下沉及高低不平顺发展预测研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 随着铁路向高速、重载方向发展，有砟轨道在列车动荷载作用下承受的 振动与冲击增加，轨道破坏速度加剧，线路养护维修工作量增加，而可供养 护维修作业的时间越来越少，出现了运输和养护维修之间的矛盾。如何更好 地处理这一矛盾，是现代铁路轨道养护维修管理亟待解决的问题。高( 快) 速行车条件下，及时了解和掌控轨道状态及其变化规律，合理制订一套能有 效处理运输和养护维修之间矛盾的管理体系是时代发展的趋势和必然要求， 而我国在轨道管理方面，无论是基础理论研究还是系统开发应用与国外铁路 发达国家相比，都存在一定差距。因此，在我国高( 快) 速铁路大力发展之 际，不失时机地开展轨道管理基础研究工作，具有重要意义。 本文在简要概述国内外铁路轨道维修管理状况、轨道管理基础理论研究 与应用系统开发以及车辆一轨道耦合动力学研究历史和现状基础上，针对铁 路车辆、轨道、线路基础间的动态相互作用问题，提出将车辆一轨道耦合振 动系统与轨道下沉变形相结合，以车辆动力学、轨道动力学、轨道下沉变形 机理为基础，应用计算机数值仿真方法研究铁路轨道在车辆移动荷载作用下 的下沉变形以及由此产生的轨道不平顺动态变化，预测轨道不平顺发展的研 究思路。轨道累积下沉计算模型与车辆一轨道耦合振动模型是轨道累积下沉 及不平顺发展仿真预测的基础。为此，本文总结分析了国内外现有轨道下沉 模型及其特点，为选择合适的模型作为仿真分析之用奠定了基础。 轨道不平顺发展是衡量轨道下沉破坏的重要指标之一。本文对轨道不平 顺含义、分类及轨道不平顺有关特性阐述基础上，着重总结了轨道不平顺管 理标准、不平顺发展预测两方面的研究状况及存在的问题。在对国内外轨道 高低不平顺发展预测研究方法总结基础上，提出了基于轨道下沉和轨面高低 不平顺发展间关系的高低不平顺发展预测模型。 基于车辆一轨道耦合动力学理论思想，建立了具有二系悬挂的整车车辆一 轨道垂向耦合动力学模型。模型中轨道采用三层弹性离散点支承梁模型，能 充分反映道床的动力影响和模拟道床板结、轨枕空吊等局部动力性不平顺的 影响。通过仿真算例，验证了车辆轨道垂向耦合动力学模型和仿真程序的 正确性。 基于京广线k 8 0 + 0 0 0 k 1 6 0 + 0 0 0 区间轨道不平顺动态检测数据，应用 数理统计方法，对轨道动态不平顺进行了统计分析。以高低不平顺为例，研 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 究了轨道不平顺的概率分布特征。分析了轨道不平顺区段最大值和区段标准 差问相关关系以及不同单元区段划分长度对两者相关关系的影响。再现了实 际轨道不平顺发展变化规律，分析了不同轨道结构条件、线路基础条件以及 运营条件对轨道不平顺状态、概率分布及其发展变化的影响。在上述统计分 析基础上，分析讨论了基于不平顺概率分布特征的不平顺发展统计预测方 法，比较了几种统计预测模型的预测效果和预测精度，分析了状态转移概率 矩阵法在不平顺发展预测方面的应用。根据轨道状态发展变化规律，建立了 轨道状态长时性发展预测模型，通过算例，分析了预测模型的可行性。 应用轨道动态下沉研究方法，通过将车辆轨道垂向耦合动力学模型、 轨道下沉模型和高低不平顺发展模型相联系开发仿真程序，分析了有砟轨道 动态下沉特性，探讨了有砟轨道下沉主要影响参数，提出在有砟轨道结构设 计中要考虑轨道下沉变形影响。 轨道累积下沉和高低不平顺发展间存在一定关系。以既有线轨道结构参 数、运营条件为仿真参数，利用仿真分析程序，分析了实际线路轨道不平顺 发展状况和发展变化规律，并与实测状况进行了对照，验证了仿真预测方法 的可行性。 关键词：铁路轨道；轨道管理；轨道下沉；车辆一轨道耦合动力学；轨道不 平顺；统计分析；发展预测 西南交通大学博士研究生学位论文第1 h 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e da n dh e a v yr a i l w a y s ，b a l l a s t e dt r a c k se n d u r e m o r ev i b r a t i o na n di m p a c t u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t r a c kd e t e r i o r a t i o ns p e e d q u i c k e n sa n dt r a c k m a i n t e n a n c ew o r k l o a di n c r e a s e s b u tt h et i m ef o r m a i n t e n a n c eb e c o m e sm o r ea n dm o r ef e w t h u s ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n t r a n s p o r t a t i o na n dm a i n t e n a n c ea p p e a r s i t i sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt h a th o w s o l v e st h i sc o n t r a d i c t i o nw e l lf o rr a i l w a yt r a c km a n a g e m e n t t h e s ea r et h e t e n d e n c ya n dr e q u e s t s f o rt i m ed e v e l o p m e n tt ou n d e r s t a n da n dm a s t e rt r a c k s t a t e sa n dc h a n g el a w so ft r a c ks t a t e sp r o m p t l ya n dt ow o r ko u tas e to f m a n a g e m e n ts y s t e m t h em a n a g e m e n ts y s t e m c a nh e l pt od e a lw i t ha b o v e c o n t r a d i c t i o nw e l l h o w e v e r ，r e g a r d l e s so ft h eb a s i ct h e o r yr e s e a r c ho rs t u d i e s o nd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h e r ea r e l a r g eg a p se x i s t i n ga m o n gh o m ea n do v e r s e a sw h o s er a i l w a y sh a v ed e v e l o p e d t h e r e f o r e i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oc o m m e n c ei n s t a n t a n e o u s l yt h eb a s i cs t u d yo n t r a c km a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a t t h ef a s ta n d h i g h - s p e e dr a i l w a y sd e v e l o pv i g o r o u s l ya th o m e t h i st h e s i sb r i e f l yr e v i e w st h ed o m e s t i ca n da b r o a dr a i l w a ym a i n t e n a n c ea n d m a n a g e m e n ts u r v e y , t h e b a s i c t h e o r y r e s e a r c ha n dt h e e x p l o i t a t i o n o f i n f o r m a t i o ns y s t e mf o rt r a c km a n a g e m e n t ，t h eh i s t o r ya n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n o ft h ev e h i c l e t r a c kc o u p l e dd y n a m i c s o nt h eb a s i so fa b o v es t u d i e s ，d i r e c t e da t t h ed y n a m i cr e c i p r o c i t yb e t w e e nr a i l w a yv e h i c l e ，t r a c ka n dt r a c kb a s e ，t h et h e s i s p r o p o s e st h ef o l l o w i n gr e s e a r c ht h i n k i n g t h a tt h ev e h i c l e t r a c kc o u p l e dv i b r a t i o n s y s t e ma n dt r a c ks e t t l e m e n ta r ec o m b i n e d ，r e g a r d i n gt h ev e h i c l ed y n a m i c s ，t h e t r a c kd y n a m i c sa n dt h et r a c ks e t t l e m e n tl a wa sf o u n d a t i o n s ，t h et r a c ks e t t l e m e n t d u et om o v i n gl o a d so fr a i l w a yv e h i c l e sa n dt h ed y n a m i cc h a n g e so ft r a c k i r r e g u l a r i t