（岩土工程专业论文）高速铁路路基基床的静动力特性分析.pdf

摘要 摘要 高速铁路以其快速、经济、安全舒适等优势，在世界各国得到了迅速发展。 我国通过新建客运专线、大范围提速等举措研究和发展高速铁路，大幅度提高 了列车的运行速度。同时，列车高速运行加剧了轮轨系统的动力相互作用，使 路基结构的变形和破坏呈现出了一些新的特征，即变形问题成为制约高速铁路 发展的主要因素。因此，为确保列车的高速、安全、平稳运行，必须对高速行 车时路基结构的静动力特性进行深入地研究。 论文概述了国内外高速铁路技术及无碴轨道的发展状况，讨论了高速铁路 路基基床研究中所存在的一些问题。针对高速铁路列车、轨道、路基相互作用 问题，提出了将机车车辆、板式轨道及路基结构作为一个耦合的大系统，以轮 轨动力接触关系为纽带，利用大型通用有限元分析软件a n s y s 建立了三维空 间列车一板式轨道一路基结构模型，模拟高速行车时路基结构的动力特性研究 思路。 首先，对高速铁路路基结构进行准静态分析，采用“中华之星”机车车辆 一个转向架的荷载，并考虑一定的动载系数。通过将计算结果与设计规范进行 比较，初步证明了所建模型的准确性。 其次，对路基系统进行模态分析，以确定有效的模型计算参数。以此为基 础，对列车运行作用下路基基床结构的动力特性进行分析研究，并根据压实土 的动三轴试验确定路基基床厚度。 最后，通过改变模型系统的路基刚度、路基高度、列车速度、轨道不平顺 值等参数值，分析路基系统的竖向、横向振动特性、轨道板的竖向位移和列车 的振动规律。 计算结果表明，路基模型系统仿真得出的结果具有很好的一致性，且符合 实际。该方法可用于高速铁路动力设计计算。 关键词：高速铁路，路基基床，板式轨道，动力分析，仿真，模态 a b s t r a c t a b s t r a e t w i t hi t sc o m p r e h e n s i v ea d v a n t a g e ss u c ha st h eh i g hs p e e d ，e c o n o m i c a l ，h i g h s a f e t ya n dc o m f o r t a b l ep e r f o r m a n c e ，t h eh i g l ls p e e dr a i l w a yh a sb e e nd e v e l o p e d r a p i d l ya l la r o u n dt h ew o r l d c h i n ah a sg r e a t l yi m p r o v e dt h et r a i ns p e e db ys t u d y i n g a n di m p r o v i n gt h eh i g hs p e e dr a i l w a y , s u c ha sb u i l d i n gn e wf a s tp a s s e n g e rt r a 伍c s p e c i a ll i n ea n dr a i s i n gt h es p e e do fe x i s t i n gr a i l w a y m e a n w h i l e ，t h eh i g hs p e e d i n t e n s i f i e st h ed y n a m i ci n t e r a c t i o no fw h e e l r a i ls y s t e m ，w h i c hm a k e ss o m en e w c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o no ft h es u b - g r a d e ，t h a ti s ，t h e p r o b l e mo fd e f o r m a t i o ni sb e i n gt h em a i nc o n t r o l l i n gf a c t o ro fh i 曲一s p e e dr a i l w a y d e v e l o p m e n t a sar e s u l t ，w es h o u l dh a v ead e e pr e s e a r c ho n t h er o a d b e d ss t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct om a k es u r et l l a tt h et r a i n sc a l lr u n 晰t hh i g hs p e e d ，h i g h s a f e t ya n ds t a b l e t h et h e s i sb r i e f l yr e v i e w e dt h ed o m e s t i ca n da b r o a dt e c h n i q u ed e v e l o p m e n to f t h eh i g h s p e e dr a i l w a ya n dt h eb