（岩土工程专业论文）高速铁路路基动态响应分析及模型实验装置研制.pdf

摘要 建设于中南大学的“高速铁路建造技术国家工程实验室 的无碴 轨道路基实验系统，路基模型尺寸为长3 0 m 、宽1 5 m 、高度6 m ( 含 3 m 地槽) ，主要用来研究列车荷载下路基结构的动态响应特性。在 运行速度高达3 5 0 k m h 情况下，如何通过作动器来模拟其作用效果具 有重要的研究意义。本文参照c r h 3 型动车组中间车进行荷载设计， 考虑相邻两个转向架轮载间的叠加效应，在路基中间扣件处设置多个 作动器模拟扣件传力，通过数值分析，确定作动器选型的参考参数和 反力架的设计尺寸。 主要研究工作如下： 1 、采用a n s y s 有限元分析软件，根据轨道路基系统各部分在 列车荷载下的变形与振动特性及实际模型尺寸，建立了板式无碴轨道 路基系统分析模型。 2 、分析了列车速度3 5 0 k m h 、轮载8 5 k n 的两个转向架荷载下路 基纵向中间横截面钢轨正下方不同深度处的竖直应力、等效应力、竖 直位移、竖直应变、等效应变、速度和加速度随时间及各响应幅值随 深度变化关系。可见，两转向架轮载间存在叠加效应，且随深度增加， 响应存在扩散和衰减现象，并建议路基设计时考虑共振的影响。 3 、通过数值分析，得到了扣件最大反力、频率和轨道板项面最 大位移与列车运行速度和轮载的关系。结合现有相似的实测数据，得 到在列车轮载8 5 k n 、速度3 5 0 k m h 的情况下设置长度1 1 0 5 m 、布置 间距为0 6 5 m 的作动器选型参考参数：力幅值7 6 5 k n ，行程0 7 8 m m ， 频率4 0 h z ；同等条件下设置长度11 0 5 m 、布置间距为1 9 5 m 的作动 器选型参考参数：力幅值16 4 0 7 k n ，行程1 0 5 m m ，频率4 0 h z 。 4 、探讨了间距为0 6 5 m 的1 8 个作动器加载、间距为1 9 5 m 的6 个作动器直接和间接加载模拟扣件传力的效果，得出它们都能达到很 好的模拟效果。 5 、参照m t s 加载门架各部分构造，结合实验模型尺寸、作动器 参数要求及5 0 t 静载作用下的最大横梁变形1 0 m m 的要求，通过静 力、模态和谐响应分析，得到了加载反力架的建议设计尺寸。 关键词轨道一路基动力学，作动器，扣件传力，加载反力架，有限 元分析 a bs t r a c t i nc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y , t h e r ei sab a l l a s t l e s st r a c k r o a d b e dt e s t s y s t e mw h i c hb e l o n g s t ot h en a t i o n a l e n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y o f h i 曲一s p e e dr a i l w a yc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t h er o a d b e dm o d e li s3 0 m e t e r sl o n g ，15m e t e r sw i d ea n d6m e t e r sh i g h ( i n c l u d i n g3m e t e r s g e o s y n c l i n e ) ，t h a ti sm a i n l yu s e dt os t u d yt h ed y n a m i c a lr e s p o n s eo f r o a d b e ds t r u c t u r eu n d e rt h es t r a i nl o a d s a tt h et r a i ns p e e do f350 k m h h o wt os i m u l a t et h ee f f e c t sb ys e t t i n ga c t u a t o r si sv e r yi m p o r t m e n t ，胎 d e s i g nt h el o a d sr e f e r r i n gt oc i 之h 3e m u ，c o n s i d e r i n gt h es u p e r i m p o s e d e f f e c tc a u s e db yt h el i v el o a df r o ma d j a c e n tw h e e l s e t so ft h ea d j a c e n t c a r r i a g e s ，s e t t i n g s e v e r a la c t u a t o r sa t s l e e p e r si nt h em i d d l eo ft h e r o a d b e dt os i m u l a t et h et r a n s f e r r i n gl o a do ff a s t e n e r s ，g e t t i n gt h er e f e r r