（道路与铁道工程专业论文）轨道左右不对称的列车—FBS型无砟轨道系统动力响应分析.pdf

摘要 随着我国高速铁路客运专线和城市轨道交通的快速发展，无砟轨 道以其稳定性高、维修工作量显著减少和技术相对成熟等特点得到较 快发展。由于列车的高速运行，列车、无砟轨道的动力响应越来越受 到铁路科技工作者的关注。 在以往的研究中，为了简化计算，大多将车一轨模型假想为完全 对称的，这种简化在某些情况下( 例如：左右轨总是在相同的位置出 现相同的不平顺，左右轨下基础支承完全对称) 是合理的，但在某些 情况下( 如：左右轨道不对称支承，左右轨道出现不对称不平顺) 这 种车一轨模型并不精确，所以有必要建立轨道不对称的车一轨模型。 本论文研究了轨道左右不对称的车辆- - f b s 型无砟轨道系统的动力 响应。主要完成了以下工作： 1 视车辆、轨道为整个系统，车辆模拟为由弹簧和阻尼器连接 的多刚体，具有1 4 个自由度；将钢轨模拟为两根离散粘弹性支点支 承的e u l e r 长梁；轨道板模拟为连续粘弹性基础支承的e u l e r 短梁。 应用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的“对号入座”法 则，建立了列车一轨道系统竖向振动矩阵方程，采用w i l s o n - 口法求 解，获得系统的动力响应，编制了相应的m a t l a b 计算程序。 2 将确定周期性正弦不平顺做为系统激振源进行计算分析，输 出了车一轨系统的主要动力响应，通过与已有文献结果的对比，验证 了本文模型与程序的正确性。 3 根据建立的轨道竖向自由振动分析模型，运用子空间迭代法 对f b s 型无砟轨道进行了自振分析，列出了前五阶竖向自振频率和 振型图。 4 采用三角级数法，由m a t l a b 编程得到轨道高低随机不平 顺样本，并输出了郑武线轨道不平顺样本。 5 分别研究了左轨扣件松脱、左轨存在局部不平顺以及左右轨 存在随机不平顺对车辆- - f b s 型无砟轨道系统动力响应的影响，同 时还分析了系统动力响应随列车运行速度的变化规律。 关键词f b s 型无砟轨道，不对称，动力响应，随机不平顺，自 振频率 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e sa n dc i t y m a s st r a n s i ti nc h i n a ，b a l l a s t l e s st r a c k sh a v eb e e nr a p i d l yc o n s t r u c t e df o r i t sh i g h e rs t a b i l i t y ，l e s sm a i n t e n a n c ea n dm a t u r et e c h n i q u e a sar e s u l to f t h eh i g h s p e e do ft r a i n ，t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h et r a i na n db a l l a s t l e s s t r a c ka t t r a c tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb ys c i e n t i s t s m o s to ft h ev e h i c l e t r a c km o d e l si nt h el i t e r a t u r ea s s u m e d s y m m e t r i cv e h i c l e t r a c ki no r d e rt os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n g e n e r a l l y s p e a k i n g ，t h i ss i m p l i f i c a t i o ni sr e a s o n a b l ef o rm a n yc a s e s ，s u c ha sv e r t i c a l i r r e g u l a r i t ya p p e a ra tt h es a m ep o s i t i o no nb o t hr a i l s ，o rt h el e f ta n dr i g h t r a i l s 州t l ls y m m e t r i c a ls u p p o r te t c h o w e v e r ，f o rt h ea s y m m e t r i c a lc a s e s ， s u c ha st h el e ra n dr i g h tr a i l sw i t ha s y m m e t r i c a ls u p p o r t ，a n dt h ev e r t i c a l i r r e g u l a r i t yo ft h el e ra n dr i g h tr a i l sb e i n ga s y m m e t r ya n ds oo n ，a n s y