yc a nb es t u d i e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h et r a c ks e t t l e m e n t m o d e la n dt h ev e h i c l e t r a c kc o u p l e dd y n a m i c sm o d e la r et h eb a s e sf o rs t u d i e s o nt r a c ka c c u m u l a t i v es e t t l e m e n ta n dg r o w t hf o r e c a s to ft r a c ki r r e g u l a r i t y s o t h ee x i s t i n gt r a c ks e t t l e m e n tm o d e l sa th o m ea n da b r o a da r es u m m a r i z e da n d a n a l y z e dt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rs e l e c t i n ga p p r o p r i a t em o d e l sf o rs i m u l a t i o n t h eg r o w t ho ft r a c ki r r e g u l a r i t yi so n eo fi m p o r t a n tm e t h o d st oe v a l u a t et r a c k 第页西南交通大学博士研究生学位论文 s e t t l e m e n td e t e r i o r a t i o n o nt h eb a s i so fd e s c r i b i n gt h em e a n i n g s ，c l a s s i f ya n d c h a r a c t e r i s t i co ft r a c ki r r e g u l a r i t y , t h er e s e a r c hs u r v e ya n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m s a b o u tm a n a g e m e n ts t a n d a r d sa n dg r o w t hf o r e c a s to ft r a c k i r r e g u l a r i t y a r e s u m m a r i z e d a n do nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h em e t h o d sf o rt r a c ki r r e g u l a r i t y g r o w t hf o r e c a s ta th o m ea n da b r o a d ，t h eg r o w t hf o r e c a s tm o d e lf o rt r a c kv e r t i c a l p r o f i l ei r r e g u l a r i t y i s p r o p o s e d t h em o d e li s e s t a b l i s h e db a s e do nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a c ks e t t l e m e n ta n dt r a c kv e r t i c a lp r o f i l ei r r e g u l a r i t y g r o w t h t h ev e r t i c a lv e h i c l e t r a c k c o u p l e dd y n a m i c sm o d e lc o n s i d e r i n gs e c o n d a r y s u s p e n s i o ni se s t a b l i s h e db a s e do nt h ev 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 n t h i sm o d e l t h et r a c ki sm o d e l e da sab e a ml a i do nt h r e el a y e rs u p p o r t sw h i c ha r e e l a s t i ca n dd i s c r e t e t h et r a c km o d e lc a nd i s p l a yt h ee f f e c to fl o c a l d y n a m i c i r r e g u l a r i t ys u c ha sb a l l a s th a r d e n i n g ，s l e e p e rh a n g i n go nt r a c kv i b r