i n g p a r a m e t e r so fa c t u a t o r sa n dl o a dr e a c t i o nf r a m eb y n u m e r i c a la n a l y s i s t h es t u d y i n gc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、a n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei su s e d p l a t e b a l l a s t l e s s t r a c k r o a d b e d a n a l y s i ss y s t e mm o d e li s s e t u pa c c o r d i n g t ot h e d e f o r m a t i o n sa n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa l lt h e p a r t s o ft h e t r a c k r o a d b e ds y s t e ma n dt h ea c t u a ls i z eo ft h em o d e l 2 、a i m i n ga tt h ec o n d i t i o nt h a tt r a i ns p e e di s3 50 k m h ，w h e e ll o a di s 8 5 l ( n ，a n a l y s i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nv e r t i c a ls t r e s s ，e q u i v a l e n ts t r e s s ， v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t ，v e r t i c a ls t r a i n ，e q u i v a l e n ts t r a i n ，v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o na n dt i m ea td i f f e r e n td e p t hb e l o wt h er a i lo nt h em i d d l e s e c t i o no ft h er o a d b e d ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea m p l i t u d eo fe a c h r e s p o n s ea n dd e p t ha l s ob es t u d i e d u p e r i m p o s e de f f e c t c a nb es e e n a m o n gt h e w h e e l l o a d s ，t h ea n s w e r o fr o a d b e di sd if f u s i n ga n d a t t e n u a t i n gf o l l o w i n g t h ei n c r e a s e m e n to fd e p t h ，a n dt h ee f f e c t so f r e s o n a n c ei sa d v i c e dt ob e e nc o n s i d e r e du n d e rt h ed e s i g no fl o a d b e d 3 、n u m e r i c a la n a l y s i si su s e d f a s t e n e rr e a c t i o na m p l i t u d e s f r e q u e n c i e sa n dt r a c kb o a r dd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e sa r eo b t a i n e da t d i f f e r e n tv e l o c i t i e sa n dw h e e ll o a d s a c c o r d i n g t ot h es i m i l a r p r e v i o u s i n f o r m a t i o n ，u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tw h e e ll o a di s 8 5 k n ，a n d t r a i ns p e e di s3 5 0k m h ，t h ea c t u a t o rp a r a m e t e r sa t1 1 0 5 ms e t t i n gl e n g t h o fo 6 5 ms p a c ea r eo b t a i n e d ：s t r e n g t ha m p l i t u d ei s7 6 5 k n ，r o u t ei