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《北京交通大学》 2019年
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路基冻胀下CRTSⅢ型板式无砟轨道变形特征及动力影响研究

梁延科  
【摘要】:随着高速铁路在季冻区的大范围修建,路基冻胀问题已成为亟待解决的重大技术难题。路基冻胀会导致无砟轨道产生不平顺及层间离缝,直接影响列车的安全平稳运行及结构服役性能,是严寒地区高速铁路冬季限速的关键因素。既有研究中,针对路基冻胀机理和控制措施等研究较多,对路基冻胀下无砟轨道力学行为的研究相对匮乏。因此开展路基冻胀引起的一系列与无砟轨道平顺性、车辆动力特性相关的研究至关重要,可为严寒地区高速铁路设计和维护提供理论参考。本文以CRTSⅢ型板式无砟轨道作为研究对象,建立了考虑混凝土塑性和钢筋影响的车辆-无砟轨道-路基空间耦合静动力学模型,从冻胀变形与轨面不平顺间的映射关系、冻胀下无砟轨道层间离缝分布及发展规律、冻胀对车辆-轨道系统动力响应的影响3个方面进行了分析,并对冻胀区路基变形标准及预测诊断开展了研究。主要研究成果及结论如下:(1)建立了高速铁路路基热力学模型,研究了冻胀区路基时空变形特征,提出了采用上凸型余弦曲线来模拟路基不均匀冻胀。基于有限元和混凝土塑性本构理论,揭示了无砟轨道采用混凝土塑性+钢筋网的必要性。另外,分析得出在不同冻胀位置、冻胀量、冻胀波长下对幅值传递比影响较小,短波情况下对波长传递比影响较大;阴阳坡效应会引起横向不平顺,加剧钢轨不平顺性;均匀多波冻胀对钢轨不平顺变化率基本没有影响,非均匀多波冻胀下会有所减小。(2)基于建立的无砟轨道空间耦合静力学模型,研究了不同冻胀情况下无砟轨道层间离缝分布及发展规律。研究表明,当冻胀作用在轨道板中部时结构层间离缝长度达到最大值;随着冻胀量的不断增大,离缝高度和离缝长度逐渐增大;随着冻胀波长的逐渐增大,离缝高度和离缝长度均呈减小趋势,且减幅逐渐减小。整体升温、正负温度梯度荷载与冻胀共同作用会使自密实-底座板层间离缝长度增加,整体升降温和负温度梯度与冻胀共同作用会使离缝高度增加。底座板与基床表层之间的离缝在横向位置是从中间向两边逐渐扩展的,而且扩展速度较快,很快形成横向贯通;当粘结强度达到1.0MPa时,基本没有离缝产生。(3)建立了车辆-无砟轨道-冻胀路基空间耦合动力学模型,分析了严寒地区不同冻胀和运营条件对车辆动力学指标的影响。研究发现,轮重减载率对冻胀波长更敏感,车体垂向加速度对冻胀量更敏感,应重点关注冻胀量大于15mm、冻胀波长小于15m路基冻胀地段。施加无砟轨道随机不平顺后,车辆各动力学指标变化趋势基本没有变化,但各指标均略有增大;在路基融沉作用下,车辆各动力学指标变化趋势与路基冻胀相反,但由于严寒地区路基融沉量较小,与路基冻胀相比均要小很多。随着列车速度的增加,车辆各动力学指标不断增大,轮重减载率增幅最大,轮轨垂向力影响最小。列车降速能有效保证高速铁路的安全运营。(4)基于自密实-底座板间离缝的静力学控制指标和基于轮重减载率及车体垂向加速度综合影响的动力学控制指标,提出了静动力学结合的路基冻胀控制标准。利用RBF神经网络模型实现了对路基冻胀波长和冻胀量的初步识别,并通过函数关系式建立了冻胀波形与轮轨垂向力之间的联系。最后,设计了冻胀区路基变形智能诊断装置,自制了车体加速度数据采集模块,为严寒地区高速铁路维护方法提供了理论参考。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:U213.244

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