a t i o n s b y s i m u l a t i o n e x a m p l e s ，t h ev e h i c l e t r a c kc o u p l e dd y n a m i c sm o d e la n dt h e s i m u l a t i o np r o g r a ma r ev a l i d a t e d b a s e do nt h ed y n a m i cd a t ao ft r a c ki r r e g u l a r i t yi n s p e c t e db yt r a c k i n s p e c t i o n r a i l c a ro nt h ek 8 0 + 0 0 0 kl6 0 + 0 0 0 j i n g g u a n gr a i l w a yl i n e ，a p p l y i n gt h e s t a t i s t i c sm e t h o d ，t h ed e t a il e ds t a t i s t i c a n a l y s e so nt r a c ki r r e g u l a r i t ya r ed o n e t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft r a c ki r r e g u l a r i t yi s i n v e s t i g a t e d t a k i n gt h et r a c kv e r t i c a lp r o f i l ei r r e g u l a r i t ya se x a m p l e t h ec o r r e l a t i v i t yo f s e c t i o nm a x i m u ma n ds e c t i o ns t a n d a r dd e v i a t i o no ft r a c ki r r e g u l a r i t yi ss t u d i e d t h ei n f l u e n c e so fd if f e r e n ts e c t i o n l e n g t h so nt h ec o r r e l a t i v i t y o fs e c t i o n m a x i m u ma n ds e c t i o ns t a n d a r dd e v i a t i o no ft r a c ki r r e g u l a r i t ya r ea l s od i s c u s s e d t h ea c t u a lt r a c k i r r e g u l a r i t yg r o w t hl a w sa r ep r e s e n t e du s i n gt h ei n s p e c t e d i r r e g u l a r i t yd a t a t h ei n f l u e n c e so ft r a c ks t r u c t u r ec o n d i t i o n s ，r a i l w a yb a s e c o n d i t i o n sa n dr a i l w a yo p e r a t i o nc o n d i t i o n so ni r r e g u l a r i t ys t a t e s ，i r r e g u l a r i t y p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n sa n dc h a n g e so fi r r e g u l a r i t yp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o na r e a n a l y z e d o nt h eb a s i so fa b o v es t a t i s t i ca n a l y s e s ，t h es t a t i s t i cf o r e c a s tm e t h o d s b a s e do nt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft r a c k i r r e g u l a r i t y a r e d i s c u s s e d ，t h ef o r e c a s tf e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ev a l i d a t e db yc o m p a r i n g f o r e c a s tv a l u e sw i t hi n s p e c t e dd a t a t h ef o r e c a s te f f e c ta n df o r e c a s tp r e c i s i o no f d i f f e r e n ts t a t i s t i cf