s i i 0 7 8 m ma n df l e q u e n c yi s4 0 h z ；u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ，t h ea c t u a t o r p a r a m e t e r sa t11 0 5 ms e t t i n gl e n g t ho f1 9 5 ms p a c ea r ea l s oo b t a i n e d ： s t r e n g t ha m p l i t u d ei s16 4 0 7 k n ，r o u t ei s1 0 5 m ma n df l e q u e n c yi s4 0 h z 4 、w ed i s c u s st h es i m u l a t i n gt r a n s m i s s i o ne f f e c to ff a s t e n e r su n d e r s e t t i n ge i g h t e e na c t u a t o r sa t0 6 5 ms p a c ea n ds i xa c t u a t o r sa t1 9 5 ms p a c e ， i ti sf i n dt h a tt h e ya l lh a v eg o o ds i m u l a t i o n 5 、i nc o n s i d e r i n gt h em o d e ls i z e ，a c t u a t o rp a r a m e t e r sr e q u i r e m e n t s a n dt h eb i g g e s td i s p l a c e m e n to fb e a m ss h o u l db es 1 0 mu n d e rl o a do f5 0 t ， w i t hs t a t i cf o r c e ，m o d ea n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，o b t a i n n i n gt h e d e s i g ns i z eo ft h el o a dr e a c t i o nf r a m ea c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fm t s l o a df l a m e k e yw o e r d st r a c k - r o a d b e dd y n a m i c s ，a c t u a t o r , t r a n s m i s s i o ne f f e c t o ff a s t e n e r s ，l o a dr e a c t i o nf l a m e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 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, 另t l d n 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：受坚= 醐：耳年上月毕日 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。 作者签名：妞 导师签名 期：翌年上月肄日 j 4 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 铁路是国民经济的大动脉，承担着繁重的客货运输任务。为适应经济快速发 展，我国在既有线大面积提速同时修建高速铁路客运专线。1 9 9 4 年1 2 月建成我 国第一条准高速铁路一广深铁路【l 】，2 0 0 2 年建成秦沈2 0 0 k m h 客运专线，遂渝高 速铁路客货共线已在运营，郑西、武广、石太、哈大、京沪等一大批时速2 0 0 公里至3 0 0 公里的城际铁路和高速铁路正在加紧建设，这表明我国已经迎来了高 速铁路历史性建设高潮。 高速铁路线路的广泛延伸，必然会产生大量的路基动态学和岩土工程问题， 其中在高速列车长期动荷载作用下产生的路基不均匀沉降和累积塑性变形，是导 致各种路基病害频繁发生的主要因素之一。这种现象在既有线及地铁工程中都有 了实测资料的佐证，如上海地铁一号线建成未通车的2 年3 个月内沉降基本没有 发展，但通车后8 个月内沉降竟达到3 0 6 0 m m ，4 年内甚至达到了1 4 0m n l ；日 本东海道新干线，设计时速为2 1 0k m h ，由于设计时忽略了车辆动态作用，仅仅 采取了轨道加强措施，以致该线路软土段路基沉降难以控制，使运行速度下降到 1 1 0 1 8 0k m h ；上述情况说明在列车移动荷载引起的动应力作用下，路基的长 期附加沉降和变形是非常可观的，甚至直接影响工程的正常使用。无碴轨道对路 基变形要求更高，工后沉降不超过2 c m 【i 】，甚至要求地基沉降为零，随着我国大 面积既有线路的提速和高速铁路的修建，使得列车动荷载引起的路基动态响应分 析及路基沉降控制已经成为亟待解决的关键问题。 