（道路与铁道工程专业论文）高速铁路桥上有砟轨道力学特性及结构选型研究.pdf

中文摘要 摘要：无砟轨道由于具有稳定性好、维修工作量少等特点，成为高速铁路轨 道结构的发展方向。我国京沪高速铁路以无砟轨道为主，但是在部分高架车站、 大跨度桥梁，考虑到有砟轨道具有较好的减振性能，仍然采用有砟轨道结构。京 沪高速铁路正线有砟轨道铺设地段占正线铺轨总长的9 ，其中桥上有砟轨道约占 总有砟轨道长度的7 7 。桥上有砟轨道结构复杂、设计较难。目前我国对高速铁 路桥上有砟轨道结构研究较少，特别是对时速3 0 0 k m 以上的高速铁路桥上有砟轨 道结构更是没有涉及。因此，本文通过研究高速铁路桥上有砟轨道的力学特性， 为我国高速铁路桥上有砟轨道的结构设计提供了理论依据，研究成果将直接服务 于京沪高速铁路的建设。因此，本文研究对我国高速铁路的发展具有重要的理论 与现实意义。 本论文从车辆一轨道一桥梁系统的角度出发，以京沪高速铁路为例，主要做了 以下几点工作： 1 综述了国内外有砟轨道的发展概况，重点对日本、德国、法国的高速铁路 桥上有砟轨道的发展历程，结构特点等进行了分析，并指出了高速铁路桥上有砟 轨道存在的主要问题。 2 结合我国高速铁路有砟轨道结构特点，利用多体动力学软件a d a m s r a i l 及大型有限元软件a n s y s 建立了高速车辆有砟轨道一桥梁的三维动力分析模型， 该模型考虑了轨道系统的不平顺，并选取德国低干扰谱来模拟。 3 利用上述建立的三维动力模型，研究了桥上i i i 型轨枕有砟轨道结构、桥上 宽轨枕有砟轨道结构及桥上梯形轨枕有砟轨道结构的车辆一轨道一桥梁系统动力学 性能，并从车辆、轨道、桥梁这三方面的动力响应对其力学特性进行对比研究。 在此基础上对我国高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型提出建议。 4 以高速铁路桥上i i i 型轨枕有砟轨道结构为例，选取扣件刚度、枕下胶垫刚 度、道床弹性模量及砟下垫层形式这些关键因素，对高速铁路桥上有砟轨道的动 力特性进行了参数影响分析。在此基础上对我国高速铁路桥上有砟轨道的设计提 出建议。 图6 0 幅，表3 2 个，参考文献7 6 篇。 关键词：高速铁路；桥上有砟轨道；动力学特性；轨枕选型；参数优化 分类号：u 2 1 3 2 a b s t r a c t ：w i t he x c e l l e n ts t a b i l i t ya n dl o wm a i n t e n a n c ew o r k l o a d ，n o n b a l l a s t e dt r a c kb e c o m e st h ed e v e l o p m e n td i r 烈z t i o no ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yt r a c k s t r u c t u r e m o s tl i n eo fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h - s p e e dr a i l w a yi sn o nb a l l a s t e dt r a c k c o n s i d e r e db a l l a s t e dt r a c kh a sb e t t e rd a m p i n gp e r f o r m a n c e ，b a l l a s t e d 的c ki su s e df o r s o m ee l e v a t e ds t a t i o n s ，a n dl o n g - s p a nb r i d g e sa n d8 0o n 9 o fb e i j i n g - s h a n g h a i h i g h - s p e e dr a i l w a y sm a i nl i n ei sb a l l a s t e dt r a c k ，a n d7 7 o fi t i so nt h eb r i d g e b a l l a s t e dt r a c ks t r u c t u r eo nb r i d g eo fh i g h - s p e e dr a i l w a yi sc o m p l i c a t e d n o wt h e r ei s n os y s t e m a t i cr e s e a r c ho ni ti no u rc o u n t r y , e s p e c a i l l yf o r t h el i n ew h i c hs p e e di sm o r e t h a no re q u a lt o3 0 0 k m h s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt om a k ear e s e a r c ho nb a l l a s t e dt r a