o r e c a s tm o d e l so fi r r e g u l a r i t yg r o w t ha r e c o m p a r e d ，a n dt h e a p p l i c a t i o no ft h es i t u a t i o nt r a n s i t i o np r o b a b i l i t ym a t r i xm e t h o di ni r r e g u l a r i t y g r o w t hf o r e c a s ti sa l s od i s c u s s e d b a s e do nt h ea c t u a lg r o w t hl a w s o ft r a c k 1 r r e g u l a r i t y , t h el o n g 。t i m eg r o w t hf o r e c a s tm o d e lo ft r a c ks t a t ei se s t a b i s h e d b v e x a m p l e s ，t h ef o r e c a s tf e a s i b i l i t yo fa b o v em o d e li sa n a l y z e d a p p l y i n gt h er e s e a r c hm e t h o do ft r a c kd y n a m i cs e t t l e m e n t ，b yc o m b i n i n gt h e v e h i c l e 。t r a c k c o u p l e dd y n a m i c sm o d e l ，t h et r a c ks e t t l e m e n tm o d e la n dt h e l r r e g u l a r i t yg r o w t hm o d e l ，t h es i m u l a t i o n p r o g r a mi sc o m p i l e d u s i n gt h e p r o g r a m ，t h ed y n a m i cs e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i co fb a l l a s t e dt r a c ki s a n a l y z e d ， a n dt h em a i ne f f e c tp a r a m e t e r so ft r a c k s e t t l e m e n ta r ea l s od i s c u s s e d t h e p r o p o s a ll sp u tf o r w a r dt h a tt r a c ks e t t l e m e n td e f o r m a t i o ns h o u l db ec o n s i d e r e d i nt h es t r u c t u r ed e s i g no f r a i l w a yb a l l a s t e dt r a c k 1h e r el sac e r t a i nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a c ka c c u m u l a t i v es e t t l e m e n ta n dt r a c k i r r e g u l a r i t yg r o w t h b yt a k i n gt h et r a c kp a r a m e t e r sa n dt r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o n s o fe x i s t i n gr a i l w a ym a i nl i n ea ss i m u l a t i o np a r a m e t e r s ，u s i n ga b o v es i m u l a t i o n p r o g r a m ，t h ea c t u a lg r o w t hs t a t ea n dt h eg r o w t hl a wo ft r a c kv e r t i c a l p r o f i l e i r r e g u l a r i t yo fe x i s t i n gr a i l w a ym a i nl i n ea r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h e a c t u a li n s p e c t i o nd a t a b yc o m p a r i n g ，t h ef o r e c a s tf e a s i b i l i t yo ft r a c k v e r t i c a l p r o f i l ei r r e g u l a r i t yg r o w t hb ys i m u l a t i o ni