m m e t r i c a l v e h i c l e - t r a c km o d e li sn o t a c c u r a t e t h e r e f o r e ，a n a s y m m e t r i c a l v e h i c l e - t r a c km o d e ls h o u l db e d e v e l o p e d t os o l v e a s y m m e t r i c a lp r o b l e m s t h i st h e s i ss t u d i e st h ev e r t i c a ld y n a m i cr e s p o n s e o ft r a i n - f bsb a l l a s t l e s st r a c ks y s t e m ，w h i c ht h el e ra n dr i g h tt r a c ka r e a s y m m e t r i c 1 1 1 em a j o rj o b sc o m p l e t e da r ea sf o l l o w s 1 t h ev e h i c l ea n dt r a c ka r ec o n s i d e r e da sa ne n t i r es y s t e m t h e v e h i c l ei sm o d e l e da sam u l t i r i g i db o d yw i t h14d e g r e e so ff r e e d o m c o n n e c t e db ys p r i n g sa n dd a m p e r s t h el e f ta n dr i g h tr a i l sa r es i m u l a t e d a st w ol o n ge u l e rb e a m ss u p p o r t e db yd i s c r e t ev i s c o e l a s t i cs u p p o r t s ，a n d t h es l a bi ss i m u l a t e da sas h o r te u l e rb e a ms u p p o r t e db yc o n t i n u o u s l y v i s c o e l a s t i cf o u n d a t i o n t h ev i b r a t i o ne q u a t i o no ft h et r a i n t r a c ks y s t e m a r ef o r m u l a t e db yu s i n gt h e p r i n c i p l eo ft o t a lp o t e n t i a le n e r g yw i t h s t a t i o n a r y v a l u ei n e l a s t i c s y s t e md y n a m i c s a n d t h e “s e t - i n r i g h t p o s i t i o n r u l e f o rf o r m u l a t i n gm a t r i x e s t h ee q u a t i o n sa r e s o l v e db yt h ew i l s o n - a s t e p - i n - s t e pi n t e g r a t i o nm e t h o d ，t h e nt h ed y n a m i c r e s p o n s e so ft h es y s t e mc a nb eo b t a i n e d 乃ec o r r e s p o n d i n gc o m p u t e r p r o g r a mi sc o m p i l e dw i t hm a t l a b 2 w i t hc e r t a i ns i n ew a v ep e r i o d i c a l i r r e g u l a r i t y a s v i b r a t i n g r e s o u r c e ，s o m et i m e h i s t o r yo ft h es y s t e ma r eg i v e n c o m p a r e dw i t ht h e r e s u l t so b t a i n e db yt h el i t e r a t u r e ，t h ec o r r e c t n e s so ft h ep r e s e n t e dm o d e l a n dp r o g r a ma r ev e r i f i e d 3 o nt h eb a s i so ft h et r a c kv e r t i c a lf r e ev i b r a t i o nm o d e l ，t h ef r e e v i b r a t i o no ft h ef bsb a l l a s t l e s st r a c