c k s 劬c t u r eo nb r i d g eo fh i g h - s p e e d r a i l w a y b yr e s e a r c ho nm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co f b a l l a s t e dt r a c ks t r u c t u r eo nb r i d g eo fh i g h - s p e e dr a i l w a y , t h et e x tc o u l dp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no f h i g h s p e e dr a i l w a yb a l l a s t e dt r a c ks t r u c t u r eo nb r i d g e , a n dt h er e s u l t sc a nb eu s e df o rt h ec o n s t r u c t i o no fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h - s p e e d r a i l w a y t h er e s e a r c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rd e v e l o p m e n t o fh i g h - s p e e dr a i l w a yi n o u rc o u n t r y b a s e do nt h ev i c h e c l e - b a l l a s t e ds t r u c t u r e - b r i d g es y s t e m ，t a k i n gb e i j i n g - s h a n g h a i h i g h - s p e e dr a i l w a y a sa ne x a m p l e , t h ea u t h o rm a i n l yd o e st h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 t h ed o m e s t i ca n da b r o a dd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no v e r v i e wo nb a l l a s t e d t r a c ki sd i s c u s s e d , e s p e c i a l l yf o rh i g h - s p e e dr a i l w a yb a l l a s t e dt r a c ks t r u c t u r eo nb r i d g e i nj a p a n ，f r a n c ea n dg e r m a n a n dt h e nt h ee x i t i n gd e f l e c to fh i g h - s p e e dr a i l w a y b a l l a s t e dt r a c ks t r u c t u r eo nb r i d g ei sp o i n t e do u t 2 i na c c o r d a n c ew i mb a l l a s t e dt r a c ks t r u c t u r e 8c h a r a c t e r i s t i ci no u rc o u n t r y , t h e a u t h o re s t a b l i s h e sat h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m i cm o d e lo fv i c h e c l e - b a l l a s t e d s t m c t l 】r e b r i d g ! eb ya d a m s r a i la n da n s y s t h et r a c ki r r e g u l a r i t yi sc o n s i d e r e dw i t h t h eg e r m a n yl o w d i s t u r b i n gs p e c t r u mi nt h i sm o d e l 3 b a s e do nt h ef o r m e rm o d e l ，t h ea u t h o rm a k e sar e s e a r c ho ns y s t e m sd y n a m i c d l a r a c t e r i s t i c so f3d i f f e r e n tc o n l m o ns l e e p e r sb a l l a s t e dt r a c ks 虮l c t u