目前解决的途径一般有理论研究和实验研究，其中理论研究方法可以归结为 解析法、经验预测模型法和数值模拟法，试验研究包括现场测试实验研究和室内 模型试验。国内对轨道一路基动态响应理论研究不够深入，其研究大多侧重于轮 轨力、车辆一轨道结构的动态响应等方面，而路基模型多采用弹簧一阻尼一集中质 量简化系统，很少将列车一轨道一路基三者做为一个大系统进行耦合分析，亟待建 立完善的列车一轨道一路基动态学理论体系。对于现场测试实验，虽然能很好的研 究路基动态响应，但耗费人力、物力和时间，相比而言，室内模型试验就显示出 了它的不可替代的优越性。 目前的轨道路基动态学模型试验存在以下不足：模型尺寸小，受边界条件 影响大；模拟单轮或单轴加载，无法考虑转向架不同轮对之间的动荷载叠加效应； 积累的高速列车荷载下的轨道路基系统动力学试验数据非常有限。 硕十学位论文 第一章绪论 建设于中南大学的“高速铁路建造技术国家工程实验室”的无碴轨道路基实 验系统，路基模型尺寸为长3 0 m 、宽1 5 m 、高度6 m ( 含3 m 地槽) ，正研究能够 模拟高速列车移动荷载的伺服加载系统，拥有完备的测试手段，包括动应力、动 位移、速度、加速度、单点沉降计、位移传感器等监测元件、位移测量设备、数 据采集系统等。 模型试验中模拟高速列车动荷载时，考虑了相邻两个转向架不同轮对之间的 动荷载叠加效应，在列车运营速度高达3 5 0 k m h 情况下，如何通过作动器模拟其 作用效果具有重要研究意义。本文通过建立板式无碴轨道路基三维有限元分析 模型，探讨了轨道路基结构动态响应特性，得到了作动器选型参考参数和加载 门架设计参考参数。 1 2 无碴轨道结构研究现状 铁路的高速运营，必然对轨道路基系统的动态特性产生较大变化，如路基 动应力、动变形、速度及动加速度等，其大小与分布的变化对路基的影响也相应 改变。传统的有碴轨道在列车高速下就越加显出了它的不足：碎石道床在列车的 长期荷载下，产生变形及道碴的磨损与粉化，从而使轨道几何尺寸难以维持，维 修周期短、费用大，而列车的高速运行使得这些问题更加突出，如道碴的使用周 期减少一半、维修费用增大一倍；碎石道床变形的产生及列车速度的提高使得有 碴轨道结构的平顺性和稳定性比较差。无碴轨道结构采用塑性变形小、耐久性好 的混凝土或沥青材料代替有碴轨道结构中容易磨耗、粉化和破碎的道碴材料，解 决了有碴轨道存在的稳定性差、维修量大的问题。其具有轨道平顺性高、刚度均 匀性好、轨道几何形位能持久保持以及维修工作量仅为有碴轨道的1 0 等特点， 在世界各国铁路上得到了程度不同的发展。 1 2 1 国外研究现状 为了适应列车高速运行的需要，各国都在积极开发高平顺、少维修的无碴轨 道结构，4 0 多年来，国外出现过1 0 0 多种无碴轨道结构形式( 其中德国有9 9 种形 式) ，但只有近3 0 种无碴轨道结构形式得以试铺和运用，铺轨长度不到 4 0 0 0 k m l 2 - 5 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 9 7 1 年日本山阳新干线上首次应用无碴轨道，随后获得迅速发展，2 0 世纪 8 0 年代以来修建的新干线，无碴轨道比例都在8 5 以上。日本铁路由于其独特 的地理条件以及劳动短缺等原因，极力发展板式轨道，日本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，开发出适用于隧道和高架桥上 2 硕士学位论文第一章绪论 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，以及防振 型轨道板等。 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，研究首先解决 了土质路基铺设的技术问题，然后逐步推广到隧道和桥梁上，从而为全区间铺设 无碴轨道创造了有利条件。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 3 k m ，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 0 k m ，其结构形式以r h e d a 型为主，在此基础 上，通过在道床板与底座间增设减振层，实现在特殊地段的减震要求。 法国以有碴轨道为代表的高速铁路国家也意识到了有碴轨道的缺陷和无碴 轨道的优势，开始了无碴轨道的研究与试验，还在t g v 地中海线靠近马赛的一 个隧道内进行无碴轨道试验，运行速度达到2 4 0 k m h ：英国的设计时速2 0 0 k r n h 的英吉利海底隧道采用了弹性支承块式无碴轨道，并于1 9 9 3 年6 月开通运营； 韩国高速铁路第一期工程新建线路光明站一大邱，铺设了长度共计2 6 9 1 l k m 的 传统r h e d a 无碴轨道。中国台湾高速铁路，原设计无碴轨道比例为4 5 ，现全 部改为无碴轨道；荷兰还针对软土问题设计了梁一桩结构用无碴轨道；西班牙、 意大利、比利时等高速铁路都进行了无碴轨铺设。 1 2 2 国内研究现状 中国已修建了3 0 0 k m 左右的无碴轨道，对其研究始于2 0 世纪6 0 年代，与 国外研究几乎同时。