ki sa n a l y z e db ym e a n so fs u b s p a c e i t e r a t i o nm e t h o d t h ef i r s tf i v ev e r t i c a lf r e ev i b r a t i o nf r e q u e n c i e sa n d m o d e sa r ep u tf o r w a r d 4 t h er a n d o mv e r t i c a l i r r e g u l a r i t ys a m p l e s a r ef o r m u l a t e db y t r i g o n o m e t r i cp r o g r e s s i o nm e t h o da n dc o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a m i sc o m p i l e dw i t hm a t l a b ，t h er a n d o mv e r t i c a li r r e g u l a r i t ys a m p l e so f z h e n g z h o u w u c h a n gl i n ea r ep u tf o r w a r d 5 t h ee f f e c t so ft h el e f tr a i lf a s t e n e rl o o s e n e s s ，t h el e f tr a i lw i t h l o c a l v e r t i c a li r r e g u l a r i t y ，t h el e f ta n dr i g h tr a i l s 谢t l lr a n d o mv e r t i c a l i r r e g u l a r i t yo n t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h ev e h i c l e f b sb a l l a s t l e s st r a c k s y s t e ma r es t u d i e d ，a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s er u l e o ft h es y s t e ma t d i f f e r e n ts p e e di sa n a l y z e d k e yw o r d sf bsb a l l a s t l e s st r a c k ，a s y m m e t r y ，d y n a m i c r e s p o n s e ，r a n d o mv e r t i c a li r r e g u l a r i t y ，f r e ev i b r a t i o nf r e q u e n c y i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 盟望焦 日期：埠年互月斗日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 导师签硅牟嗍毕月斗日 硕+ 学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在2 0 0 4 年2 月举行的全国铁路工作会议上，铁道部全面部署了中长期铁 路网规划实施的启动工作，描绘了我国铁路发展的宏伟蓝图：到2 0 2 0 年，我 国铁路营业总里程将达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电 化率均将达到5 0 ；要建设“四纵四横 快速客运专线及三处城际快速轨道交 通系统，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国 际先进水平。2 0 0 8 年4 月，时速3 5 0 公里的京沪高速铁路全面开工建设将我国 高速铁路建设推向了一个高潮。2 0 0 8 年北京奥运会前夕，时速3 5 0 公里的京津 城际客运专线的开通更是再一次证明了中国高速铁路的迅猛发展。 铁路是一个非常复杂的系统，其中，轨道是铁路的主要技术装备之一，是 行车的基础f i 】。由于车辆荷载是一复杂的动力作用过程，从而增加了铁路轨道 的研究难度【2 3 1 。轨道必须坚固稳定，并具有正确的几何形位，以确保机车车辆 的安全运行【4 7 】。根据铁路轨道结构中是否存在碎石道床，把轨道划分为传统的 有砟轨道与无砟轨道。 传统的有砟轨道自诞生之日起，就显示出稳定性差的缺点，其原因在于碎石 道床在列车荷载的作用下，产生变形及道砟的磨损和粉化，而无砟轨道以其稳定 性高、耐久性强和少维修( 甚至免维修) 等特点逐渐成为现代高速铁路轨道的主 要结构型式之一。 常见的无砟轨道结构有三种：板式轨道、长枕埋入式无砟轨道和弹性支承块 式无砟轨道。德国铁路( d b ) 很早便采用过长轨枕埋入式无砟轨道，即所谓的r h e d a 型轨道，其轨下基础是由轨枕直接浇注在钢筋混凝土道床板内组合而成的，它的 所有弹性来自轨下胶垫。