a l l a s t - l e s st r a c k ，a n dd i s c u s s e ds o m ep r o b l e m sa b o u t t h er o a d b e do fh i g h - s p e e dr a i l w a y d i r e c t e da tt h et r a i n t r a c k s u b - g r a d ec o u p l i n g d y n a m i cs y s t e mo fh i g l l - s p e e dr a i l w a y , t h ei d e ao fr e s e a r c hw a sp r o p o s e d , w h i c h r e g a r d e dt h er o l l i n gs t o c k s ，t r a c k sa n ds u b - g r a d ea saw h o l es y s t e m b a s e do nt h e i n t e r a c t i o no fw h e e l sa n dr a i l s ，w eb u i l ta3 - dt r a i n - t r a c k - r o a d b e dm o d e lu n d e rt h e a n s y se n v i r o n m e n t a n ds i m u l a t e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs u b - g r a d eu n d e r t h em o v i n gw a i n f i r s t l y , t h eq u a s i s t a t e s t a t eo ft h eh i g h - r a i l w a yr o a d b e di s a n a l y z e db ya r e d i m c t o rl o a do fz h o n g h u as t a r , c o n s i d e r i n gad y n a m i c a lc o n s t a n t ，a n dc o m p a r i n g t h es i m u l a t e dr e s u l t st ot h es t a n d a r d ，w h i c hh a s i n i t i a l l yp r o v e dt h a tt h em o d e lh a da g o o dr e l i a b i l i t y s e c o n d l y w ec a l c u l a t e dt h ef r e ev i b r a t i o no ft h es y s t e ma n ds e t t l e dt h ev a l i d p a r a m e t e r s b a s e do nt h ef r e ev i b r a t i o n , t h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e l s y s t e ma r es t u d i e du n d e rt h em o v i n gt r a i n ，a n dt h ed e p t ho ft h er o a d b e di s d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c a lt r i - a x i st e s t a b s t r a c t f i n a l l y , w er e s e a r c h e dt h er u l e so fv e r t i c a la n dt r r b s v o l s ev i b r a t i o no ft h er o a d s y s t e m ，a n dt h ev e r t i c a ld e f l e c t i o na n dt h ev i b r a t i o no ft h et r a i nu n d e rd i f f e r e n t r o a d b e dr i g i d i t y , h e i g h t , v e l o c i t ya n dr a i ln o n - s m o o t h i tp r o v e dt h a tt h er e s u l t so f t h er o a d b e dm o d e ls y s t e mh a v eag o o de o m m u n a l i t y a n da c c o r dw i t ht h er e a l i t y t h es o l u t i o nc o u l db ea p p l i e dt ot h ed y n a m i cd e s i g