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高速铁路无砟轨道结构受力及轮轨动力作用分析

罗震  
【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—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CRH2、CRH3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—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—板—板有限元模型模拟板式轨道,采用梁—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—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200~350 km/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CAM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。


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