r eo nb r i d g eo f h i g h - s p e e dr a i l w a y , w h i c hi n c l u d ei i i t y p es l e e p e rb a l l a s t e dt r a c ks t r u c 毗b r o a d s l e e p e r , a n dl a d d e rs l e e p e r a n db yac o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，a p r o p o s a lo fs l e e p e r ss e l e c t i o ni so f f e r e dt ot h ed e s i g no fh i g h s p e e dr a i l w a y b a l l a s t e d t r a c ks t r u c t u r eo nb r i d g e v 4 i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rt a k e si i i t y p es l e e p e rb a l l a s t e dt r a c ko nb r i d g ea sa l l e x a m p l e ，a n a l y s e st h ee f f e c to fs o m ek e yp a r a m e t e r s ，s u c ha sf a s t e n e rs t i f f n e s s ，s t i f f n e s s o fr u b b e rp a du n d e rs l e e p e r , e l a s t i cm o d u l u so fb a l l a s t ，a n dm a t t r e s su n d e rb a l l a s t ，o n t h es y s t e m sd y n a m i cp e r f o r m a n c e b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，s u g g e s t i o n sa r ep u t f o r w a r df o rt h ed e s i g no fh i g h s p e e dr a i l w a yb a l l a s t e dt r a c ks t r u c t u r eo nb r i d g e f i g u r e ：6 0 ；t a b l e ：3 2 ；r e f e r e n c e ：7 6 k e y w o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；b a l l a s t e dt r a c ko nb r i d g e ；d y n a m i cm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c ；s l e e p e r ss e l e c t i o n ；p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n c i 。a s s n o ：u 2 1 3 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弓礼彰p 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 9 1 致谢 本论文的工作是在我的导师高亮教授的悉心指导下完成的，高亮教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。高亮教授深厚扎实的理论 基础和渊博的专业知识，不断进取的科研精神，平易近人的工作作风，让我终身 受益。高亮教授不仅悉心指导我们完成学业，而且在生活上也给予了我很大的关 心和帮助，在此向高亮老师表示最衷心的敬意和感谢。 在我硕士学习的这两年期间，土木建筑工程学院道路与铁道工程系王连俊老 师、谷爱军老师、彭华老师、白明洲老师、肖宏老师及蔡小培老师等在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此也向他们表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，综合试验楼8 1 7 、8 1 8 实验室的所有师兄、师 姐都给予了热情的关心与帮助，特别是辛涛师兄、曲村师兄、马鸣楠师兄，曲建 军师姐、郝建芳师姐给予了我极大的帮助，在此向他们表达我由衷的感激之情。 另外与常卫华、郭积程、乔神路、滕东宇共同学习的两年中，他们所表现出来的 扎实的专业知识，活跃的思维，严谨的作风及刻苦钻研的精神深深感染着我，在 此也要特别感谢他们对我学业完成提供的鼓励、支持和无私帮助。