na n d c a l c u l a t i o no f h i g h - s p e e dr a i l w a y k e yw o r d a ：h i g h - s p e e dr a i l w a y , r o a d b e da n ds u b - g r a d e ，s l a b - t r a c k ，d y n a m i c a n a l y s i s ，s i m u l a t e ，m o d a l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：垂盛日期：塑巫兰竖 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高速铁路与无碴轨道 1 1 1 高速铁路 高速铁路是当代科学技术成就的集中体现，是铁路现代化的重要标志。由 于高速铁路比其它运输形式具有经济快捷、运量大、安全舒适、安全性能比较 好、全天候服务、占地少、造价低的优势技术经济优势、而且对环境的污染少 等优点，近几年来在很多国家得到了重视和发展。其中日本东海道新干线高速 铁路于1 9 6 4 年建成，最高运行时速为2 1 0k m h ”；法国利用t g v 歹u 车在1 9 8 9 年开 通第二条高速铁路大西洋干线，最高时速为3 0 0k m h 【2 l ；我国自主设计制造的“中 华之星”最高时速达3 2 1k m h b 。至今，全世界最高行驶速度在2 0 0k m h 以上的 新建高速铁路已有40 0 0k m 以上，如果包括时速2 0 0k m 的线路，全世界的运行总 里程已超过1 0 0 0 0 k m 。这些线路虽然仅约占世界铁路总营业里程的1 ，但却担 负着各拥有国较大一部分客运工作量。例如：日本已建成的东海道、山阳、东 北、上越四条新干线共长l8 3 5k m ，约占日本铁路总营业里程的9 ，担负着铁 路旅客周转量的3 0 4 1 ；法国的东南线和大西洋线共长7 4 5l a n ，仅占法国铁路营 业里程的2 ，t g v 列车却承担了铁路旅客周转量的5 5 8 。所以，高速铁路已成 为世界铁路发展的总趋势，也成为一个国家和地区发展交通运输的战略目标之 一 近年来，随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，交通运输，特 别是铁路运输日益成为遏制国民经济发展的瓶颈。我国铁路客运量潜力非常巨 大，虽然自1 9 9 7 年连续几次大范围提速以后，铁路运输能力紧张的状况得到了 初步缓解，但总体上运输能力仍然不足，现在运输设备的提速空间越来越小， 不能适应国民经济和社会发展的需要。而高速铁路凭借自身的特点，在增加铁 路运力方面具有明显优势，由此可以认为从根本上解决这一问题的最好办法， 就是下决心发展我国的高速铁路。 为了适应我国发展的需要，我国高速铁路的建设问题正在受到各方面的高 第一章绪论 度重视。1 9 9 0 年以来为提高列车运行速度，铁路采取了许多措施，其中包括对 机车改造、更新线路、改造车辆、更新调度、指挥系统信息化等等，这些措施 已经取得了一些成效。1 9 9 1 年广州到深圳的1 4 7k m 铁路通过改造进行了准高速 铁路施工，1 9 9 4 年正式投入运营，这标志着我国已经迈出了向高速铁路进军的 步伐 5 1 。在秦沈客运专线的施工中l 叨，首次采用了一次性铺设超长无缝线路技 术，最长达1 8 8k m ；采用了高质量路基填筑技术和桥上无碴轨道技术，有效保 证了线路的平顺性；研制铺设了高速大号码道岔，使列车能够安全、快速、稳 定通过。正在修建的京沪高速铁路全长13 0 8k m ，采用一次设计、分段建设的方 案，京沪通道是中国高速铁路起步的标志。2 0 0 4 年初，国务院批准了中长期 铁路网规划，确定了铁路网建设的蓝图。已批准建设或正在建设武广、郑西、 石太、京津、合宁、合武、温福、甬温、福厦九条铁路客运专线，实现铁路跨 越式发展，到2 0 1 0 年我国铁路客运专线将达n 40 0 0l u n ，到2 0 2 0 年全国铁路营业 总里程达到1 0 00 0 0k m ，建设客运专线1 20 0 0k m ，建成“四纵四横”快速客运 专线及三处城际快速轨道交通系统，实现主要繁忙干线的客货分线运输。 1 1 2 无碴轨道 在世界各国的高速铁路中，轨道结构形式多种多样，但归结起来有两种： 有碴轨道和无碴轨道。以往铁路的运营史证明了传统有碴轨道具有良好的弹性， 能很好地适应列车的运行。但有碴轨道在高速运营条件下也存在一个很大缺点， 即随着列车速度的提高，轨道的维修作业量大大增加，道碴粉碎增加迅速。另 一方面，无碴轨道从根本上取消了道碴，其稳定性与平顺性都优于有碴轨道， 因而为一些国家所重视，如日本、德国、英国、美国等。以下概要介绍国外铁 路发展较成熟的几种无碴轨道结构型式。 ( 1 )日本板式轨道。日本铁路由于其独特的地理条件以及劳动力短缺等 原因，极力发展板式轨道1 8 j ，从2 0 世纪6 0 年代在山阳新干线试铺的8k m 板式轨道 算起，1 9 9 2 年建成的山阳新干线修建了2 7 3k m 的无碴轨道，到目前为止，板式 轨道在日本既有线和新干线累计总铺设长度达n 27 0 0k m 。