近年来，d b 又发展出许多相关的系列，并尝试在土路基 上铺设。英国铁路( b r ) 在英吉利海峡隧道内铺设了弹性支承块式无砟轨道，其 特点是在钢轨扣件点处设置混凝土支承块，块下设有弹性胶垫，块周围加设橡胶 靴套，从而取得减震效果。日本在新干线高速铁路高架桥上已大量使用板式轨道， 即所i w s l a b 轨道，很明显，它有轨下胶垫和轨道板下c a 砂浆两个减振环节。1 9 9 7 年1 0 月修建完成的北陆新干线( 高琦一长野) ，全长1 2 5 7 k m ，其中8 4 0 5 的轨道结 构采用板式无砟轨道，获得巨大的成功。我国已在秦岭隧道中铺设了弹性支承块 式无砟轨道，并在秦沈( 秦皇岛一沈阳) 快速客运专线上分别试铺了板式和长枕 埋入式无砟轨道，取得经验后将在修建中的京沪高速铁路上推广应用【4 】。 硕十学位论文第一章绪论 有鉴于此，列车、无砟轨道的动力响应问题越来越受到工程研究人员的重视。 在以往的研究中，为了简化计算，大多将车一轨模型假想为完全对称的，这种简 化在某些情况下( 例如：左右轨总是在相同的位置出现相同的不平顺，左右轨下 基础支承完全对称) 是合理的，但在某些情况下( 如：左右轨道不对称支承，左 右轨道出现不对称不平顺) ，这种对称的车一轨模型并无法准确模拟。由于f b s 型无砟轨道( 柔性( f l e x i b l e ) 充填层+ 凸形挡台结构( b o l l a r d ) 的板式( s l a b ) 无 砟轨道) 在高速铁路中应用较为广泛，本文拟以轨道左右不对称的列车- - f b s 型 无砟轨道系统作为研究对象，对其动力响应进行探讨。 1 2 国内外无砟轨道的应用现状 无砟轨道结构是用耐久性好、塑性变形小的材料代替道砟材料的一种轨道结 构形式。由于取消了碎石道砟道床，轨道保持几何状态的能力提高，轨道稳定性 相应增强，维修工作量减少，成为高速铁路轨道结构的发展方向。 1 2 1 国外无砟轨道结构应用状况 4 0 多年来，国外出现1 0 0 多种无砟轨道的结构形式( 其中德国有9 9 种形式) ， 但只有近3 0 种无砟轨道结构形式得到试铺和运用，铺轨长度不到4 0 0 0 k m f 8 j 1 1 ， 主要铺设在隧道内和桥梁上( 占总长度的8 2 ) ，路基上仅占1 8 ，且主要铺设 在德国铁路线路上( 占路基总铺设长度的7 2 ) 。 1 2 1 1 日本板式无砟轨道 无砟轨道在高速铁路上的应用始于1 9 7 1 年日本山阳新干线，其后在日本获 得迅速发展，并得到广泛应用( 如表1 - 1 所示) ，2 0 世纪8 0 年代以来修建的新 干线，无砟轨道比例都在8 5 以上。到目前为止，其板式轨道累计铺设里程已达 到2 7 0 0 多延长公里。目前常用的有普通a 型轨道板( 图卜1 ) 、框架型轨道板、 用于特殊减振区段上的防振g 型轨道板及早期用于路基上的r a 型轨道板等。 溘誓i ( p ct r c ) 图1 - 1 普通a 型板式无砟轨道 2 硕+ 学位论文第一章绪论 但是，应当看到，日本新干线桥隧比例比较大，截至到2 0 0 4 年，在路基上 无砟轨道铺轨长度仅有9 0 k m ，占无砟轨道铺设总长度的3 左右。 表1 - 1日本新干线无砟轨道应用情况 线别线路总长度( k m )无砟轨道长度( k m )无砟轨道比例( ) 合计2 1 9 61 3 0 0 5 9 九州新干线( 2 0 0 4 ) 1 2 71 1 38 9 北陆新干线( 1 9 9 7 ) 1 2 41 0 98 8 东北新干线( 1 9 8 3 )5 9 85 4 1 9 1 上越新干线( 1 9 8 2 ) 2 7 02 5 69 5 山刚新干线两段( 1 9 7 5 ) 3 9 82 7 36 9 山刚新干线东段( 1 9 7 2 )1 6 485 东海道新干线( 1 9 6 4 ) 5 1 50o 从日本无砟轨道应用情况来看，应注意两个特点： ( 1 ) 板式无砟轨道结构形式向框架式结构方向发展 2 0 0 2 年1 2 月开通运营的东北新干线盛冈- ) k 户段及2 0 0 4 年3 月开通运营 的九州干线新八代一鹿儿岛段，全部采用了框架式轨道结构。这两个地段，前者 属寒冷地区，后者属温暖地区。盛冈- a 户段框架式结构的应用，打破了日本过 去制定的框架结构只用于隧道内和温暖地区的规定，且在其承包的中国台湾高速 铁路上除道岔区外，全部采用框架式结构，表明框架式结构正成为日本新干线无 砟轨道结构的发展方向。 ( 2 )日本路基上铺设无砟轨道的数量很少 日本在路基上铺设无砟轨道始于北陆新干线1 0 8 k m 的试验段，其后在盛冈 - a 户和新八代一鹿儿岛段路基地段铺设框架式无砟轨道。截至到2 0 0 4 年，在 路基上无砟轨道铺轨长度仅有9 0 k m 。需要注意的是，日本东海道新干线修建时 采用了较低的路基、桥梁和轨道标准，特别是路基工后沉降标准为1 0 c m ，路基 结构形式和处理方法都欠妥当，致使线路建成后长期达不到2 5 0 k m h 的设计速 度，实际运营速度只有2 1 0 k m h ，还经常出现翻浆冒泥，虽然在运营1 0 年时就 进行了大规模整修，但仍难以彻底解决路基引发的根本性问题，慢行地段不能完 全消灭。这个教训促使日本在修建其他新干线时，完全改变了观念。