最开始的研究是通过试铺支撑块式、短枕式、整体灌注式等 整体道床以及沥青道床等，在成昆线、京原线、京通线、南疆线、京九线等上都 有铺设，总长度约3 0 7 k m 。随着国家“九五”科技攻关专题“高速铁路无碴轨道设 计参数的研究”的提出，无碴轨道在我国重新得到重视。并提出了适用于高速铁 路桥隧结构上的三种无碴轨道形式：板式、轨枕埋入式和弹性支承块式( 轨枕嵌 入式) 无碴轨道1 6 - 7 j 。 铁道部科技开发计划项目“高速铁路高架桥上无碴轨道关键技术的试验研 究”中，完成了对三种结构形式的无碴轨道实尺模型的铺设及各项性能试验。追 寻维修少、寿命期长的轨道结构；恰当的路基基底处理措施及合理的桥梁结构； 适应中国轨道电路传输长度的解决方案等一直是需要进一步解决的问题。如为了 进一步优化轨枕埋入式无碴轨道结构，铁科院在铁道部高速办的指导下，提出了 双块式无碴轨道( 简称t b s 型) 结构方案。在遂渝线综合试验段的双块式无碴 轨道共计铺设了9 7 0 k m ，分别铺设在路基和隧道地段。郑西线上在遂渝线综合 试验段铺设的双块式无碴轨道及德国r h e d a 2 0 0 0 、旭普林轨道的基础上，结合铁 道第四勘察设计院的研究成果设计出了跟郑西线的平面、桥隧、地质、轨道电路 要求等实际情况相符合的双块式无碴轨道。双块式无碴轨道结构的主要特点是结 硕十学位论文第一章绪论 构简单，轨道施工是自下向上施工，施工机具相对简单：道床板上层纵向钢筋只 有四根，纵横向钢筋节点较少，采用绝缘套管绝缘，可施工性强，绝缘效果可靠。 另外一方面，由于现场施工混凝土污工量大，施工进度受到影响，且施工过程应 该严格控制施工工艺，避免轨枕和混凝土道床板之间出现裂型引。 为了在我国客运专线推广应用无碴轨道，2 0 0 4 年底在遂渝线开展了无碴轨 道试验段研究，同时分别在郑西、武广和京津城际开展了四个中外联合设计、施 工无碴轨道的综合试验段。根据遂渝线综合试验段的无碴轨道铺设类型( 板式和 双块式) ，结合四个中外联合试验段参加投标的轨道类型( 板式、r h e d a 2 0 0 0 、旭 普林、博格) 和铁道第四勘察设计院对于无碴轨道的研究，并考虑到旭普林轨道 和r h e d a 2 0 0 0 在结构上均属于双块式系列，所以对郑西客运专线进行了板式轨 道、双块式无碴轨道和博格板式轨道技术经济的比较研究。无碴轨道的大量铺设 已经成为世界高速铁路轨道结构利用的趋势。 1 3 高速铁路轨道一路基系统研究现状 1 3 1 路基土动变形的研究 对路基动念变形的研究主要是在砂土的抗震液化和循环荷载下的变形特性。 在列车循环荷载下，路基土的变形有弹性变形和塑性变形，当荷载较小且循环次 数较少时，路基土体主要产生弹性变形，但荷载较大且循环次数较多时，路基土 体主要产生塑性变形，是由于颗粒间的相互滑移产生新的排列，出现了土体间的 挤密状态。d l h e a t he ta l 9 l 整理伦敦粘土三轴试验累积应变和荷载作用关系时得 出，土体存在一个临界动应力，当动应力超过了时，塑性变形不断发展， 而动应力小于矿，时，土体塑性变形随振动次数增加而趋于稳定。b a r k s d a l e ! l o 】通 过研究不同颗粒材料的永久变形发现，在动应力较小时，塑性变形的累积随荷载 作用次数的增加而减小，而动应力超过某一临界值时，塑性变形的累积随荷载次 数的增大而增大，并导出了轴向塑性变形的计算公式。h a r g i s t l l 】对循环荷载作用 下颗粒材料动念特性进行了研究，通过石灰石集料的动三轴试验总结出回弹模量 及永久变形的计算式。m o m m i t h f l 2 】研究了重复荷载下击实条件、应力水平和应 力路径对粘土路基永久变形的影响发现，塑性应变率随荷载作用次数增加而减 小，在受到高应力水平前先受低应力水平的作用，其永久变形比直接受高应力水 平作用的要小，并导出了累积塑性应变的表达式。b r o w n p 3 】通过对饱和粘性土路 基的永久变形的研究，提出了有效应力分析的方法，得出对于超固结比的土，塑 性变形即使到了荷载作用1 0 6 次后仍在发展。如果按l 嬲l l i n e 【1 4 1 设定的破坏标准 4 硕士学位论文 第一章绪论 ( 应变率增长点为破坏点) ，可以得出动强度约为静强度的9 0 ，这同h e a t h 对伦 敦粘土，l a r e w 和l c o n a r d s 对于击实粘性土的“临界强度”的概念一致，并得到了 应变率关系式。u sd e p a r t m e n t o r t r a n s p o r t a t i o n b 】对道碴、路基材料及轨道系统 做了综合研究，其中包括道碴及路基土的永久变形特性，并给出了不同的计算模 型，认为路基土永久变形的计算式与m o n i s m i t h 相同，影响路基永久变形的主要 因素有含水量和密度、应力水平、应力历史、冻融循环等。b g e o r g e l l 6 】基于对动 态问题的累积残余变形和由于蠕变而产生变形的对比性分析，提出了一种计算砂 土在反复荷载作用下永久变形和应力的数值模型，它采用蠕变公式来代替往复荷 载作用下的应力一应变公式，可以描述三维情况下的应变累积，还可以被应用于 整个边界和动载条件，因公式是用有效应力来表示，故排水和不排水问题可以用 一套参数来解决。循环荷载下土的累积残余变形也有采用能量守恒原理来研究， n e m m n a s s e re ta l i 。