日本铁路在板式轨道 研究发展过程中，通过室内模型试验与现场试验段的运营考验，积累了丰富的 研究与实践经验。开发出适用于隧道和高架桥上的a 型轨道板、框架式轨道板， 适用于土质路基上的r a 型轨道板和a 型轨道板【9 _ 1 1 l ，以及防振型轨道板等适用不 同条件的板式轨道系列，板式无碴轨道结构如图1 - 1 所示。 第一章绪论 图1 - 1 土路基上默型板式轨道结构 图1 - 2r h e d a - 2 0 0 0 双块式无碴轨道结构 ( 2 ) 德国r h e d a 型无碴轨道。德国高速铁路对无碴轨道的研究与应用主要 针对隧道和路基，1 9 5 9 , - , 1 9 8 8 年的试验阶段，试铺了各类无碴轨道试验段3 6 处， 累计长度达2 1 6k m ，在此期间先后在土质路基、高架桥上及隧道内试铺了各种 混凝土道床和沥青混凝土道床的无碴轨道，经过不断改进、优化和完善，到1 9 8 9 年基本定型，并开始成段铺设，截止到1 9 9 7 年，共铺设无碴轨道达1 9 0k m ，其 结构型式以r h e d a 型 2 1 为主，如图1 2 所示，在此基础上，通过在道床板与底座间 第一章绪论 增设减振层，实现在特殊地段的减振要求。 ( 3 ) 弹性支承块式无碴轨道。弹性支承块式无碴轨道由于其特有的减振、 降噪、减磨等优越性能而被世界上许多国家所采用，如瑞士、丹麦、英国等。 设计时速为2 0 0 k m h 的英吉利海底隧道通过多种无碴轨道结构比选，采用了该种 结构型式，并于1 9 9 3 年6 月开通运营。我国的1 8k m 长秦岭隧道，也采用了这种 结构型式。 板式轨道作为其中一种重要的轨道结构型式，具有如下优点：轨道建筑 高度低，自重轻，综合评估工程建设投资更为经济；板式轨道制造由工厂机 械化生产，减少了现场施工中的工序和工作量；采用乳化沥青砂浆作为轨道 板与混凝土基础板的隔离层和调整层，便于对轨道施工中产生的误差进行控制 和调整，也便于修复。为此，板式无碴轨道被广泛应用于路基、桥梁、隧道和 路桥过渡段。我国在秦沈客运专线的篪工中，借鉴了日本板式无碴轨道的成熟 技术和发展模式，结合我国既有的技术基础，铺设了一段板式轨道进行试运营， 为京沪高速铁路建设和石太、武广客运专线建设和运营提供了实际经验。 1 2 高速铁路路基 列车以1 0 0 k m h 以下速度行驶时，不会产生很高的动应力，当列车速度达到 3 0 0k m h 时，道床承受的动应力可比1 0 0k m h 时提高5 0 【j 2 】。可见高速运动列车 荷载会在轨道和路基中产生很大冲击振动。尤其当列车的运行速度接近轨道路 基系统的临界速度时，冲击荷载产生的能量不能在轨道结构和周围路基中及时 逸散，结果能量在车轮和轨道接触处积聚，使列车产生过大的振动位移，在多 次重复荷载作用下产生残余变形，造成轨道不平顺，影响列车的高速走行条件。 因此，变形问题成为高速铁路设计所考虑的主要控制因素。例如，日本东海道 新干线的设计时速为2 2 0k m ，由于其在设计中仅仅采取了轨道的加强措施，而 忽略了路基的强化，以至从1 9 6 5 年开始，因为路基的严重下沉，使路基病害不 断，线路变形严重超限，不得不对线路以年均3 0k m 以上的速度大举整修，1 0a 内中断行车2 0 0 多次，列车运行平均速度也降到l o o 1 1 0 k m h 。 日本自2 0 世纪6 0 年代中期开始进行土质路基上板式轨道的应用，期间开展 了大量室内外的试验研究工作【1 2 1 。1 9 6 8 年提出r a 型板式轨道，并在铁道技术研 究所进行性能试验。1 9 7 1 年在东海道新干线( 平琢一大矶区间) 1 0 0m 的营业线 第一章绪论 上进行初次试铺。1 9 7 4 年在东海道新干线含慧桥站内共铺设1 4 处合计2 3i o n 试验 段，但以上试验段路基下沉均比较明显。2 0 世纪9 0 年代初，为了改善r a 型板式 轨道所用沥青材料的温度敏感性和耐久性，提出了用混凝土道床替代沥青混凝 土道床的结构方案，并用普通a 型轨道板取代r a 型轨道板。并且，正式在土质 路基上铺设普通a 型板式轨道前，1 9 9 1 年在北陆新干线路堤上铺设了6 0m 的试验 段，进行动静载试验，试验中确定路基的最大下沉量限值为3 0m m 。经模拟通过 总重4 5 0 0 万t 的重复加载试验后，最终下沉量为6 2 m m ，达到了试验的预期目标。 1 9 9 3 年板式轨道在北陆新干线土质路基上铺设了1 0 8k m ，占全线长的4 ，占土 质路基的2 5 。 我国对无碴轨道的研究也始于2 0 世纪6 0 年代i 埘，与国外的研究几乎同时起 步。在秦沈客运专线的沙河特大桥试铺长枕埋入式无碴轨道；狗河特大桥直线 和双何特大桥曲线上试铺了板式轨道，在愉怀线鱼嘴2 号隧道、赣龙线枫树排隧 道也分别铺设了长枕埋入式和板式轨道试验段。通过3 0 多a 来无碴轨道的理论研 究、室内模型试验、桥上和隧道内试验段铺设，我国在高速铁路无碴轨道方面 取得了一定的研究成果。