一方面，加 强地质勘测工作；另一方面，对地基不良地段进行科学处理，慎重对待，没有把 握就采取以桥代路的办法，其新干线路基比例除东海道新干线高达5 3 外，其后 修建的新干线平均为8 6 。根据日本新干线的建设理念，可以理解为这些没有 采取以桥代路措施的路基地段，地质条件比较好，路基沉降能够得到控制。 3 硕十学位论文第一章绪论 1 2 1 2 德国无砟轨道 德国也是研究无砟轨道较早的国家之一，从二十世纪六十年代开始无砟轨 道的研究，曾试铺过十余种无砟轨道结构。其中r h e d a ( 雷达) 无砟轨道1 9 2 k m ， 占无砟轨道总长度的7 7 4 ，其后依次为z u b l i n ( 旭普林) 、b t d 和a t d 。目 前，德国联邦铁路局( e b a ) 批准为标准结构形式的有r h e d a 、z t i b l i n 、b o g l 、 a t d 和g e t r a c ( 铺设在曼海姆巴黎铁路的两个隧道内) 5 种，其中a t d 和 g e t r a c 只适用于2 0 0 k m h 线路上【1 2 j 。 最近开发的r h e d a - - 2 0 0 0 型轨道( 图1 - - 2 ) 已投入商业应用，如应用在纽伦堡 一英戈尔施塔特、荷兰、我国台湾高速铁路的道俞区上【1 3 】。其结构特点是：由 两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原r h e d a 型中的整体轨枕；取消了 原结构中的槽形板，统一了隧道、桥梁和路基上的结构型式；同时，轨道的建筑 高度从原来的6 5 0m m 降低为4 7 2m m 。r h e d a - 2 0 0 0 型中的特殊双块式轨枕只保留 承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土，其余为桁架式的钢筋骨架，使之与现场 灌筑混凝土的新、老界面减至最少，有利于提高施工质量和结构的整体性。同时 建筑高度的下降，对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。我国武广客运专线 就引进、消化、吸收了r h e d a - 2 0 0 0 无砟轨道相关技术。 图1 - 2r h e d a 一2 0 0 0 无砟轨道系统横截面( 单位：1 1 1 1 1 1 ) 博格板式无砟轨道是德国铁路应用的另一种轨道结构型式，它的前身是 1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德一达豪的一种预制板式无砟轨道。博格板式无 砟轨道已获得了德国联邦铁路管理局颁发的许可证，可用于3 0 0 k m h 的高速铁 路，目前已在德国纽伦堡至英戈尔施塔特的新建高速线上铺设，于2 0 0 6 年开通 运营。博格板式无砟轨道在我国京津城际客运专线取得巨大成功，有望在我国 推广使用。 4 硕士学位论文 第一章绪论 圈卜3 博格板式无砟轨道单元板结构图 z u b l i n 型无砟轨道是德国高铁轨道结构的又一重要影式，其结构组成与 r h e d a 型无砟轨道相同( 图l - - 4 ) 。只是在设计理念与施工方法上存在很大差异。 我国郑西客运专线引进、消化、吸收了z u b l i n 型无砟轨道的相关技术。 防水屡 囤l 一4znb l i n 型无砟轨道 此外，德国铺设无砟轨道始于路基高速铁路路基上铺设无砟轨道结构占无 砟轨道铺设总长度的8 1 4 所以德国在路基上铺设无砟轨道具有丰富的经验， 在桥粱上铺设的数量则比较少( 仅铺l o k m ) 。从文献 14 可以看出，德国将铺设 无砟轨道结构的桥梁分的比较细，有长桥( 跨度或长度2 5 m 的桥) 和短桥( 跨 度或长度 2 5 m 的桥) 之分，长桥和短桥对无砟轨道结构的要求不一样。从另个 角度来说，德国无砟轨道结构形式在桥梁上铺设时，为抵抗纵横向作用力，需要 设置限位槽( 凹凸槽结构) ，不仅要增加桥面保护层厚度( 德国为1 l o m m ，日本为 4 0 6 0 m ，中国有砟轨道为4 0 6 0 r m ) 增大二期恒载，限位槽结构也给施工和检 查维修带来不便，特别是作为抵抗纵横向力的结构在限位槽处形成应力集中， 容易引起其破坏，由于限位槽铺设在道床板下，无法进行检查和维修。文献 1 5 建议，桥上应当采用带凸形挡台的扳式无砟轨道。 1 2 1 3 其他无酢轨道 法国是以有砟轨道为代表的高速铁路国家，但后来发现早期建造的东南线、 硕十学位论文第一章绪论 大西洋线，道砟粉化严重，使轨道几何尺寸难于保持，维修周期缩短，维修费用 大大增加，甚至影响j 下常的运营，结果使用不n l o 年不得不全面大修，更换道砟。 为此，法国也开始了无砟轨道的研究与试验，在新建的地中海线，选择隧道罩铺 设了4 8k m 双块式无砟轨道，进行试验，还准备在东部高速线4 0 - 5 0k m 的一个 区问修建无砟轨道。 意大利轨道结构也是以有砟轨道为主。在罗马一佛罗伦萨高速隧道和桥梁上 铺设了5 k m ( 铺轨长度) i p a 型板式无砟轨道试验段。轨道板横向采用后张工艺， 纵向采用先张工艺。行车速度为2 5 0 k m h 。 英国无砟轨道的主要代表类型有两种：l v t 型和p a c t 型。