高速鐵路無碴軌道過渡段路基的動力特性研究.pdf

1、武廣客運專線要求全線鋪設無碴軌道，與普通線路的有碴軌道相比，對路基的變形要求更嚴、更高，工后沉降不能超過30mm，甚至要求地基為“零沉降”，任意路基地段20m長度范圍的不均勻沉降不得大于20mm/20m，路橋(涵、隧)過渡段或任意兩段路基沉降造成的折角不得大于1/1000，沉降差異造成的錯臺不大于5mm。因此，無碴軌道過渡段的剛度值平穩(wěn)變化以及減少差異沉降和控制軌面彎折變形等措施，是保證線路平順性的關鍵。由于線路過渡段剛度值不連續(xù)、差異

2、沉降、軌面彎折的存在，將使路面在臺背回填土處發(fā)生沉陷或開裂，從而會破壞線路的平順、危害行車安全，并影響到旅客乘車的舒適度。隨著我國高速鐵路無碴軌道的建設，對過渡段問題的重視就顯得比以前更為重要，本文基于國內(nèi)外過渡段的研究現(xiàn)狀，結合博士點基金項目和鐵道部科技攻關課題，通過理論分析、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬等方法，對無碴軌道路-橋-隧過渡段結構系統(tǒng)的動力計算模型進行了深入的探討，取得了以下幾方面的主要研究成果和結論： (1)基于

3、D’Alembert原理的弱變分和整體Lagrange格式，建立了無碴軌道路-橋-隧過渡段半無限三維空間動力有限元計算模型。該模型視路-橋-隧過渡段結構為一個相互作用的整體，不同的結構采用不同的單元離散，其中，地基層采用無限元，以消除邊界效應的影響。不同材料接觸面之間相互耦合，無相對位移。該模型充分地考慮了系統(tǒng)的空間、時變、耦合特性及路-橋-隧過渡段的設計斷面和設計參數(shù)，可提供無碴軌道路-橋-隧過渡段系統(tǒng)的動態(tài)響應時程及動態(tài)響應場分布等

4、，具有合理選擇無碴軌道過渡段設計參數(shù)、優(yōu)化設計及預測動力性能等功能，從而為高速鐵路無碴軌道過渡段系統(tǒng)的設計提供了理論分析依據(jù)。 (2)基于 Timoshenko梁假設和剛體力學理論，建立了各種不同性質(zhì)的單元耦合約束方程，并使用Lagrange增廣法，對其進行了有效的處理，很好地解決了無碴軌道路-橋-隧過渡段結構系統(tǒng)因相互銜接而引起的建模問題。 (3)材料變形特性的計算模型采用了線性、非線性彈性、Drucker-Prage

5、r、混凝土彈塑性等本構模型；車輛系統(tǒng)與無碴軌道路-橋-隧過渡段系統(tǒng)之間的耦合作用，是通過垂向平面內(nèi)對外力輸入來進行的。整體剛度矩陣方程的求解采用Newmark隱式積分法進行，因計算模型中包含有大量的耦合約束方程，采用了波前求解器和縮減法求解器。 (4)利用道床荷載“錐體分布”和“質(zhì)量-彈簧-阻尼”理論，獲得了過渡段結構等效剛度及剛度變異閾值的一般列式，并對過渡段兩側(cè)等效剛度進行了仔細討論，進而指出過渡段剛度小的一側(cè)剛度取值不僅與

6、過渡段剛性大一側(cè)的材料屬性有關，而且還與其自身的材料屬性有關，除此之外，還與其兩側(cè)不平順波的振幅、波長和車速有關。 (5)引入小波分析和現(xiàn)場大量實測數(shù)據(jù)的時頻分析，獲取了路基面動應力、振動加速度、動應力速度動力系數(shù)變化特征，進而提出了各類過渡段都存在相應“臨界速度”，并指出過渡段路基合適的“超高”填筑可以減小過渡段的動態(tài)響應。 (6)通過對水泥穩(wěn)定碎石層各種性能的試驗分析，得出級配碎石摻入5％～5.5％水泥劑量是合適的，

7、能滿足過渡段各類功能的要求。試驗還發(fā)現(xiàn)不同級配碎石都存在一個動應力的臨界值，此時動彈模量最大。 (7)運用無碴軌道路-橋-隧過渡段耦合動力學理論，建立了高速鐵路路-橋-隧過渡段與無碴軌道相互作用的動力學模型，研究了輪重、車速、不平順和材料特性與無碴軌道過渡段結構系統(tǒng)相互作用的動態(tài)響應特征，并指明了在車輛移動荷載作用下，確定過渡段軌下結構型式、不平順、材料特性、基床表層厚度和動態(tài)響應分布、傳遞特征、路堤本體工后沉降以及剛度值差異、