7 1 分析无粘土的密实度和液化特性时首先引入能量的概念。 t l c a oe ta l t l 8 j 对于循环三轴和共振柱试验，用能量的概念对海洋粘土的动态特 性进行了研究，表明海洋粘土在动荷载作用下的变形特性是动态剪切模型减小及 塑性变形增加，它们与消散能之间有唯一关系。e u g e n ea v o z n e s e n s k ye ta l t l 9 1 基 于热动态学原理和试验手段，采用单位能量法来分析得到动载下土体由于累积塑 性变形达到某一临界值而破坏。 1 3 2 轨道一路基系统动态响应研究 我国路基设计以往采用的静态或准静态方法【2 们，如路基土的应力。对于移 动荷载的动态响应问题，在弹性动态学领域，上世纪五十年代就有人进行了研究， 但主要是针对弹性均质的空间、半空间，研究中普遍借助于积分变换这一有力的 数学工具。但精确地分析无限介质和半空间在运动点源荷载下的弹性波激发问题 相当复杂。目前动态分析的方法有：拟静力法、n e w m a r k 方法和动态有限元法。 杨英豪、王杰贤f 2 ”通过建立在半空间表面上作用有均匀的、无限线分布竖 向扰力模型来模拟列车运行时动载产生的扰力，得到了竖向和水平向振动位移衰 减公式，公式较好地反映列车运行时振动波在土中的传递规律。李军世1 2 2 j 对循 环荷载下轨道路基结构数值计算做了很多假设，把路基结构当作一个绝对平顺 的刚性基础，研究多侧重于轮轨相互作用，对路基的考虑是把它作为一个集中质 量块纳入系统，不考虑路基体内的动变形和加速度，这种分析模型未考虑车轮 轨道路基系统的耦合作用。李定清【2 3 】采用阻尼和弹簧系统来等效轨下基础，考 虑接头几何不平顺，采用有限元和直接积分方法，应用弹性点支撑理论模型，分 析轮轨下作用力和部件的动态响应。陈道兴【2 4 】在其基础上又建立了包括车辆悬 挂、轮轨接触、轨道支撑非线形弹性影响的轮轨动态分析模型。霍婉明1 2 5 j 提出 了把轨道路基结构视为一系列的弹簧结构来考虑动态影响的车辆一轨道模型。雷 硕十学位论文第一章绪论 晓燕1 2 6 】将研究重点放在轨道结构部分，采取粗化上部结构细化下部结构的方式， 建立了包括钢轨、轨枕、弹性垫层、道床、路基为一体的轨道结构分析模型，轨 道结构空间分析模型输入为各轨枕上的荷载谱，考虑了路基轨道一车辆系统的空 间特性。雷晓燕【2 7 】利用车轮轨排道渣为一体的有限元动态计算模型求得轨枕作 用在道床顶面的荷载谱，将该荷载谱作为道床动态分析的输入，研究了高速列车 对不同道碴厚度的动态响应。h j e n k i n s i 弱j 根据已有的研究成果和试验数据，用一 个激振力函数模拟列车动荷载，它是有由一系列正弦函数叠加而成。毛利军、雷 晓燕【2 9 1 将轨道高低不平顺视为平稳各态历经随机过程，利用车辆轨道耦合动态 有限元计算模型，借用美国a a r 标准的6 级线轨道谱作为激扰输入，对车辆 轨道系统垂向随机振动进行竖直计算，并在时域和频域内对系统响应做了分析。 1 4 路基结构模型试验研究 模型试验主要有小比例模型试验、大比例模型试验( c 乏1 3 0 ) 、实尺模型试 验和土工离心模型试验。模型试验在土工科学研究中得到了广泛应用，在土工科 学研究中，模型试验的主要优点有【3 0 i ： 可以严格控制试验对象的主要参数而不受外界环境的影响： 可以突出主要因素而忽略次要因素，便于改变因素和进行重复试验，有利于 验证或校核新的理论； ( 与直接进行的现场原位试验相比) 节省人力、物力和时间； 对某些正在设计的结构，可用模型试验来进行方案设计并校核方案的合理性； 当所研究的对象尚未或难以建立数学模型时，模型试验可能是最重要的研究 手段。 路军富【3 l 】通过对模型尺寸为：长度宽度高为1 2 0 c m x1 2 0 c m x6 0 e m 的缩 尺试验，模拟列车静载加载与列车轮载为正态分布的动载加载，得到了路基中动 应力随深度增加而减小，最大影响深度达4 8 m ，在动载与静载组合荷载下路基 土中的应力表现为各单一荷载作用时应力相加。李章锋【3 2 1 为了研究磷石膏改良 土用作路基及基层填料的动态特性，选择了模型试验尺寸：路面宽度为2 5 0 c m 、 路基底面宽为4 0 0 c m 、线路纵向长度为3 6 0 c m 和路基高度为9 0 c m ，通过静载、变 荷载、重复加载三种加载方式得到了路基不同深度应力、应变随荷载大小的变化 关系。王坤【3 3 】利用相似原理，通过模型桩直径5 0 m m 、桩长7 0 0 m m 的p v c 管代 替实际桩径l m 、桩长4 m 的模型试验探究路堤荷载下刚性桩复合地基中土工格 栅的作用，研究土格工栅之间的力及其对复合地基桩土应力、轴力、应变、表面 沉降、桩土应力比等的影响，通过测的据数分析土工格栅对路堤荷载作用下刚 6 硕十学位论文 第一章绪论 性桩复合地基的作用。冯立斟驯采用混凝土基础板尺寸为：长度宽度厚度为 1 1 2 0 m m 1 6 0 0 m m 2 0 0 m m ，基床尺寸为：长度宽度厚度为 1 1 2 0 m m x 2 6 0 0 x 2 2 0 0 m m 的模型试验，通过在钢轨上放加载梁，在路基中间单点 加载，测试基床的动应力、动位移、加速度、累积沉降和基床坡面的垂向位移、 横向位移，确定基床结构是否满足高速列车长期运行所需要的动态稳定性。