sv a l i d a t e d k e y w o r d s ：r a i l w a yt r a c k ；t r a c km a n a g e m e n t ；t r a c ks e t t l e m e n t ；v e h i c l e - t r a c kc o u p l e dd y n a m i c s ；t r a c ki r r e g u l a r i t y ；s t a t i s t i c a n a l y s i s ； g r o w t hf o r e c a s t 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：两盔敞 指导教师签名：军孤 日期：私心年口月 日 日期：易伽汐年乃月日 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他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，均已在本文中作了明 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、轨道和线路基础间的动态相互作用关系，提出将车辆 轨道耦合振动系统同轨道下沉变形相结合，应用计算机数值仿真方法研究铁 路轨道在车辆移动荷载作用下的下沉变形以及由此产生的轨道不平顺动态 发展变化的研究思路和方法( 论文2 2 节、3 2 节) 。在此基础上，研究分析 了有砟铁路轨道动态下沉规律和轨道下沉变形对车辆轨道耦合振动系统的 动态影响( 论文第6 章) 。此研究在国内属首次。 2 基于既有线轨检车几何不平顺检测数据，应用数理统计原理和方法， 对轨道动态不平顺进行了系统分析，研究了轨道不平顺的概率分布特性，讨 论了基于不平顺分布函数特征的不平顺发展统计预测方法，比较了几种预测 模型的预测效果和预测精度，探讨了状态转移概率矩阵法在不平顺发展预测 方面的应用，建立了轨道不平顺长时性发展统计预测模型( 论文第5 章) 。 3 基于轨道下沉和轨面高低不平顺发展间关系，以既有线轨道运营 条件为基础，首次通过数值仿真手段分析了高低不平顺发展规律，并与实 际检测值进行了对比( 论文第7 章) ，为轨道不平顺管理提供了有益参考。 学位论文作者签名：商望敛 日期：炒方年o 月 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 自1 8 2 5 年英国修建世界上第一条铁路以来，铁路在世界范围内得到了 迅速发展，其技术条件已逐渐成熟和完善。进入2 0 世纪，世界铁路开始向 着高速、重载方向发展【l 川。在世界铁路大发展背景下，我国铁路部门也逐 渐加大了铁路建设、发展的力度。 铁路客运方面，除大力加强既有线技术改造以提高列车运行速度外，还 于1 9 9 4 年1 2 月开通了广深准高速铁路，最高运行速度达1 6 0 k m h ，后来又 引进瑞典x 2 0 0 0 摆式列车，最高运行速度提至2 0 0 k m h 。1 9 9 5 年6 月2 8 日， 铁道部作出了在既有繁忙干线提速的重大决定，目标是将旅客列车最高运行 速度提高到1 4 0 1 6 0 k m h ，货物列车的最高速度提高到8 5 - 9 0 k m h 瞄j 。自1 9 9 6 年到2 0 0 5 年，从沪宁线提速开始，先后进行了六次铁路提速，逐渐实现了 上述目标 5 | 。为研究发展我国的高速铁路技术，1 9 9 9 年8 月开工修建全长 4 0 4 6 5 k m 的秦皇岛一沈阳的快速客运专线，并于2 0 0 3 年1 0 月1 2 日正式开 通运营。秦沈客运专线是我国第一条开通的时速1 6 0 k m h 以上的双线电气化 铁路，其中有6 6 8 k m 的线路可作为3 0 0 k m h 的高速试验线。2 0 0 2 年1 1 月 2 7 日，在秦沈客运专线上，国产“中华之星”试验列车创造了3 2 1 5 k m h 的中 国铁路最高速度记录，标志着我国开始了高速铁路建设、发展的新纪元。2 0 0 7 年1 月，遂渝线无砟轨道综合试验段通过2 0 0 k m 动车试验，标志着无砟轨 道技术在中国逐渐成熟，逐步迈入工程实施阶段。 铁路货运方面，2 0 世纪8 0 年代，修建了我国第一条电气化重载铁路一 大秦铁路，拉开了我国重载铁路运输的序幕。1 9 8 4 年1 1 月，在学习前苏联 重载运输经验基础上又开行了我国第一列组合式重载列车。1 9 8 5 年开始， 我国重载铁路运输又经历了三个阶段的发展。由在改造线上开行组合式重载 列车，发展到在大秦线上开行单元式重载列车，再到在沿海繁忙干线开行整 列式重载列车。使得我国重载运输水平逐渐提高。目前，京广、京沪等繁忙 干线均固定车次开行5 0 0 0 t 级整列式重载列车。 2 0 0 4 年2 月国务院审议通过了中长期铁路网规划，提出“扩大规模， 完善结构，提高质量，快速扩充能力，迅速提高装备水平”的铁路发展目标。 按照中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年，中国铁路营业里程要达到1 0 万公 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 里，其中包括1 2 万公里客运专线，复线和电气化率分别达到5 0 。