此外，要感谢 所有曾支持、鼓励、帮助过我的所有同学和朋友，向你们致意我最真诚的祝福! 最后要感谢我的爸爸、妈妈，感谢他们在生活上给予我无微不至的关怀和照 顾，感谢他们对我始终如一的支持和鼓励，使我能安心于学业。在此对他们致意 我最崇高的敬意和感谢! 1 绪论 1 1 引言 交通运输发展的历史就是一部速度不断提高的历史，特别是近半个世纪以来， 随着世界各国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对于出行条件要求越来越 高，因此在世界范围内引发了一场深刻的“交通革命 。在此期间，高速铁路在 世界各国得到迅速发展，并形成了以日本新干线、法国t g v 和德国i c e 为代表的 高速铁路结构。高速铁路的特点是高速度和高密度，目标是高安全性和高乘坐舒 适性，因而要求轨道结构必须具备高平顺性和高稳定性。 高速铁路轨道结构主要类型有：有砟轨道和无砟轨道。有砟轨道是铁路的传 统结构形式，在国内外已获得广泛应用。在已开通运营的6 4 9 7 k m 高速铁路线路上， 有砟轨道比例为7 5 ，无砟轨道比例为2 5 【l 】。有砟轨道结构具有建设费用低、噪 声传播范围小、建设周期短、破坏时修复时间短、自动化及机械化维修效率高、 轨道超高和几何状态调整简单等优点，但随着铁路运营速度的不断提高，其缺点 也逐渐显现，特别是维修工作量大、道砟易飞散、桥上道床稳定性差等问题已严 重制约其发展。而无砟轨道作为一种新型轨道结构，具有使用寿命长、线路状况 良好、不易胀轨跑道、高速行车时不会有石砟飞散等优点，因此无砟轨道在国外 高速铁路上获得了越来越广泛的应用，其铺设范围己从桥梁、隧道发展到土质路 基和道岔区，无砟轨道结构在高速铁路上的大量铺设已成为发展趋势。 但是由于部分高架车站、大型始发站、桥上大号码道岔区、大跨度桥梁为不 宜铺设无砟轨道的地段，且这些地段铺设无砟轨道的技术也不成熟。因此，在这 些地段就不得不采用有砟轨道。例如在德国铁路桥梁及其它工程结构物规范 d s 8 0 4 中明确规定，铁路桥梁原则上必须采用有砟轨道结构。再结合我国目前正 在修建的京沪高速铁路来看，京沪高速铁路正线有砟轨道铺设地段共计 1 0 8 3 3 2 6 k m ，这些有砟轨道主要分布在黄河主桥( 桥垮结构为11 2 + 3 x 1 6 8 + 11 2 m 钢架桥) 、大胜关长江大桥、镇江京杭运河特大桥上大跨度( 9 0 + 1 8 0 + 9 0 m ) 连续 梁拱、北京南站外低速运营区段( 8 0 0 m 曲线半径地段，同时包含7 1 + 1 2 0 + 7 1 m 连 续梁) 等不宜铺设无砟轨道地段，其中桥上有砟轨道合计8 3 3 4 1 7 k m ，约占总有砟 轨道长度的7 7 。这样就给传统的有砟轨道提出了一系列新的问题，尤其是针对 我国未来将要建设的高速铁路来看：如果将传统的有砟轨道应用在不宜铺设无砟 轨道的地段，特别是一些高速铁路桥上时，将产生一系列新的问题。 桥上有砟轨道结构复杂、设计较难，而且我国针对高速铁路桥上有砟轨道结 构没有进行过系统研究，在许多方面没有涉及或研究的不够充足。我国高速铁路 有砟轨道又有着自己的特点，与法国、德国和日本高速铁路有砟轨道不尽相同。 因此，本文将结合我国高速铁路有砟轨道特点，重点研究不同轨枕形式的高速铁 路桥上有砟轨道动力学特性，并对高速铁路桥上有砟轨道结构的关键参数进行了 优化分析，以弥补高速铁路有砟轨道研究的不足。研究成果对高速铁路桥上有砟 轨道结构选型分析具有一定的指导意义，并对我国高速铁路的发展具有重要的理 论与现实意义。 1 2 国内外高速铁路有砟轨道的发展概况 由于高速铁路车辆运行速度快，且具有全封闭、高度自动化、高效率、高舒 适度、高安全性等特点，使得高速铁路在世界许多国家得到快速发展。其中，以 日本、法国、德国三个高速铁路技术原创国代为表。高速铁路发展初期这三个国 家均使用有砟轨道结构，到后期，日本与德国分别将无砟轨道作为其研究及发展 的主要结构形式，只有法国是唯一以有砟轨道为主型轨道结构的国家。 1 2 1 高速铁路有砟轨道的发展概况 上世纪9 0 年代，作为“九五国家重点科技攻关计划专题 ，我国开展了“高 速铁路有砟轨道结构设计参数的研究”，并提出了我国高速铁路有砟轨道结构的 整体方案，如图1 1 所示，其具体组成为1 2 1 ：c h n 6 0 自然硬度钢轨及相应的成套技 术参数；跨区间无缝线路；i i i 型混凝土轨枕，2 6 m 长、1 6 6 7 根k m ；弹条i i i 型扣 件，6 0 l o 一1 7 型胶垫，其静刚度为5 5 - - - 8 0 k n m m ：碎石道床厚3 5 0 m m ，采用特级 道砟；基床表层厚2 0 0 m m ，采用高速铁路基床表层材料。 图1 1我国高速铁路有砟轨道结构横断面 f i 9 1 1 c r o s s - s e c t i o n so f h i g h - s p e e dr a i l w a yb a l l a s t e dt r a c ki nc h i n a 2 此外，我国还分别对一些新型轨枕进行了试铺及初步的研究。