牛国 辉1 3 5 】采用模型箱尺寸为：长x 宽高为4 8 m x1 9 m x1 1 m ，几何相似比为l ：1 2 的大比例模型试验研究桩板结构路基的动态特性。华政辉1 3 6 1 通过模型底部长约 8 0 0 e m 、宽约4 0 0 c m 的足尺试验，研究了不同压实系数和含水量情况下，路基路 面结构的应力应变特征和动态响应。赵勇【3 7 】通过模型长宽高为 4 0 m x 2 4 m x 2 7 m 的l ：1 实尺试验，研究了距挡墙不同距离的荷载位置及不同 荷载幅值对挡墙土压力的影响。林青1 3 8 1 采用模型尺寸：长度宽度为 5 7 0 e m x3 0 0 c m 的足尺试验，通过在钢轨上放加载梁，在路基中间单点加载，测 试路基应力、应变随荷载大小和深度的变化关系。陈睿1 3 9 1 利用模型率为8 0 的离 心模型试验研究无喳轨道桩板和桩网结构路基面累积沉降。可见针对路基结构的 模型试验主要用于研究以下内容：路基动应力、永久变形、弹性变形和加速 度随列车荷载重复作用次数、轴重及运行速度的变化规律；不同基床结构的动 态学特性；不同厚度级配碎石基床表层结构的动态特性。所采用的模型槽从 1 2 0 m x1 2 m x 0 6 m 到4 8 m x1 9 m x1 1 m 、4 0 m x 2 4 m x 2 7 m 不等。浙江大学正在筹 建的大型物理模型槽( 1 5 m x 6 m x 5 m ) ，用于揭示列车荷载下路基沉降的发生过 程和机理，验证路基加固技术。目前国内外模型试验的总发展趋势是实现试验技 术现代化、试验对象大型化、复杂化。相比与小比例模型试验和大比例模型试验 ( c 宦1 3 0 ) ，实尺模型试验显示出了它无法取代的优越性，如模型材料采用原型 材料，可以最大限度的模拟原型的主要特征；可以克服由于模型尺寸小而造成的 测试元件及其边界对模型的干扰。 1 5 本文主要工作 本文通过数值分析，探讨了作动器加载幅值、相位差与轴重和运行速度的关 系，得到作动器选型时参考参数，进而通过伺服加载系统模拟列车的高速运行。 本文的主要工作有： 1 、综述了国内外无碴轨道结构及轨道路基系统动态响应研究现状。 2 、采用a n s y s 有限元分析软件，建立了基于模型试验的板式无碴轨道路 基系统分析模型，根据所建模型分析路基动态响应特性。 3 、通过数值分析，探讨了扣件最大反力、频率和轨道板上面最大位移与轮 7 硕十学位论文第一章绪论 重和运行速度的关系，并得到了作动器选型时的参考参数。 4 、基于所建模型，在路基中间扣件对应处设置间距0 6 5 m 且布置长度为 1 1 0 5 m 的1 8 个作动器，通过对比1 个作动器加载和实际列车加载，分析1 8 个作动 器加载模拟扣件传力的效果。 5 、在路基中间扣件对应处设置同等布置长度1 1 0 5 m ，但问距1 9 5 m 的6 个作 动器，并与l s - t 作动器加载和列车加载进行对比，分析了它直接和间接加载模拟 扣件传力的效果。 6 、根据作动器的参数要求，并结合反力架在5 0 t 静载作用下的最大横梁变形 s 1 o m m 的要求，参照m t s 疲劳加载的钢门架进行加载反力架设计。 8 硕+ 学位论文第二章轨道一路基系统模型的有限元分析 第二章轨道一路基系统模型的有限元分析 2 1 有限单元法基本原理和方法 2 1 1 数值分析方法简介 在科学领域，对于许多力学和物理问题，人们很早就得到了它们所遵循的基 本方程( 常微分方程或偏微分方程) 和相应的定解条件，但能运用解析的方法得 到精确解的只适用少数比较简单的情况，对于大部分问题( 如问题的非线性，几 何的复杂性) 是得不到解析解的。因此多年来人们寻求和发展了另一种求解方法 数值解法。特别是随着电子计算机的普及与发展，数值计算已成为科学研究与 工程设计中必不可少的主要手段。 数值解法可以分为两类：一类是有限差分法，它是直接求解基本方程和相应 定解条件的近似解；另一类是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效 的积分提法，然后据之建立近似解法，如配点法、最d x - 乘法、力矩法、g a l e r k i n 法等。虽然这两类方法在不同领域、不同类型问题中得到了成功运用，但也只是 局限于几何形状规则的问题，对于形状复杂的问题，很难得到合乎要求的近似函 数。有限单元法的出现，是数值计算领域的一大突破。 有限单元法的处理思路【4 0 】首先是把连续体离散为一组有限个、按一定方式 联合在一起的单元的组合体，在单元间的连接点处引进等效力以代替实际作用于 单元上的外力；其次对每一个单元根据分块近似的思想，选择一个简单的函数来 近似表示其位移分量，并按弹、塑性理论中的变分原理建立单元节点力与位移之 间的关系；最后把所有单元的这种特性关系集合起来得到一组以节点位移为未知 量的代数方程组，由这方程组可以求出物体上有限个离散节点上的位移分量。早 期的有限元法是建立在虚位移原理或最小势能原理基础上，后来一些学者又提出 一些新的变分原理和广义变分原理，并相继出现一些适应性更强、计算精度更高 的新型单元模型，如：应力混合单元、杂交单元、杂交混合单元和广义协调单 元等等。 