l v t 型无砟轨 道是在双块式轨枕( 或两个独立支承块) 的下部及周围设橡胶套靴，在块底与 套靴间设橡胶弹性垫层，而在双块式轨枕周围及底下灌注混凝土而成型，为减 震型轨道。其最初由r o g e rs o n n e v i l l e 提出并开发，瑞士国铁于1 9 6 6 年在隧道 内首次试铺。1 9 9 3 年开通运营的英吉利海峡两单线隧道内全部铺设了独立支承 块式l v t 型无砟轨道。目前l v t 型轨道的铺设总长度约3 6 0 k m 。p a c t 型无砟 轨道为就地灌注的混凝土道床，钢轨直接与道床相连接，轨底与混凝土道床之 间设连续带状橡胶垫板，钢轨为连续支承。英国自1 9 6 9 年开始研究和试铺，到 1 9 7 3 年正式推广，并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国家重载和高速线的桥、 隧结构上应用，铺设总长度约8 0 k m 。 韩国高速铁路第一期工程新建线路光明站一大邱，在光明车站3 - - 8 道到发 线( 1 7 1 k m ) 、日直隧道章上隧道( 9 1 3 2 k m ) 、花信5 号隧道( 6 1 9 9 k m ) 和黄 鹤隧道( 9 8 7 9 k m ) 铺设了传统的r h e d a 无砟轨道，长度共计2 6 9 1l k m ；第二期 工程大邱一庆州一釜山全长1 2 2 7 k m ，计划全部采用无砟轨道。 中国台湾高速铁路原设计铺设无砟轨道1 5 5 k m ，占线路总长4 5 9 6 ，后变更设 计全部铺设了无砟轨道其中区间采用框架式结构板式无砟轨道，道岔采用r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道。 总体来说，经过4 0 年的运用和发展，高速铁路无砟轨道结构逐步形成两大 技术体系，即日本的柔性充填层板式无砟轨道结构和德国整体式无砟轨道结构。 这两大技术体系已基本发展成熟，其标志是在高速铁路上得到大范围推广应用， 具有速度3 0 0 k n d h 高速铁路实际运营经验；结构统一，形成标准结构设计；技 术经济上具有综合优势。其中，日本板式无砟轨道在新干线上铺轨长度达 2 6 0 0 k m ，大范围推广应用始于1 9 7 5 年开通运营的山阳新干线西段，整体板式和 框架板式轨道都具有3 0 0 k m h 高速铁路实际运营经验；结构统一为a 型轨道板或 框架轨道板、柔性c a m 充填层和凸形挡台联结结构；初期投资与有砟轨道相比逐 步降低。德国无砟轨道在高速铁路上铺轨长度4 9 6 k m ，大范围推广应用于1 9 9 8 6 硕士学位论文 第一章绪论 处开通运营的汉诺威一柏林高速铁路，r h e d a 型和z f i b l i n 型无砟轨道具有 3 0 0 k m h 高速铁路实际运营经验；德国虽然无砟轨道形式众多( 多达9 9 种) ， 但路基上防冻层、水硬性材料层以及桥上底座、限位槽联结结构和硬泡沫隔离 层等结构形式和参数得到了统一；随着r h e d a - 2 0 0 0 结构设计的优化，初期投 资与有砟轨道相比也在逐步降低。 随着高速铁路设计速度和实际运营速度向着3 0 0 k m h 方向发展，具有实际 运营经验的无砟轨道具体结构形式主要有r h e d a 型和z i b l i n 型轨枕埋入式无砟 轨道以及新干线板式无砟轨道。 1 2 2 国内无砟轨道结构研究与工程实践 国内对无砟轨道的研究始于2 0 世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同时起步。 初期曾试铺过支承块式、短枕式、整体灌注式等整体道床以及沥青道床等几种形 式，但正式推广应用的仅有轨枕嵌入式( 支承块式) 整体道床( 图卜5 ) 。先后 在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过l k m 的隧道内铺设，总铺设长度 约3 0 0 k m 。8 0 年代曾试铺过沥青整体道床、由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的整 体道床以及有沥青灌注的固化道床等，在大型客站和隧道内试铺，总长约l o k m ， 但并未正式推广。另外，在京九线九江长江大桥上铺设了无砟无枕结构( 图l 一 6 ) ，长度约7 k m 。 叫弋 力逶路 吖中i i r 一 2 2 0 0 线 线2 2 0 0 t 一，伽d i 1 2 0 0 1 2 l f 如o 6 0 0 l p i l 3 0 3 0 0 l , o6 0 0 1 1 1 。a 轨顶i a i|1 l i i _ l i 工! l 一。fl ，山 | jl寮n l i ， ，0 0l j 矿i = 1j 参蚓用钉霸憾 ti 水盖 纠。一隔毒混凝土 i _ - i n _ _ 4 0 0 i l 孔基 =，( 烩 ；0 0 一 配 7 硕十学位论文第一章绪论 合模型并进行了仿真计算，分析了高速铁路桥上无砟轨道的动力特性与车辆走行 性能。 囤卜6 九江长江太桥引桥上的无砟无扰式轨道结构 以上研究成果为我国新型无砟轨道结构的发展打下了坚实的基础。