同年， 国务院正式批准建设武广、郑西、京津等九条设计时速2 0 0 k m 以上的客运 专线，安排了4 8 个新开工项目，建设总投资规模达5 0 0 0 多亿元。这在中国 铁路发展史上是前所未有的，在世界铁路发展史上也绝无仅有。2 0 0 5 年，9 条客运专线项目陆续开工建设。 高速铁路要求轨道必须保持高平顺性【6 10 1 ，否则，会影响高速行车的舒 适性，也可能造成轨道结构部件的损伤，甚至影响行车安全。列车的舒适性 和安全性得不到保障，高速铁路也就失去了其存在的意义【1 1 1 。同样，重载 运输由于货车轴重大，运量高，对轨道结构的破坏更大，轨道几何状态变化 快。因此，高速、重载铁路更应加强铁路状态的质量监控和维修管理。 在铁路高速度、高密度、大运量行车条件下，轨道结构承受的列车动荷 载作用的幅度和频率越来越高，轨道破坏速度加剧，轨道养护维修工作量增 加，而可供养护维修作业的时间越来越少，出现了运输和养护维修之间的矛 盾。如何更好地解决这一矛盾，是铁路工务部门面临的重要问题。若能建立 一套科学、合理的轨道养护维修管理体制，不仅能解决这一矛盾，而且能合 理分配和利用现场养护维修资源，保证轨道处于良好和均衡的质量状态，实 现更经济、更合理、更有效地管理铁路轨道。如何评定轨道质量，实现轨道 预防性计划维修管理，使轨道均衡发展，更经济、更合理、更有效地管理铁 路轨道，是一项科学的、系统的工程【l2 1 。 传统有砟轨道经历1 8 0 多年的发展、使用经久不衰，充分证明其优越性 无法替代。有砟轨道结构仍是当前铁路轨道主要结构形式。有砟轨道由钢轨、 轨枕、道床等组成，由于其道床以及轨道基础部分的散粒体结构特性，在机 车车辆动荷载以及风、沙、雨、雪和温度变化等自然条件的长期影响下，会 不可避免地产生变形和损伤。轨道的变形包括弹性变形和残余变形( 永久变 形) ，其中残余变形随着列车荷载的反复作用，逐渐累积，最终导致道床甚 至整个轨道结构的下沉。由于铁路沿纵向轨道结构的非均匀性和轨道状态的 差异，会使轨道的不同区段、不同部位在相同的列车荷载作用下所产生的残 余变形量不同，从而由各次残余变形累积所形成的道床及整个轨道结构的下 沉量也不相同。这样，原来平顺的轨面，就会由于不均匀的道床或轨道下沉 而产生轨道不平顺。轨道残余变形和累积损伤的存在，不仅影响列车的高速、 平稳运行，且当变形和伤损积累到一定程度，将大大降低和削弱轨道结构的 强度和稳定性，威胁行车安全。轨道结构和一般工程结构的显著差别就在于， 要在运营条件下及时消除轨道的永久变形和严重损伤。铁路轨道是一种边运 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 营、边破坏、边修理的工程结构物。为保证列车安全、平稳、不间断地运行， 铁路轨道必须保持良好的技术状态和质量均衡。为此，就必须对轨道状态进 行适时的、定期的系统检查，及时发现病害，合理地制订养护维修计划和作 业计划，有针对性地对轨道出现的各种变形和损伤采取必要的维修措施，以 不断保持和提高线路设备质量，使轨道处于良好技术状态，最大限度地延长 轨道设备的使用寿命。 铁路运输属轮轨系统运输模式，车辆与轨道系统处于特定的耦合振动形 态之中，车辆与轨道相互作用，轨道几何形位的变化，轨道结构的变形和损 伤，是车辆系统和轨道系统相互作用再加上外界自然因素的影响而形成的。 轨道的累积下沉变形由于列车轨道相互作用产生的轨道动荷载诱发产生， 轨道的下沉变形结果又会叠加到原始轨道形态之上，进一步影响车辆与轨道 的动态作用，使轮轨间动作用力加剧，从而使列车运行的舒适性和安全性受 到影响。反过来，较大的轮轨动力作用会进一步加大轨道的下沉变形和破坏， 增加轨道养护维修工作量，缩短轨道维修周期，加大轨道养护维修费用，如 此形成“恶性循环”。可见，轨道的下沉变形和车辆轨道耦合振动系统间是 一个相互作用，相互影响的过程，研究轨道的下沉变形离不开对车辆轨道 耦合振动系统的分析和研究，要想获得与铁路运输实际较为接近的车辆一轨 道动力相互作用结果，也不能忽略轨道下沉变形以及由其产生的轨道不平顺 对轮轨动态响应的影响。 由于车轨动态相互作用以及轨道状态变化受运输条件、线路状况以及养 护维修作业和外界环境等多方面因素影响，再加上轨道荷载的随机性和重复 性、轨道结构的组合性和有砟轨道道床的散体性，决定了研究的复杂性和研 究难度。其中，道床工程性能的研究就极其困难。这主要是因为，由于道床 的散粒体结构特性，使其不能像钢轨、轨枕等轨道结构部件那样可以作为一 个完整的试件从现场搬回试验室，进行预期的试验。其次道床受力情况复杂， 不能像钢轨、轨枕等部件那样，可以用集中荷载来模拟外力的作用，而必须 在模拟列车动荷载引起的轴向荷载作用的同时，模拟周边应力。另外，道床 的影响因素也极其复杂，道床的性能不仅和道砟材质、粒径级配及道砟颗粒 外形等因素有关，还和道床的状态，如道床密实程度、脏污状况、养护维修 条件等有关。因此，研究轨道的累积下沉变形以及由此产生的轨道破坏问题， 首先遇到的困难就是道床的工程性能分析和描述。 