近5 0 年来有限元方法已经有了巨大的发展，其应用领域已从单一的结构分 析扩展到温度场分析、电磁场分析、流体流速场分析及声场分析等许多领域。其 分析问题的类型已从最初的线性稳态问题，如：平衡问题、特征值问题等，发展 到顺态响应问题、非线性问题及多介质的耦合问题，如：振动响应问题、碰撞问 题、塑性成形问题、声固偶合问题及流体与固体偶合问题等等。 随着力学理论、计算数学和计算机技术等相关学科的发展，有限元理论也得 9 硕十学位论文 第二章轨道路基系统模型的有限元分析 到不断完善，成为工程分析中应用十分广泛的数值分析工具，特别是在现代机械 工程、车辆工程、航空航天工程、土建工程中发挥着越来越大的作用，是现代 c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术的核心内容之一。 2 1 2a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件，可广泛应用于土木、地质、矿业、材料、机械、仪器仪表、热工、 电子、水利、生物学和原子能等工程的分析和科学研究。由世界上最大的有限元 分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据 的共享和交换，如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n ，a l o g o r , i - - d e a s ，a u t o c a d 等。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理 模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模 型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分 析) 、流体动态学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合 分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处 理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、 立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也 可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型， 用来模拟工程中的各种结构和材料。 2 2 模型的建立 板式无碴轨道结构包括钢轨、轨下扣件、轨道板、c a 砂浆、混凝土支撑板 等，它直接承受车辆荷载，并将荷载传递到路基上。列车荷载属于动荷载，具有 一定的随机性，因此轨道各部分在列车动荷载下的振动形态也各异，实测资料表 明，在轮轨力下钢轨的变形与振动形态主要表现为垂向振动与弯曲变形、横向振 动与横向弯曲变形、钢轨沿延长方向的扭转变形与振动；轨下扣件在轨道结构中 起着减振与限位的作用，并将部分衰减后的轮轨力传递给轨道板：c a 砂浆有横 向和垂向减振作用。 从上述分析可以发现轨道结构各组成部分在列车荷载作用下所起的作用和 振动形式是不一样的，基于分析建立轨道路基系统动态分析模型。如钢轨可以 采用基于t i m o s h e n k o 梁理论或e u l e r - b e m o u l l i 梁理论的梁单元模拟，轨下扣件 可以采用弹簧阻尼单元来模拟，轨道板可以采用板单元来模拟，c a 砂浆可以采 用表面效应单元或板单元来模拟。 1 0 硕十学位论文 第二章轨道路基系统模型的有限元分析 2 2 1 模型里结构单元的选取 1 、钢轨 钢轨采用b e a m l 8 8 梁单元，b e a m l 8 8 单元适合分析纤细的、不怎么粗短 的梁结构。b e a m l 8 8 是线形( 两节点) 三维梁单元，在每一个节点有6 个或7 个自由度，当k e y o p t ( 1 ) = 0 时，每个节点有六个自由度，分别为x 、y 、z 三 个方向的位移自由度和绕x 、y 、z 轴的三个转向自由度。当k e y o p t ( 1 ) = i 时， 将有7 个自由度( 考虑翘曲变形) 。计算时未考虑翘曲变形，也就是每一个节点 有6 个自由度。 b e a m l 8 83 d 线形有限应变梁单元是基于t i m o s h e n k o 梁理论，考虑了剪切 变形效应。t i m o s h e n k o 单元强形式基本方程为： 几何关系 梁曲率变化r 几何定义表示为 k ：挈 ( 2 1 ) 斑 梁截面与中面相交处的剪切应变为7 ：半一目 ( 2 2 ) 应力应变关系m ：e 1 k ：e 1 垡 d r 2 平衡方程 q = 丝d x = e 1 d 3 w ( 2 3 ) ( 2 4 ) 一警= e 1 d 引4 w - g ( 小诒 ( 2 - 5 ) 一d w w = w ,= i 篆篙d x = t j t 协6 ； 这样与上述方程相等效的最小势能原理是以下泛函丌。( w ) 取最小值： n p ( 们= 扣r 2 出+ f 2 出一f g w 出一z ，6 w , + ；m 。幺+ f 三州( 忉出