而对于土质路基上无碴轨道和道岔区无碴轨道的研究 我国处在理论研究与分析试验阶段。 1 3 高速铁路路基计算中的几个问题 高速、重载铁路的发展加剧了列车线路系统的动力相互作用，路基的变形 和破坏出现了与一般铁路有本质区别的一些特征，因此，路基动力学研究也就 成了路基科学向前发展的重要内容，高速铁路发展的国家在这一方面作了大量 的工作。由于我国高速铁路兴建的需要，近几年来路基动力学领域也取得了重 大发展，但还有许多方面值得更深入、扎实地研究，下面将结合国内外路基动 力学一些研究成果简要阐述一下这方面的几个主要问题和现状。 1 3 1 铁路路基列车动荷载问题 随着高速、重载铁路的发展，客观上要求路基设计科学化，另外路基基床 病害整治方法的科学化，都要求明确路基设计动荷载。由于列车荷载是通过轨 道、轨枕传递到路基的，因此，路基动应力幅值与机车车辆运行特性、线路及 其基础状态等诸多因素有关【1 4 j 。这是一个比较复杂的概念，必须应用系统的思 第一章绪论 想，找出影响路基动应力的主要因素，并在此基础上明确其作用机理，才能使 这方面走向成熟和科学化。对这一问题的研究有理论分析和实测两个方面。 理论方面主要侧重于对列车荷载的定量化及其分布传递规律的研究，以及 应用弹性理论或有限元法来研究路基中的应力及分布。文献 1 5 1 将列车荷载简化 成一个包含振幅和频率的指数函数形式，并通过f o l i r i e r 级数反映不同轮组在不同 时间t 、不同位置z 处的情形。文献 1 6 1 通过假定钢轨由于轮轨之间的不规则接触 而受到强迫振动的分析，将荷载模拟成与轮重、钢轨支承性质，轨枕间距及列 车速度等有关的静载和附加动载之和。在车辆轨道垂向耦合模型中，【1 7 ，1 8 直 接将列车简化为考虑浮沉、点头等两个自由度的车体以及考虑一个浮沉自由度 的轮对，中间由弹簧、阻尼器相连接，以轨面不平顺为外部激励来参与动力学 计算。由于列车荷载对线路系统来说是一个外部激励，所以荷载简化的合适性 将较大地影响路基动力学的理论计算结果。在以一定的方法简化作用于轨面上 的列车荷载以及轨下基础材料本构关系假设恰当的前提下，就可按弹塑性力学 理论和有限元等方法计算动应力在路基内的分布情况，文献 1 4 ，1 9 - 2 0 都得出了 与实测结果比较吻合的计算结果。 在路基面和路堤内部的动载荷大小和分布方面，国内外都作了大量的实测 研究。从我国一些低速铁路的资料 2 1 1 看，路基面动应力的数值范围大致在 6 0 - 1 2 0k p a ，从路基面到其下0 7m 范围内动应力变化较大。基面o 6 加7m 以下 动应力衰减可达6 0 ，可以用双对数坐标及指数关系模拟路基动应力沿深度的分 布。一般基面以下1 和1 5m 动应力变化趋于稳定。基面下3 0 m 处动应力只有基 面动应力的1 0 左右，所以一般考虑动荷载作用的区域为基面下3 0m ，并将其 定义为基床层。 1 3 2 路基附加动应力 路基附加动应力的计算方法大致可分为三类 2 2 - 2 4 1 ：经验方法、弹性理论分 析方法和数值分析模型方法。2 0 世纪7 0 年代以前，路基动应力变形计算主要用 经验或弹性理论方法；2 0 世纪7 0 年代以后，随着电子计算机技术的发展，数值 分析模型得到广泛应用。 1 3 2 1 经验方法 经验计算公式的种类较多，但局限于有经验积累的地区才能使用。这里介 一6 一 第一章绪论 绍有代表性的一种方法。 t a l b o t 公式是在已知轨枕对道碴顶面压力的情况下，求道床与路基中垂向应 力的公式。它假设路基中的应力在同一平面内沿线路方向为正态分布，且不考 虑地基分层。用s g e m 和h a y 的试验值与其计算结果比较，相对误差较大t a l b o t 公式没有考虑材料的粘性，故一般只能用于初步分析列车轮重引起的道碴及路 基项面的垂向应力。 1 3 2 。2 弹性理论方法 弹性理论公式能方便地计算出路基各部分的应力及变形，但不能考虑土类 材料非线性及塑性特性。下面为典型的两种计算方法。 应力锥模型是在己知轨枕对道碴压力的情况下，求轨枕垂向位移及地基垂 向应力分布的模型，它假设轨枕作用在道碴顶面的压力在路基中按锥形向下传 递，且在同一平面内应力分布均匀，它考虑地基的分层及不同填料的内摩擦角。 应力锥模型假设条件较强，故不能真实的模拟实际上力的传递和分布，另外在 计算位移时，道碴、路基、轨垫的弹簧系数也不易确定。 b o 璐s m e s q 公式是计算道碴及路基中应力分布及变形的公式。它假设材料为 各向同性，且点荷载作用于半无限空间体上，其不考虑材料分层及侧向力的影 响，并把轨枕与道碴间的接触压应力用等价的集中力代替，其应用较为普遍。 在变形计算方面，适用于砂性材料的变形计算，但对于粘性土则不太适应。 1 3 2 3 数值分析模型方法 数值分析模型【2 ”9 1 大概可分为两类：一类是基于b u r m i s t e r 的多层弹性体理 论；一类是基于有限元法( 包括弹性和弹塑性本构模型) 。