如在胶济线、 郑徐线上分别对桥上及涵洞上铺设弹性轨枕进行了实验研究及理论分析；在郑州、 上海、西安等客运站，宽轨枕沥青道床得到应用，并进行了初步的研究。 从国外的研究情况来看，高速铁路有砟轨道的发展方向一方面是重型化，以 提高其轨道稳定性；另一方面则是通过提高轨道弹性来降低轨道结构的相互作用 力及动态响应。表1 1 为各国高速铁路有砟轨道结构统计情况： 表1 1高速铁路有砟轨道统计【1 1 t a b l e l ib a l l a s t e dt r a c ks t a t i s t i c so f h i g h - 印i e e dr a i l w a y 国家钢轨轨枕 扣件 道床 日本6 0 k g m整体式1 2 0 双重弹性颗粒级配1 9 6 3 j i s e l1 0 1 长2 4 m扣压力6 k n厚度3 0 0 r a m 重3 2 5 k g 垫板厚1 0 m m 刚度6 0 k n m m 德国6 0 k g m整体式 h mv o s s l o h 颗粒级配2 2 4 1 6 0 u i c 6 0 e 19 ( ) 0 ：a 长2 6 m 2 8 m 扣压力1 l k n 。 厚度3 5 0 m m 重量3 3 0 k g 3 8 0 k g 垫板厚1 0 m m 刚度6 0 k n m m 法国6 0 k g m 双块式整体式n a b l a 扣压力l l 蝌 颗粒级配2 5 5 0 u i c 6 0 e 1 9 ( ) q a 长2 4 m垫板厚9 r a m厚度3 0 0 r a m 重2 4 8 k g 2 9 0 刚度1 6 0 k n m m 西班6 0 k g m整体式 t l mv o s s l o h 扣压力 颗粒级配3 0 6 0 牙 u i c 6 0 e 1 9 0 0 a 长2 6 m l l l 洲 厚度3 5 0 m m 重3 2 0 k g 垫板厚6 m m 刚度5 0 0l d q m m 意大 6 0 k g m整体式 p a n d r o l 扣压1 4 k n颗粒级配3 0 6 0 利 u i c 6 0 e 1 9 0 0 a 长2 6 m垫板厚1 0 m m厚度3 5 0 m m 重3 1 5 k g 刚度1 0 0 k n m m 韩国6 0 k g m整体式p a n d r o l 扣压力1 4 k n颗粒级配2 5 5 0 u i c 6 0 e l9 i ) 0 a 长2 6 m垫板厚1 0 m m厚度3 5 0 m m 重3 0 0 k g 刚度6 5 - - - 9 5k n m m 高速铁路有砟轨道结构重型化的具体表现之一为：轨枕的有效支撑面积增大， 重量提高。重型轨枕的长度一般之1 6 m ，重量 3 0 0 k g ，轨枕底部有效支撑面积 _ _ 3 3 0 0 c m 2 。例如，德国的b 7 5 轨枕长度达2 8 m ，枕底有效支撑面积达到3 7 8 0 甜； 意大利为适应速度 3 0 0 k m h 高速铁路的需要，专门研制了重量达到4 0 0k g 、枕底 有效支撑面积到达3 9 0 0c q l - i 2 的新型轨枕。对于提高轨道弹性，各国则采用不同的 措施。限制或减小轨下垫板刚度是最常用的方法，西班牙甚至将其作为开行 3 5 0 k m h 高速车辆的条件之一1 1 ，s t i 规定，有砟轨道轨下胶垫的动态刚度应_ 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 - 0 0 1 o 0 1 5 - 0 0 2 - 0 0 2 5 0 0 3 一：e 矿加卅m “ z ， 一 一 r ； 一7 乏 - d e 一一 - 0 0 6 7 500 5 5 0 0 4 2 50 0 3- 0 0 1 7 50 0 0 50 0 0 7 50 ，0 20 0 3 2 50 0 4 5 o 5 0 o - 0 5 - 0 0 1 0 0 1 5 0 0 2 - 0 0 2 5 o 0 3 图2 4 车轮断面曲线 f i 9 2 4 t h ec u r v eo fw h e e lc r o s s - s e c t i o n ，一 r - p 分h 噜、 彳7 ； l i x 00 4 0 0 30 0 2- o 0 10 00 0 10 0 20 0 30 0 40 0 5 l a t e r a lc o o r d i n a t e sf m e t e r ) 图2 5钢轨断面曲线 f i 9 2 5 t h ec u r v eo f r a i lc r o s s - s e c t i o n 2 2 5轨道系统不平顺的模拟 车辆在钢轨上行走时，在各种激扰下会发生耦合振动。一般说来，可将 激扰分为确定性和非确定性激扰两种类型。确定性激扰主要指上下坡、曲线轨道、 三角坑、路基不均匀沉降等等。这类激扰可表示为具体的时间和速度的函数。目 前，对于这一类激励的研究比较多。但是在实际情况中，钢轨并不是理想的平直 状态，两根钢轨的几何状态受众多因素的影响往往表现出明显的随机性，这种几 何参数的偏差就称为轨道的不平顺。