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高速铁路无砟轨道动力特性及相关应用研究

Ammar A.M.Shubber(夏伯)  
【摘要】: 随着铁路朝着长大、高速、重载发展,轨道领域也取得了长足进步。无砟轨道在高速铁路建设和运营中有诸多优点,比如稳定性好,养护维修量小,因而被广泛地应用于世界各地的高速铁路上。 在综合考虑了国内外相关领域情况的基础上,通过理论分析和实验研究,建立了高速铁路无砟轨道的分析模型和计算方法。主要工作和结论如下: 1.建立高速动载作用下的无砟轨道计算模型和仿真方法 为明确影响高速动荷载条件下轨道动力学特性的主要因素,研究并比较了一系列不同的模型对列车动荷载的响应。 在模型的参数方面,主要考虑了路基结构、路基和橡胶垫板的阻尼,并考虑了由于轨枕点支承导致的轨道空间几何不连续所引起的轨道-路基相互作用。 基于弹性地基上的梁-板模型,建立了轨道的仿真模型,分析其动力学特性。钢轨采用欧拉梁,承载层用弹性薄壳层模拟,扣件、CA砂浆和路基均采用弹簧阻尼器模拟,用有限单元方法进行建模。编制了仿真模型的计算程序,并用已有的结论进行了验证。 总结并讨论了高速铁路轨道在动荷载作用下的特性和规律。 计算给出了高速移动荷载下的轨道动力响应,并研究了列车速度对动力响应的影响。结果表明,随着列车速度的提高,CA砂浆层的动弯应力和路基中的动应力均随之增长。 分析了由于高速列车对地面的激振引起的弹性附加牵引力。弹性附加牵引力的大小与空气阻力引起的附加牵引力大小相当甚至更大。因此,在高速条件下,弹性附加牵引力的大小作为能量损失的根源之一,是一项重要的设计准则。 2.建立轮轨接触不平顺作用下的垂向力与变形计算模型和仿真方法 建立了高速铁路轨道不平顺导致的轮轨相互作用模型,并进行了计算、模拟分析以及深入探讨。 基于线路垂向相互作用关系,用非线性有限元方法建立了轨道的整体模型,并编制了计算程序。将理论计算结果与遂渝线无砟轨道试验段现场测试结果进行了比较,发现两者在很大程度上是一致的,计算和模拟分析所采用的方法是正确、合理的。 3.研究高速动载作用下刚度和阻尼对轨道性能的影响 对刚度和阻尼的影响效果的研究表明,路基刚度主要影响底座板加速度,但影响较小。增大路基和橡胶垫板的阻尼能降低临界速度下的轨道振动的放大效应,同时也会导致弹性牵引力的明显增加。因而阻尼的增加会造成相当大的能量损失,这对高速交通是不利的。 4.研究高速动载作用下列车临界速度和路基状况对无砟轨道性能的影响 研究了恒定移动荷载下路基分层对轨道动力响应的影响,结果表明这种影响是相当明显的。 结果显示,列车的临界速度受轨道和列车的自重恒载的限制,且大小接近于轨道周围地面下的瑞利波速度。这个结论无论是对埋入式的无砟轨道还是对普通的有砟轨道都适用。临界速度的大小主要取决于路基土的力学特性和含水量。松软土的临界速度大概在150-300 km/h之间,而现代的高速机车是可以达到这个速度的。因此必须仔细探讨在这种情况下会出现什么问题。 路基土层的厚度和力学性能的变化能够改变临界速度的大小,降低或增大轨道动力响应的扩大效应,改变轨道响应的型式。 5.提出一种适用于国内高速铁路轨道的检测和养护维修技术 讨论了世界各国广泛采用的检测和养护维修技术,在此基础上提出了适用于中国高速铁路无砟轨道的技术。这些技术可能对既有线和客运专线的运营、养护维修以及改建大有裨益。


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