比较常用的分析程序 有由美国国学者编制的a r t s ( t h ea n a l y s i so f r a i lt r a c ks t r u c t u r e ) ，p s a ( t h e p r i s m a t i cs o l i da n a l y s i s ) 和i l l i t r a c k 。 a r t s 为一个三维有限元分析程序，其分析结果在某些方面与实验结果接 近。p s a 是一个准三维有限元分析模型，它把钢轨和轨枕表示为梁单元，道碴和 路基土表示为棱柱单元，以轨枕道碴相互作用力为基本未知量，然后用变形连 续性条件建立方程，最终求得轨道结构各部件的应力与变形。i l l i t r a c k 是准 平面应变的二维有限元分析程序，它把三维轨道结构的系统分为两个二维系统， 先进行纵向分析，然后以纵向分析的结果作为输入进行横向分析。 以上所介绍的路基应力计算方法，无论是经验方法、弹性理论方法还是数 第一章绪论 值模型分析法，其荷载输入都是准静态荷载，不能模拟列车的实际运行状况和 其与轨道结构的相互动力影响。以此为基础计算路基的应力与变形，所得的结 果实际上相当于长期荷载作用下路基的响应结果，并不能完全反映出路基附加 动应力与路基变形。 1 4 本文研究方法及意义 大量的研究表明，随着行车速度的提高，铁路的轨道动力效应对路基基床 的影响急剧增加，不容忽视，我国现行的轨道强度准静态计算方法已不再适用。 我们需要结合高速铁路的荷载特点，研究高速情况下车辆、轨道及路基的动力 响应问题，以便能够比较准确地了解其受力与变形规律，进而确定高速铁路的 线路设计参数、轨道的结构模式、路基刚度及相关参数的优化。 所有这些先期研究都需要现场试验、理论研究两部分工作。现场试验是以 不同类型的车辆在各种速度下通过测试点，得到车辆、轨道结构的实际振动情 况，然后对实测资料进行分析研究。理论研究即建立模型和仿真计算分析，在 计算机技术曰益完善的今天，系统的仿真模拟有可能完全取代昂贵的现场试验； 而且理论研究具有可操作性强、参数变化容易、所受限制少及节省人力、物力 和资源等优点。随着客运高速化、货运重载化，铁路运输的速度、载重对车辆 轨道动力学系统提出了更多、更高的要求，进一步深入细致地研究轮轨路基系 统动力学理论，特别是路基基床的动力特性，显得十分必要，尤其是在我国铁 路交通面临大发展的今天，对这一问题的深入研究，更具有重要的战略意义和 现实意义。只有以科学理论研究为基础，才有可能最大限度地发挥铁路运输系 统所蕴藏的潜能，从而以尽可能少的投入，取得尽可能高的效益，最终建成经 济、安全的高速铁路运输系统和重载铁路运输体系。 随着列车速度的提高，车辆与线路之间的动力作用也将增加，对路基结构 的影响也越严重。反之，路基结构破坏引起的钢轨不平顺加大，其变形又会激 起车辆的振动，影响列车速度的提高。也就是说，研究这样的问题，单一从某 个系统入手很难反映其本质，因此，模型中将路基基床、轨道结构、列车系统 各个部分当作一个整体，进行结构动力分析计算。该方法虽然表面上看不出路 基基床和轨道结构之间相互作用的种种因素，但实际上在计算过程中已经自动 考虑了相互作用的影响。 第一章绪论 本文以车辆轨道耦合动力学理论为基础，以轨道不平顺为激励源，分别对 列车车辆和轨道及路基结构的相互作用的动力学分析建立模型，并采用a n s y s 大型软件计算机仿真板式轨道下路基基床在模拟的轮轨作用下的动力响应。动 力分析前首先对路基结构进行模态分析，通过模态分析得到体系的基频，在此 基础上分析确定r 且y l e i g l l 阻尼系数和动力分析的时间步长。 1 5 论文研究内容安排 第一章绪论部分主要介绍高速铁路发展现状和趋势，以及高速铁路路基结 构和路基计算中存在的几个问题。 第二章分析研究高速铁路路基的基床结构、基床厚度确定方法、基床材料 等。 第三章叙述了建立模型的方法，根据路基和板式轨道结构的实际情况，在 a n s y s 环境下建立车一板一路三维空间模型。 第四章在第三章所建三维模型的基础上，对路基基床进行准静态分析，以 保证模型的可靠性。 第五章与第六章为本文的核心内容，详细分析了机车运行通过路基过程 中，模型系统的动力响应。重点研究了路基刚度、路基高度、列车速度、轨道 不平顺等参数变化时，高速铁路路基系统的动力响应规律。 第七章对本文所做研究进行总结。 第二章高速铁路路基结构分析 第二章高速铁路路基结构分析 高速铁路路基是由不同密度的土、石构成的土工合成物，是轨道结构的基 础，是保证列车能高速、安全地运行，线路的稳定与平顺的必不可少的条件之 一。高速铁路路基一般由以下几部分组成，如图2 1 所示：轨道板、基床表层、 基床底层、路堤本体和地基。基床表层是路基直接承受列车荷载的部分，是路 基的承载层或持力层，是路基静动力分析中最重要的部分。京沪高速铁路设计 暂行规定要求基床表层的材质和强度应能承受列车荷载的长期作用，刚度应 使列车运行时产生的弹性变形控制在一定范围内，厚度应使扩散到其底层面上 的动应力不超出基床底层土的容许承载能力。 2 1高速铁路路基列车荷载 在高速运行的列车荷载作用下，轮轨冲击力是轨道结构和路基最主要的荷 载来源之一，要保证轨道结构的平顺性要求和路基的长期稳定，不产生任何危 及正常运行的变形，离不开轮轨冲击力及其变化规律的研究。