轨道不平顺对车辆系统是一种激励函数( 输 入) ，它是产生车辆轨道耦合系统振动的主要根源，并通过轮轨接触关系影响机车 车辆、轨道结构以及桥梁结构的振动特性。 轨道不平顺的统计特征一般只能依靠线路实地测量获得，英国铁路于1 9 6 4 年 就开始了这项工作，是世界上开展这一研究最早的国家之。目前，英国、日本、 德国、美国、俄罗斯等国家都测定了各自的轨道不平顺的谱密度和相关函数。我 国铁道科学研究院于2 0 世纪9 0 年代对我国轨道不平顺进行了深入、细致的研究， 在此基础上，提出了我国主要干线、高低、水平、轨向三种轨道不平顺和部分轨 道长波长不平顺的功率密度谱，其中包括重载线、提速线、准高速线、不同轨道 结构以及特大桥梁等各种情况下的轨道不平顺功率谱密度。 不平顺功率谱密度的大小及形状和线路的等级、结构及其状态有关，不平顺 功率谱密度的获得是建立在对轨道几何参数变化进行大量测量和分析的基础上 的。目前国内外比较典型的使用较成熟的轨道谱有：美国轨道谱、德国高速轨道 谱、中国干线轨道谱等。由于目前还没有成熟的中国高速铁路轨道谱，因此在本 文计算过程中采用德国的低干扰轨道谱进行计算。 言 苗 e 吞 暑 j i t r 。a c k ，_ ；i r r e g u 。l s d t i e s 、d i s p 缨；唑1 j 八 胁 5 ， 。 一ti 入 厂、 - t 一，、 八、，厂i 。0，a w k 炎支气 。、k z 。v “；厂7 、心y缸。 i 一 v y 1 心j ， 1 w 图2 6垂向不平顺 f i 9 2 6 v e r t i c a lt r a c ki r r e g u l a r i t y 1 5 0 5 1 暑； n 邑； o 0 一 c 卫 m e 毛 墨 j l 一 - - - 一u a 。c k _ i n e g u 。l a n 。d 。e 。s r l 一受：! 曼，? 旦曼i i l i l 凸h 6 e 一n ， h tv i 一f 、，、 ，、- 、 。 ， ，、 i、 1t - 、 ， l 时7 _ h ，f 一 h 。八 、u j ?i ，人二f 一 _ - 、7 。7 、一- 一 一v 气m ，、f厂、k ，、卜。 i i ， v 一 、， ， 厂 ， t， l ，、， w 0 00 5 图2 7 水平不平顺 f i 9 2 7 l a t e r a lt r a c ki r r e g u l a r i t y 2 3 有砟轨道一桥梁空间有限元模型的建立 2 3 1 a n s y s 软件简介 1 ，5 由美国a n s y s 公司开发的a n s y s 大型通用有限元软件，经过四十余年的发 展，已经成为业界最为流行的分析软件之一。它在结构分析、电磁场分析、立体 力学分析以及耦合场分析方面都有着不错的表现。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， 是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 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) 、流体动力学分析、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。 a n s y s 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。a n s y s 结构分析可以确定结构在各种状态下的变形、应变、应力和反作用力 等，主要结构分析类型有： 静力分析用于静态荷载，可以考虑结构的非线性及非线性行为； 1 5 0 5 1 加 。 舶 o 0 模态分析计算线性结构的自振频率及振型，谱分析是模态的扩展，用于 计算由于随机振动引起的结构应力和应变( 也叫响应谱或p s d ) ； 谱响应分析确定线性结构在随时间按正弦曲线变化的荷载的响应； 瞬态动力学分析确定结构在随时间任意变化的荷载下的响应，可以考虑 与静力分析相同的结构非线性行为； 特征屈服分析一用于计算线性屈服荷载并确定屈服模态形状； 2 3 2瞬态分析的原理 时间历程分析，亦称瞬态动力学分析，是用于确定承受任意随时间变化载荷 的结构动力学响应的一种方法。可以使用瞬态动力学分析确定结构在静载荷、瞬 态载荷和简谐载荷的任意组合作用下随时间变化的位移、应变、应力及力。载荷 和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要【4 l 】。a n s y s 在进行瞬态动力学分 析时，采用n e w m a r k 时间积分方法在离散的时间点上求解动力平衡方程，可以采 用三种方法：即f u l l ( 完全) 法、r e d u c e d ( 缩减) 法以及m o d es u p e r p o s i t i o n ( 模态叠 加) 法。在a n s y s l i n e a rp l u s 中允许用m o d e s u p e r p o s i t i o n 法。 