故研究轨道的累积下沉变形及其破坏规律不能仅从单一结构分析入手， 应按照系统工程的思想和原则，立足铁路大系统范畴，借助室内外试验、现 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 场检测与仿真分析相结合的手段，综合考虑多方面因素。 1 2 国内外铁路轨道维修管理概况 高速、重载铁路的发展，对铁路线路修建、养护标准提出了更高要求。 为适应高速行车和繁重运输任务的需求，高速、重载铁路必须加强线路的检 测、监视和维修管理工作。日本、德国、法国等高速铁路国家之所以能保持 铁路的良好运营，是因为他们通过现代科技手段积极地解决运输和养护维修 之间的矛盾。国外铁路轨道管理的成功经验是，把轨道维修管理作为一项系 统工程，利用系统工程的观点和分析方法，采用现代科技手段来管理轨道， 实现了人力、物力、财力的合理安排。 日本是世界上开通高速铁路较早的国家之一，其新干线是目前高速铁路 运营状况最好的铁路，高速铁路的安全性和经济性在此得到了充分体现。日 本新干线的良好运营归功于其建立的一套良好的轨道管理体系。日本于2 0 世纪5 0 年代初就提出并建立了以轨道下沉研究为主体的轨道下沉破坏理 论，之后相继研究了轨道不平顺与车辆振动、轨道质量状态与行车安全性和 乘坐舒适性、列车动荷载与轨道下沉变形发展关系等课题，并以轨道不平顺 测定与评价为中心，开发了轨道管理数据库系统。在以上研究基础上，日本 逐步开发并完善了轨道管理信息系统【1 3 37 1 。就工务工作而言，日本的管理 信息系统较为完善。 德国铁路在轨道日常保养、动静态检测和轨道维修方面坚持科学化管 理，根据轨道实际状态制定维修计划，实行日常保养、预防性计划维修、紧 急补修的维修管理制度，坚持养修分开的线路养护，实行高标准的线路大修 【3 8 】。德国铁路为高速铁路基础设施管理和维修提供了良好经验。 法国是最早研究并发展高速铁路的国家之一，多次刷新了世界最高速度 记录。法铁在高速铁路建设方面处于世界领先地位，具有先进的技术和丰富 实践经验 39 1 。法铁轨道技术水平高、线路平顺、几何偏差小、稳定性好， 受到各国铁路界的称赞。法国t g v 有砟轨道的平顺性和稳定性完全能保证 高速列车安全、平稳运行，其有砟轨道成功运用的经验值得我们大力学习和 参考。法铁从轮轨相互作用关系入手，研究速度提高后，轨道不平顺对脱轨 安全性、机车车辆振动、轮轨作用力的影响。以保持轨道平顺性为目的，研 究轨道结构加强措施、改进轨道管理和控制轨道初始不平顺，使线路长期保 持稳定、安全的技术状态。法铁对铁路轨道实施预防性计划维修管理，根据 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 轨道实际状态制定维修计划，既防止了轨道的欠维修，又避免了轨道过维修， 并减少了对轨道不必要的扰动。根据防止高速列车产生过大轮轨力和保证乘 车舒适性的要求，法铁制定了轨道高低、轨向、水平、轨距等不平顺的保养 标准和车体及构架振动管理标准；采用轨检车、车辆振动监测装置、探伤车 等定期监测轨道状态，指导轨道养护维修；利用现代计算机技术，建立了轨 道状态数据库，有效帮助了轨道维修、大修计划的制订。 北美铁路作为世界重载运输的典范，其轨道管理及监测技术也极具代表 性【4 。从合理维修角度出发，北美铁路划分了线路养护等级，制订了轨道 状态管理标准系列，其中包括“轨道安全标准”。根据“轨道安全标准”将轨道 划分成1 6 级，规定了各级轨道中货物列车和旅客列车的最高允许行车速 度，规定了路基、轨道几何状态和轨道部件的安全限度，以及轨道监测周期 等。北美铁路研究开发了先进的轨道监测和诊断设备，并在工务管理中积极 应用计算机技术，建立了轨道状态数据库，可输出轨道状态和轨道部件( 钢 轨、轨枕、道床等) 的各种管理图表，用以正确选择作业区段和作业项目， 用最少的经济投入，取得了最佳技术效果。 英国是世界上修建铁路最早的国家，在轨道基础设施开发和轨道管理方 面，始终处于世界领先水平【4 1 1 。此外，瑞士、荷兰、欧洲铁路研究所等在 轨道管理技术方面也做了大量研究工作【l4 | 。2 0 世纪8 0 年代末及9 0 年代初， 上述国家均根据本国铁路状况，研究开发了各具特色的轨道养护维修管理信 息系统【1 4 , 4 2 4 6 。 我国在轨道状态测量、评定和管理，以及工务设备管理方面亦做了大量 卓有成效的工作，但相比国外铁路发达国家还显落后【4 m 引。我国轨道维修 工作经历了建国初期的“事后修”，2 0 世纪5 0 年代中期的不分轨道结构、运 输强度、施工手段、自然条件一律实施一年一遍综合维修的“预防修”， 2 0 世纪8 0 年代初期的按不同轨道结构及累计通过总重为定量的综合维修周 期，以及2 0 世纪8 0 年代后期的根据轨道实际状态实施的预防性计划维修体 制。维修工作逐渐及时、合理化。但是，就轨道工务管理技术和管理工作系 统性来说，我们还落后于铁路发达国家。理论研究方面，国内还没有较系统、 全面地开展有关轨道下沉破坏的研究，对轨道结构特性的描述多是通过轨下 基础总刚度测试和分析来反映【5 0 5 1 1 ，对道床累积下沉变形单独进行研究刚 刚起步 5 2 55 1 ，国内道床累积变形经验公式缺乏线路现场试验验证，论证不 足。针对运营阶段路基累计下沉变形的研究较少。涉及重载运输轨道下沉破 坏特性的研究尚未见到。线路状态检测方面，我