高速铁路轨道结 构各部件质量标准的提高以及严格的路基标准，使得轮轨冲击力在轨道结构中 的分配传递有别于低速铁路 3 0 - 3 5 】。表2 1 列出了各国高速铁路的列车设计速度、 轴重和动力附加系数。 表2 - i 各国高速铁路的列车设计速度，轴重和动力附加系数 轨道结构是由钢轨、轨枕、和道床组成的一个荷载分配系统，轮轨间的冲 第二章高速铁路路基结构分析 击荷载通过轨道结构各部分吸收、 扩散，使得由钢轨承受的相对较大 的集中荷载变成了由轨枕、道碴等 来共同承担的相对较小的分布荷 载，从而充分发挥各部件的抵抗能 力。 在列车荷载作用下，路基动应 力的幅值与机车车辆运行情况、线 路及其基础状态等有关，作用在轨 道上的轮重实际上由两部分组成： 机车车辆静轴重；机车车辆与 e 三马揽 混凝土底座 目 卜 i d 骞 1 j 一 路堤本体 j 。r l r 膏1 r l r r l r l r l r 圉2 1高速铁路路基结构简图 轨道的相互作用而产生的附加作用力。前者对于特定的机车车辆是一个常数， 后者是与诸多因素有关的一个随机变量。大量实测表明，轮轨作用力的大小可 以用下述关系式表达 只- 咒声( 1 + 鲫) ( 2 1 ) 式中，尸分一静轮重； ，动力影响系数， 偏载等因素有关； a 速度影响系数， 矿一列车运行速度。 2 2 板式无碴轨道结构 与机车车辆和轨道的平顺性、轨道结构类型及货物 与列车运行速度有关； 板式轨道是无碴轨道的一种，具有无碴轨道所捌有的优点。目前，国外主 要有两种类型的板式轨道：日本板式无碴轨道和德国博格板式无碴轨道，本文 主要研究日本板式轨道。 铺设在土质路基上的板式轨道结构有两种1 1 1 l ，即r a 型板式轨道和混凝土道 床板式轨道。r a 型板式轨道结构主要适用于土路基上的区间和站场轨道，它是 用沥青混凝土基床替代碎石道床，用钢筋混凝土轨道板替代轨枕而铺设的一种 少维修板式轨道。混凝土道床板式轨道( 如图2 2 所示) 是由p , a 型板式轨道改进 第二章高速铁路路基结构分析 而来的，采用水泥混凝土道床代替沥青混凝土道床，它是由砂层、下部铺装、 钢筋混凝土底座、乳化沥青水泥砂浆层( c a m ) 、a 型轨道板等构成。 我国在土质路基上铺设无碴轨道的研究较晚，技术不成熟。目前，我国土 路基上采用的结构型式1 2 l 如图2 3 所示。 2 3 高速铁路路基基床的设计 2 3 1 有碴轨道路基基床厚度的确定方法 列车荷载由轨道、轨道板及板下混凝土支撑层传至路基基床表层，由于阻 尼作用，作用与路基的动应力沿深度逐渐衰减。因此，将路基上部受动应力影 响较大的部位定为路基基床。 图2 - 3 我国土路基上板式轨道横断面图 第二章高速铁路路基结构分析 一般到说，路基面以下0 6 m 范围内动应力的率减最为厉害如图2 - 4 所示。由 图可见，路基面下0 6m s 度处的动应力已率减4 0 - - 6 0 。日本资料认为路基面 g 蓑 高 娄 i o o o 动应力或自重应力a k p a 填土动强度与动荷载0 4 d 3 a 2 0 g 簧6 0 嵩 娄。0 0 0 4 08 0 1 0 0 图2 - 4 列车动应力与路基 自重应力沿深度分布图 图2 - 5 基床表层厚度的确定 下3 0m 处的动应力约为自重应力的1 0 ( 实际可能应为2 0 ) ，并认为动应力对 3 0m 以下路基变形的影响很小，因此，日本把路基面以下3 0m 定为路基基床厚 度。根据我国的研究，动静应力比为o 2 时深度约为3 2 m ，动静应力比为o 1 时深度约为4 2m 。 根据土的动力特性 3 7 1 ，当动 静应力比在0 2 以下时，加载1 0 万次产生的塑性累积变形在 o 2 以下，而且很快能达到稳 定。如果动静应力比小于0 1 ，动 荷载影响就相当微小了。因此， 一般将动静应力比l 5 或1 1 0 作 为确定基床厚度的依据。考虑到 高速铁路路基基床部分的土质 较好，压实度要求较高，一般采 用动静应力比1 5 为确定基床厚 岳 釜 型 睦 噬 群 崔 培 土基模量局m l a 图2 - 6 满足变形条件的基床表层厚度与 基床表屡材料，土基模量的关系 瑚 m 柏 第二章高速铁路路基结构分析 度的标准， 京沪高速铁路设计暂行规定确定路基基床厚度为3 0m 。 2 3 2 有碴轨道路基基床表层厚度的确定方法 高速铁路路基基床表层厚度的确定方法有两种捌：变形和强度控制法。 ( 1 ) 变形控制法 变形控制法是以列车荷载作用下路基顶面变形量不大于0 4c m 为控制条件， 其目的是保证列车运行平顺，要求基床表层产生的应变不会导致塑性变形过大， 使列车平稳运行。根据b o u s s i n e s q 理论，长方形均布荷载作用在双层弹性地基上， 均布荷载中心点的沉降可用下式计算 = 掣h 豫凳1 n 皆i m o 孤磊意磊+ 扣+ 厢小m 孕 q 国 式中，异为荷载强度；脚= 詈；行= 軎；g = 鲁。d口正 根据上述公式就可以算出在不同基床土弹性模量和基床表层材料弹性模量 的基础上，满足路基变形条件的基床表层厚度。在确定了基床表层材料和基床 底层填土的弹性模量以后，就可以根据图2 6 得到需要的基床表层厚度。 ( 2 ) 强度控制法 强度控制法是以作用在基床表层下填土上的动应力不大于填土允许动应力 为控制条件，其主要内容是：确定作用于路基面上的设计动应力；确定路 基基床底层填土的允许动强度。图2 5 中的三条线是根据三轴实验结果，并考虑 侧压力与法铁的建议的维修系数暖卸8 ) 折减后得到的允许强度线，图中曲线为 躁 第二章高速铁路路基结构分析 k = 0 9 5 时，则需基床表层厚0 8m 左右 综合变形控制和强度控制这两方面的计算结果，基床表层厚度采0 7 - 4 ) 8m ， 基床填土压实度不低于0 9 7 。 2 3 3 路基基床表层动力特性分析 基床表层承受的荷载是列车长期重复作用的动应力，在它的作用下，基床 的破坏或产生过大的变形不是短期发生的，而是长期发展的结果。土动三轴试 验表明：土体存在一个临界动应力，如果外应力小于这个值，土的塑性累积应 变会趋于稳定；否则，土的塑性应变就会不断累积、发展直到土体发生破坏。 临界动应力与土的种类、含水量、密实度、围压以及荷载作用的频率有关。 对于高速铁路基床表层来说，围压对应土的埋深，频率对应于车速。临界动应 力随着围压增加而增加，随着频率增加而减少，这说明随着线路速度的提高， 路基基床病害迅速增加。动强度约为静强度的5 0 - 6 0 ，因此尽管荷载的动应 力满足静强度，但是小应力的多次重复作用也可能导致动强度不足而破坏，或 者发生过大的累积变形。因此，应该按照动力学的理论进行路基设计。 2 4 高速铁路路基基床的材料 2 4 1 基床表层材料 基床表层应该满足以下功能：能稳固地支撑轨道；减少列车荷载所产生的 弹性变形和残余变形，提高列车运行的稳定性，适应高速行车的要求；将由轨 道传来的荷载均匀地传递给基床底层，使扩散后的荷载低于基床土的强度并不 产生过大的累积变形；本身和其下的基床底层都不发生翻浆冒泥。 作为基床表层的材料，需要有较好的力学性能，充分压实后在长期动力作 用下保持稳定，并有很好的水稳定性和较小的渗透性。国内外实践表明，只要 保证组成材料的质量，使混合材料具有良好的级配，并控制好细颗粒土的含水 量和塑性指数，在施工中将混合料搅拌均匀，在最佳含水量下压实，达到要求 的密实度，就能形成较高的力学强度和水稳定性。 我国高速铁路路基基床表层的压实标准有两个控制指标：局。承载板试验指 标局。值和孔隙率指标行。下列两表给出了我国秦沈 3 8 - 4 0 l 客运专线及京沪口7 1 高速 第一二章高速铁路路基结构分析 表2 - 4 京沪高速铁路线路基基床表层压实标准 2 4 2 基床底层材料 京沪高速铁路设计暂行规定要求基床底层应采用a 、b 组填料或改良土， 其压实标准如表2 5 所示。 表2 - 5 高速铁路路基基床底层填料压实标准 2 5 小结 本章详细介绍了高速铁路路基基床及上部板式轨道结构的特征，研究分析 了路基基床及表层厚度的确定方法，并对基床材料作了简单地介绍，为后面章 节的模型建立、仿真计算及结果分析提供了有效的参考。 第三章高速铁路路基空间模型的分析与建立 第三章高速铁路路基空间模型的分析与建立 随着高速铁路的发展，变形问题成为轨下系统设计的关键 2 9 a i 一6 1 。如果像静 力问题研究那样，将系统各部分作为隔离体进行动力分析，仅仅孤立地研究轮 轨的相互作用，而忽略路基的影响，可能会人为地抑制或消除了某些作为整个 系统的动力反应特性。又在高速列车荷载作用下，包括路基在内的轨下系统的 垂向变形集中反映在轨面上，并且直接影响着轮、轨作用力的大小。因此，铁 路车辆与轨道路基系统是铁路轮轨运输系统中不可分割的两大组成部分，车辆 系统与轨道路基系统并非孤立系统，两者是相互耦合、相互影响的。 由以上分析，可以看出若要更加有效地研究该问题，仅从某个单一系统着 手，难以反映其本质。所以，将路基纳入到总体大系统中，充分考虑列车车辆、 轨道与路基的相互作用，更加真实客观地反映路基的本质，进行系统的最佳设 计，实现车辆、轨道与路基系统功能的合理分配。 由于列车的高速移动，列车板式轨道路基系统的质量、刚度、阻尼等特 性矩阵都时刻在发生变化，是典型的时变系统【4 5 】。由此，根据车辆路基系统的 特点，将固定部分一钢轨、板式无碴轨道结构、路基基床和移动部分一列车车 辆分为两部分，并分别建立动力微分方程，然后通过轮轨接触方程，将两部分 联系起来求解。因此，需要建立的模型有：( 1 ) 钢轨、路基基床和板式轨道结构 模型；( 2 ) 列车车辆模型；( 3 ) 轮轨接触耦合模型。 3 1 高速铁路路基模型的建立 3 1 1 岩土材料的屈服准则和弹塑陛模型 岩土材料的具有很复杂的应力应变特性，如非线性、弹性、塑性、粘性及 剪胀性、应变硬化( 软化) 和各向异性等 4 l 4 s ，同时应力路径、应力历史及土的 状态，组成、结构和温度等均对其有不同程度的影响。因此，为了反映土体真 实的力学性状，必须建立较为复杂的本构模型和相应的屈服准则。 3 1 1 1 屈服准则 第三章高速铁路路基空间模型的分析与建立 岩石和土壤等材料都属于颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大于受拉 屈服强度，且材料受剪时，颗