f u l l 法：f u l l 法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应，它是三种方法中功能最 强的一种，允许包括各类非线性特征。 r e d u c e d 法：r e d u c e d 法通过采用主自由度及缩减矩阵压缩问题规模。在主 自由度上的位移被算出来后，a n s y s 可将解扩展到初始的完整自由度集上。 m o d es u p e r l 0 s i t i o n 法：m o d es u p e r p o s i t i o n 法通过对模态分析得到的振型乘 上参与因子并求和来计算出结构的响应。此方法是a n s y s l i n e a r p l u s 程序中唯一 能够使用的瞬态动力学分析方法【4 2 l 。 本文在计算中就采用了瞬态动力学分析模块中的f u l l 法对高速铁路桥上有砟 轨道振动特性进行研究。 2 3 3桥上有砟轨道结构轨枕的主要形式 综合1 2 节中各国高速铁路发展情况来看，目前常见的轨枕形式有i 型轨枕、 宽轨枕、梯形轨枕、弹性轨枕及德国的b 系列轨枕与法国的双块式轨枕。其中，德 国b 系列轨枕中适用于高速的b 7 5 轨枕由于长度过长，不适于铺设在我国高速铁路 桥上，本文不做研究。此外由于法国双块式轨枕保持轨距的能力相对较差，且法 国桥上有砟轨道所占比例较少，因此也不列入本文轨枕选型的范围。本文主要对i i i 型轨枕、宽轨枕、梯形轨枕、弹性轨枕应用于高速铁路桥上进行动力仿真分析。 对于弹性轨枕，枕下胶垫刚度是决定其结构力学性能的关键因素，因此本文将其 列入第四章，并深入分析枕下胶垫刚度对桥上有砟轨道结构动力特性的影响。 ( 1 ) i i i 型轨枕 i i i 型轨枕分有挡肩和无挡肩两种。以有挡肩结构为例，其结构如图【4 3 1 2 8 所示。 立砑 l 一5 0l 量“” ， 一 l 一_ 一- 、_ - 、 悯逊 对 肄曼ll 1 1 0 0加o姗 魔嚣 缓灏 图2 8有挡肩i i i 型混凝土轨枕( 单位：m m ) f i 9 2 8t y p e i i ic o n c r e ts l e e p e r s 、j l ，i t hb e dr e t a i n i n gf a s t e n i n g s 相对于i i 型轨枕，i i i 型轨枕在改善轨道受力状态、减缓道床残余变形，提高 线路平顺度等方面得到大大增强。此外，i i i 型轨枕的使用可延长线路养护周期， 降低维修工作量，缩减运营成本，并提高运输生产安全性【4 3 】m 。但我国的i i i 型轨 枕最早是按重载轨道条件设计的，在时速3 0 0 公里及以上的线路上进行的试铺及 应用较少，能否适用于高速铁路桥上有砟轨道结构需要进行理论分析。 表2 6i i i 型轨枕参数 t a b l e 2 6 p a r a m e t e r so fi i is l e e p e r 轨枕质量轨枕长度 底面平均宽度( m )半枕有效支承长度( m ) ( k g ) ( m ) 3 4 02 6o 2 91 1 7 5 ( 2 ) 宽轨枕 宽轨枕是一块预制的混凝土板，长度与普通混凝土轨枕相同，而宽度约为后 者的两倍，见图2 9 所示。由于宽轨枕宽度较大，直接铺设在预先压实的道床面上， 在制造中对其厚度的控制要求较严格1 4 3 。 由于宽轨枕有效支撑面积较大，所以道床应力及道床振动加速度都较小。同 时宽轨枕加强了轨道结构，其线路变形小，轨道的养护维修工作量少。一般宽轨 枕的养护维修工作量为普通混凝土轨枕线路的1 4 - 1 2 因此混凝土宽轨枕轨道适 用于运输繁忙、行车密度大的线路。此外，宽轨枕轨道结构整齐，美观1 4 3 。但由 于宽轨枕之间的间隙较小小，难以采用大型养路机械对道砟进行维修作业。 图2 9掘凝土宽轨枕轨道平面示意圉 n 9 2 9 c o n e r e t h r ds l e e p e r ( 3 ) 梯形轨枕 日本最早研制了梯予式轨枕结构系统，改变了传统的横向轨枕间隔放置来支 承钢轨，改用混凝土纵梁连续支撑和固定钢轨，左右纵梁之间用钢管材料进行 横向刚性连接，组成“梯形”一体化结构m ，如图21 0 所示。 n 拄i 置2 6 0 0 k g t 目# h h 肓脯# # # 图21 0 梯形轨道平面示意图 h 9 21 0 l a d d e rs l e e p e t 根据国外资料，梯子式轨枕在提高线路稳定性、刚度均匀性和耐久性、减轻 桥上二期恒载、保持线路几何形位等方面有显著的效果，在国外普通铁路和我国 城市轨道交通上已有应用，但缺少高速铁路有砟轨道的实践应用经验。该轨枕能 有效减小高架区间、隧道区间、路基状况不良区间的维护工作量，延长线路的维 护周期，降低养护维修成本。但由于梯子式轨枕长度较长，其接头处可能由于车 辆荷载的作用而频繁翘起和下落，反复拍打道床，易使道砟产生粉化现象。连接 钢管在与纵向轨枕的连接处可能产生应力集中，造成钢管屈服，也有可能因为钢 管的腐蚀导致整根轨枕的失效。由于单组轨枕钢筋用量大、结构重量较大，需要 特殊设备和技术进行制造、运输、吊装和铺设，且损坏时需要更换整组纵向轨枕， 总体成本较高。