1 9 9 9 年 铁道部科技开发计划项目“秦沈客运专线桥上无砟轨道设计、施工技术条件的研 究与编制”的有力推动下，秦沈客运专线选定了3 座高架桥作为无砟轨道的试铺 段。其中，沙河特大桥( 铺轨1 3 8 4 m ) 铺设了长枕埋入式无砟轨道( 图卜7 ) ，狗 河特大桥( 铺轨1 4 8 2 m ) 直线和双何特大桥( 铺轨1 4 8 0 m ) 曲线上铺设了板式无 砟轨道( 图卜8 和图1 9 ) 。综合试验结果表明，两种无砟轨道结构形式在受力、 变形和振动方面都达到了设计要求。 图1 7 沙河特大桥长枕埋八式无砟轨道 随后，在西康线秦蛉隧道( 铺轨3 7 k m ) 、兰新线乌鞘岭隧道( 铺轨4 0 3 6 8 k m ) 和宜万线隧道内都铺设了弹性支承块式无砟轨道，在渝怀线鱼嘴2 号隧道( 铺轨 1 4 3 8 m ) 铺设了长枕埋入式无砟轨道，在戆龙线枫树排隧道( 铺轨1 4 2 0 m ) 铺设 了板式无砟轨道。 为进一步优化长枕埋入式无砟轨道结构，铁道科学研究院在铁道部高速办的 指导下，提出了双块式无砟轨道( 简称为t b s 型) 结构方案，并进行了相关的试 验室试验。 顾l 学位论文 图1 8 狗河特大桥板式无砟轨道 图1 9 鼠何特大桥板式无砟轨道 2 0 0 4 年，遂渝线无砟轨道综合试验段成助钔设，通过遂渝线综合试验段 的实际试铺，系统地研究解决了不同类型无砟轨道结构、箭匮无砟轨道、过渡段、 结构承载能力及耐久性、路基结构形式、桥梁和路基变形对无砟轨道的影响、减 振降噪措施、无砟轨道对信号系统的适应性等关键技术，为创建具有我国自主知 识产权的、有中国特色的无砟轨道起到了非常重要的作用。 我国铁路在无砟轨道研究方面已经做了一定的工作，在桥梁和隧道内部都订 了相应的无砟轨道结构试铺段。特别是对整体板式无砟轨道进行了定的研究 对轨道板进行了先张法和后张法生产与试验，c a 砂浆试验结果达到了i 目外同类 产品性能指标，编s i t 板式无砟轨道技术条件，研发了成套铺设设器。 国内无砟轨道结构研究和工程实践也为高速铁路无砟轨道结构运j ；l ：i 提供了 有力的技术支持。 总之，无砟轨道结构相对于有砟轨道结构具有显著的优点。考虑到我国铁路 运输运力、运能紧张局面，以及高速铁路一般处于经济笈达地区，人员流动十分 频繁。而且铁路作为一个网络跨线列车的丌行对高速铁路的运输组织将产4 l 重 要影响，从而形成高速铁路列车运行高速度和高密度的特点，这就不仅要求线路 具有高稳定性、高平顺性，还要求线路具有高使用率，造成维修与逛营矛盾更加 突出，因此，积极采用无砟轨道结构具有重要意义。必须看到，无砟轨道结构的 硕十学位论文第一章绪论 应用还存在局限性，在国外许多铁路上还处于试验阶段，在高速铁路上大面积推 广应用也只有3 0 年时间( 同本山阳新干线) ，中国发展无砟轨道结构，还存在许 多问题需要解决【12 1 。 1 3 国内外列车一无砟轨道系统动力的学发展 轮轨相互作用分析的一个特点是轨道结构参振模型逐步接近实际情况，从简 单的等效集总参数模型发展为单层或多层支承的弹性地基梁模型和连续弹性点 支承梁模型；车辆模型也从不考虑车轮质量的移动荷载、单一质量负荷车轮发展 为考虑车辆具有一系和二系悬挂的多自由度模型：轮轨接触模型由简单的弹簧连 接发展为考虑轮轨间h e r t z 接触的复杂模型，并将轨道不平顺的激励作用引入轮 轨动力分析。在轮轨相互作用研究的这一阶段，轮轨动力作用的研究集中在轨道 垂向方面，横向和纵向相互作用研究不多，对于轮轨垂向相互作用，其相互作用 的理论逐渐形成，理论分析模型渐趋完善，模型分析己成为定性分析的重要手段。 与此同时，理论分析和试验测试使人们更加认识到研究轮轨动态相互作用的重要 性，简单的轮轨动力分析已不能满足人们对解决实际问题的需要，开展轮轨系统 动力学的研究势在必行。 国内外对于有砟轨道的动力学研究比较成熟，已经步入轮轨相互作用的系统 动力学研究阶段，它以细致地考虑机车车辆系统、轨道结构系统和轮轨相互作用 并集三者于一体为主要特征，机车车辆与轨道通过轮轨关系耦合作用，二者相互 互为反馈。这种从系统工程角度出发研究车辆一轨道动力相互作用己成为轮轨相 互作用研究的重要手段，是轮轨动力分析发展的必然趋势，并逐渐为铁路轮轨相 互作用的动力试验结果所证实。 无砟轨道结构作为新近发展起来的新型轨道结构，对于它的设计和研究仍限 于静力学分析和一些简化的动力学分析，因此，有必要对无砟轨道和高速车辆的 系统动力学进行进一步研究。 1 3 1 国外无砟轨道动力学的发展 国外对于无砟轨道的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但是多限于静力分析，动力 学方面的研究较少。 西德慕尼黑工业大学j e i s e n m a n n 教授在“轮轨相互作用 研究计划中，对 r h e d a 轨道进行了实验室研究和r h e d a 车站试验段测试试验，在实验室研究中，在 实物试验台上进行了整个结构的静载及列车重复荷载作用下的性能试验：在营业 线路上的测试，包括了钢轨及轨道板的变形和应力，在时速2 5 2 k m 时的测试结果 1 0 硕士学位论文第一章绪论 表明轮对的运行是稳定的。实验室研究及营业线上的测试结果表明，在该计划中 发展起来的轨道结构可以推荐今后使用，考虑轨道养护的要求，在速度较高的线 路上采用无砟轨道是实现经济性的一个重要因素【1 7 l 。 