此外，需要研究针对梯子式轨道结构的大型养护维修设备及施工 工艺。 2 3 4有砟轨道桥梁有限元模型的建立 本文参数采均用高速铁路的设计参数，见表2 7 ，其中扣件横向刚度及垂横向 阻尼由于未明确给出建议值，在此参考有关文献取值【2 0 】。桥梁参数采用京沪高速 铁路跨度为2 4 m 的典型混凝土简支箱梁的结构参数，梁缝o 1 m ，顶面宽度1 2 6 m ， 其截面图见图2 1 l 。 表2 7基本参数表 t a b l e 2 7 b a s i cp a r a m e t e r 部件项目单位数值 弹性模量 p a2 1 x 1 0 1 1 泊松比 0 3 断面积m 27 7 4 5 x1 0 - 4 钢轨( 6 0 k g m ) 密度 k g m 3 7 8 3 0 对水平轴的惯性矩 m ?3 2 1 7 x1 0 4 对竖直轴的惯性矩 5 2 4 x1 0 - 6 扣件垂向刚度 k n m m6 0 扣件横向刚度k n m m3 0 扣件扣件间距mo 6 扣件垂向阻尼l 斟s m7 5 扣件横向阻尼l 斟- s m6 0 弹性模量 m p a3 6 0 0 0 轨枕 密度 k g m 3 泊松比 o 2 密度 k m 3 2 0 0 0 泊松比k n m m0 2 7 弹性模量 2 0 1 0 0 道砟 厚度 mo 3 5 道床坡度 l ：1 7 5 道床顶面宽度 m 。3 6 。 弹性模量胁 3 4 5 0 0 密度 k g m 3 2 5 0 0 泊松比 桥梁支座垂向刚度n m6 3 e 8 支座垂向阻尼 n - s m2 0 4 e 5 支座横向刚度 n m6 3 e 8 支座横向阻尼 n - s m2 0 4 e 5 图2 1 1桥梁截面图 f i 9 2 11 c r o s s - s e c t i o no f b r i d g e 图2 1 2 轨道结构桥梁模型图 f i 9 2 1 2m o d e lo f b a l l a s t e d ! s t r u c t u r e - b r i d g e 3 1 道砟 桥梁 桥梁支座 一韭塞套堡主堂亟芏位监童 有砟轨道- 桥梁有限元模型由钢轨、扣件、轨枕、道砟、桥梁等部分组成。在 建模时：铡轨作为一个等截面的细长结构物，在对其进行有限元分时，可将其看 成无限k 点支承粱，以实际尺寸建模，并以空间梁单元来模拟；对于手件，忽略 其非线性因素等效为横向、垂向的线弹性件，以弹簧单元来模拟；对于不同类型 的混凝土轨枕均采用空间粱单元进行处理；对于道砟，过去认为在有限元中将散 体材料作为连续介质的处理会，引起很大误差，不能反映这类材料的真实情况， 但研究h 7 以为采用传统的有限元发模拟道砟计算结果偏大，从设计角度看是偏于 安全的，【；! | i 此可以用普通有限元法来模拟道床，以简化计算。因此，在本文计算 中，道砟采用实体单元米模拟；对于桥梁，本文以桥梁的实际尺寸用实体单元模 拟，对于桥梁支座支座，则简化为施加刚度及阻尼的线弹性连接单元。 曲钢轨单元 a ) r a i ld e m c m t b 1 扣件单元 b l f a s t e n e 拈e l e m e n t c ) i i i 型轨扰 0 嘴i i ls l ”p e r m 宽轨枕 d ) b r o a d d o 叩盯 2 主扭：直疰塾壹= 捶鏊弛左堂拦型 曲桥上1 1 i 型轨枕模型 a ) m o d e l o f t y p e i i ls l e e p e r o i l b r i d 罟e b 1 桥上i i i 型轨枕模型侧面图 b ) p r o f i l e o f m o d e lo f t y p e l l is l e e p e r o n b r i d g e 些趣受豇生越型兰堕监童一 c ) 桥上宽轨枕模型 m o d do f b r o a ds l e e p e r0 n b r i d g e 圈 d ) 桥上宽轨枕模型侧面图 m p r o f i l e o f m o d e lo f b m a ds l e e p e r o nb r i d g e 。n 0 桥上梯子式轨枕模型o 桥上梯子式横截面模型 咖“咄“酱1 4 结构模型f “8 “”“咄图2结构模型幽 f i 9 2 1 4s t n a c t e r m o d e l i n a n s y s 2 4 本章小结 本章对高速车辆有砟轨道桥梁的三维有限元动力分析模型进行了详细的介 绍，主要包括以下几个方面的内容： l 介绍了国内外车辆一轨道一桥梁系统振动研究的发展历史与研究现状。车辆一 轨道一桥梁系统动力学包括车辆动力学、轨道动力学、桥梁动力学、轮轨相互作用 这几大领域的研究内容，是一个多学科交叉的问题。因此在发展初期，人们只限 于对车一轨、车- 桥问题进行研究。随着铁路行业的迅速发展，以及计算机的出现， 人们逐渐将车辆轨道系统动力学模型中的轨道模型引入到车桥振动研究中，即将 轨道结构和桥梁结构统一建模，形成车轨桥系统来进行较为全面的分析。 2 建立丁高速车辆动力学模型。首先介绍了建立