德国v e b r i c 等，应用边界元法对板式轨道在移动荷载作用下的动力学响应及 振动在土中的传播规律进行了研究，其计算机仿真数据较好的模拟了现场测试数 据，即使在模型轨道长度很短的情况下，结果仍然比较理想i 博1 ；美国哥伦比亚 l p a 集团公司的m o h a m m a d i 等，应用边界元法和有限元法通过数值积分对铁路轨 道的动力学响应进行了研究，研究方法是通过旅加谐振力和瞬时冲击力计算整个 轨道系统振动频率的方法来开展，研究了轨道系统在不同地基弹性系数下的响应 0 9 1 。德国r e h f e l d 等通过对变形预测和稳定性的分析指出了板式轨道的铺设条件， 特别是地基条件【2 0 l 。德国b o c h u m 大学的h u b e r t 等指出近几年随着t g v 和i c e 等高 速列车的发展，己经使振动发展到地基及邻近的建筑物，这就需要发展具有较好 动力学性能的板式轨道并探索减振的可能途径，在时频响应模型中采用了边界元 法以研究轨道的动力学性能和减振效果【2 。德 雪h a s s l i n g e r 等研究了不同轨道结 构在列车荷载作用下的动力学响应，包括轨道扣件，轨枕，板式轨道和浮置板轨 道，在模型中地基被视为具有一定弹性和阻尼的弹性体，主要荷载工况包括速度 以及轨道部件的动力学参数的变化 2 2 1 。 此外，d i e h l 等提出了无砟轨道竖向振动模型，计算并分析了无砟轨道动力 特性团j 。荷兰e s v e l d 建立了板式轨道与列车竖向振动模型，分析了车辆与无砟轨 道竖向振动响应，并与有砟轨道振动响应进行了对比【2 4 】；针对无砟轨道高速列 车运行时所产生的噪声问题，v a nl i e 俐用t w i n s 软件建立了钢轨埋入式无砟轨 道竖向振动模型，并分析其动力性能【2 5 l ；m a n 采用理论与试验方法，研究了各种 无砟轨道结构的动力特性【2 6 1 ；m a r k i n e 等对钢轨埋入式无砟轨道结构进行了优化 设计研究【2 7 】。日本o k u d a 等建立了浮置梯子式无砟轨道竖向振动模型，对该种无 砟轨道的动力特性、及振动噪声进行了研列2 8 】；t a n a b e 等建立了车辆一板式无砟 轨道竖向振动分析模型，研究了板式无砟轨道动力特性【2 9 1 。新加坡c u i 等建立了 浮置板式无砟轨道竖向振动模型，并分析其动力学特性【3 0 l 。 1 3 2 国内无砟轨道动力学的发展 近年来，国内许多研究人员在无砟轨道动力学方面也开展了大量研究与实践 工作。 武汉科技大学x i e ，w e i p i n g 等研究了轨道和路基界面在移动荷载作用下的动 力响应，在它的模型中，钢轨被视为弯曲梁，路基被视为刚性基础上的层状半无 限空间体，计算了系统的主频和移动荷载作用下的轨道动力学响应d 。西南交 1 1 硕十学位论文第一章绪论 通大学的翟婉明教授发展了车辆一轨道耦合动力学模型，并应用它进行了一些分 析，将板式轨道系统做成两层梁体系进行分析，主要分析了长钢轨的焊接凹接头、 竖错不平顺以及板式轨道以砂浆层动力学参数的改变对整个系统的影响【3 2 】。对 于桥上板式轨道和长枕埋入式无砟轨道的路桥过渡段的动力特性亦进行了研究 【3 3 】。蔡成标等将轨道板简化为弹性薄板，建立了车辆一板式无砟轨道竖向动力学 模型1 3 4 1 。铁道部科学研究院范佳等对于无砟轨道减振技术进行了研究，应用轮 轨系统动力学模型对弹性短轨枕无砟轨道，轨下胶垫、块下胶垫的刚度合理取值 进行了探讨p 5 1 。铁道部科学研究院张格明博士对桥上板式轨道、长枕埋入式无 砟轨道、弹性短轨枕轨道进行了分析，还进行了落轴试验的模拟，在他的模型中 侧重的是桥梁的振动，所以他将无砟轨道于桥梁的振动并在一起，认为无砟轨道 与桥梁的振动一致，仅将钢轨的振动分开来考虑【3 6 1 。中南大学向俊等针对无砟 轨道结构特点，提出了一种建立无砟轨道动力学模型的新方法一横向有限条与 板段有限元法，建立了高速列车一无砟轨道系统竖向振动分析理论并计算了系统 振动响应册；娄平等视钢轨为离散粘弹性支点支承的长梁，视轨道板为连续粘 弹性基础支承的短梁，视板式轨道及移动荷载为一个系统，利用有限元法分析了 板式轨道在移动荷载作用下的动力响应【3 引。 1 4 本论文的宗旨及研究思路 本文在总结和吸收前人研究成果的基础上，建立轨道左右不对称的车辆一 f b s 型无砟轨竖向振动分析模型，研究了左轨扣件松脱、左轨存在局部不平顺以 及左右轨存在随机不平顺等特殊工况对车一轨系统的动力响应的影响，对车一轨 振动竖向分析模型进行了改进。本文的研究思路如下： 1 选取在桥上和隧道内应用较为广泛的f b s 型无砟轨道为研究对象，进行上 部结构层参数分析，建立合理的轨道竖向振动分析模型。采用双层叠合梁有限元 模型，将钢轨模拟为两根离散粘弹性支点支承的e u l e r 长梁：轨道板模拟为连续 粘弹性基础支承的e u l e r 短梁。 2 采用整车模型，以便于考虑车体、前后转向架及轮对的影响，将车辆模 拟为由弹簧和阻尼器连接的多刚体，具有1 4 个自由度。 3 视车辆、轨道为整个系统，应用弹性系统动力学总势能不变值原理和形 成矩阵的“对号入座 法则，推导出了列车一轨道系统竖向振动矩阵方程。 4