博士學(xué)位論文 高速鐵路軌道路基豎向動(dòng)力響應(yīng)研究 作者姓名： 聶志紅 學(xué)科專業(yè)： 道路與鐵道工程 學(xué)院 （系、 所） ： 土木建筑學(xué)院 指導(dǎo)教師： 劉寶琛 教授 李 亮 教授 中 南 大 學(xué) 2005 年 08 月 10 日 分類號(hào) 密級(jí) 博士學(xué)位論文 高速鐵路軌道路基豎向動(dòng)力響應(yīng)研究 on of in 者姓名： 聶志紅 學(xué)科專業(yè)： 道路與鐵道工程 學(xué)院： 土木建筑學(xué)院 指導(dǎo)教師： 劉寶琛 教授 李 亮 教授 論文答辯日期 2005 年 11 月 8 日 答辯委員會(huì)主席 沈蒲生 中 南 大 學(xué) 2005 年 08 月 10 日 隨著列車速度不斷提高， 列車荷載對(duì)軌道路基動(dòng)力效應(yīng)越來(lái)越明顯。其動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律是軌道路基設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)的依據(jù)。我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展使該課題越來(lái)越得到鐵路工作者的重視。 本文在總結(jié)和吸取前人研究成 果的基礎(chǔ)上，從理論研究、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)三方面對(duì)軌道路基動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，主要研究成果如下： （ 1）介紹了高速鐵路軌道路基結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)軌道路基動(dòng)力響應(yīng)研究歷史與現(xiàn)狀進(jìn)行回顧和總結(jié)。 （ 2）建立了高速鐵路路基軌道動(dòng)力響應(yīng)分析半解析模型。該模型考慮了路基 /軌道結(jié)構(gòu)各組成部分、將列車荷載簡(jiǎn)化為移動(dòng)諧振荷載、軌道結(jié)構(gòu)模擬為層狀梁、路基視為各向同性粘彈性半空間體。通過(guò)傅立葉變換獲得了控制方程在波數(shù)域內(nèi)的解。 利用快速傅立葉變換，將波數(shù)域內(nèi)解轉(zhuǎn)換為空間域內(nèi)的解， 通過(guò)算例分析了荷載速度與頻率對(duì)路基表面位移的影響。 （ 3）建立了車輛軌道路基耦合作用下系統(tǒng)豎向動(dòng)力響應(yīng)分析有限元模型。該模型首先車輛模擬為多自由度剛體、鋼軌模擬為離散支承的梁?jiǎn)卧?、軌枕、道床、路基離散為八節(jié)點(diǎn)塊體單元，并考慮了輪軌接觸的非線性與道碴、路基材料本構(gòu)關(guān)系的非線性。然后利用粘彈性人工邊界模擬路基的無(wú)限域， 運(yùn)用數(shù)值積分法與分離迭代法求解運(yùn)動(dòng)方程。最后基于大型商業(yè)軟件 二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)仿真分析，并通過(guò)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了模型的正確性。 （ 4） 以我國(guó)第一條鐵路客運(yùn)專線 秦沈客運(yùn)專線軌道路基參數(shù)為基礎(chǔ)，利用建立的車輛 /軌道路基動(dòng)力分析模型對(duì)軌道路基動(dòng)力響應(yīng)影響參數(shù)：列車速度、軌面不平順、道床與基床表層厚度、基床表層與路基剛度進(jìn)行了分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)秦沈客運(yùn)專線軌道路基設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 （ 5）在秦沈客運(yùn)專線試驗(yàn)段開展不同基床表層結(jié)構(gòu)及路基、軌道動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試， 首次獲得了列車速度為 300km/h 時(shí)基床表層路基動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 。 對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，研究不同基床表層結(jié)構(gòu)在不同列車速度下動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律， 為我國(guó)高速鐵路路基設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。 （ 6）在全面總結(jié)論文工作的基礎(chǔ)上，提出了本課題有待于進(jìn)一步 關(guān)鍵詞 高速鐵路，軌道路基，動(dòng)力響應(yīng)，有限元，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 s of of to of in In on of in is of of as 1. of on 2. A of by of as as a is as by is as a By of of in is to of of of on 3. of is to of is by a is as on as of A is to of A is to of of is to of it be as a of of 4. on of of by as of of is 5. 00km/h, of On of in of as of of 6. on to be 5目 錄 第一章 緒論 .言 .速鐵路軌道路基結(jié)構(gòu)形式 .速鐵路軌道路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究現(xiàn)狀 . 高速鐵路軌道路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)理論研究現(xiàn)狀 . 高速鐵路軌道路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值解研究現(xiàn)狀 . 高速鐵路軌道路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究現(xiàn)狀 . 我國(guó)高速鐵路軌道路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究存在的問(wèn)題 .題來(lái)源 .文研究?jī)?nèi)容 .二章 軌道路基結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)力半解析解 .言 .算流程圖 .道路基結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型 .道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力基本方程及解 .空間體系動(dòng)力基本方程及解 .道路基結(jié)構(gòu)的耦合 .例 .結(jié) .三章 車輛/軌道路基系統(tǒng)垂向動(dòng)力有限元分析 .言 .統(tǒng)建模思路 .輛 /軌道路基動(dòng)力學(xué)分析模型 . 車輛動(dòng)力學(xué)分析模型 . 軌道路基動(dòng)力學(xué)分析模型 .合系統(tǒng)的激勵(lì) . 車輛/軌道路基系統(tǒng)的激勵(lì)源 . 車輛/軌道路基系統(tǒng)的激勵(lì)方式 . 輪軌接觸 .統(tǒng)振動(dòng)方程的建立與求解 . 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的建立方法 . 車輛系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的建立 . 軌道路基系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的建立 . 運(yùn)動(dòng)方程的求解 .道路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算參數(shù) . 道碴、級(jí)配碎石計(jì)算參數(shù) . 路基本構(gòu)計(jì)算參數(shù) . 結(jié)構(gòu)計(jì)算邊界處理 .型驗(yàn)證 . 數(shù)值分析的實(shí)現(xiàn) . 模型計(jì)算參數(shù) .輛模型驗(yàn)證 . 軌道路基模型驗(yàn)證 .結(jié) .四章 動(dòng)力響應(yīng)影響參數(shù)分析 .言 .輛軌道路基動(dòng)力學(xué)特性評(píng)價(jià)指標(biāo) .數(shù)影響分析 . 參數(shù)取值范圍 . 列車速度的影響 . 軌道不平順的影響 . 道床厚度的影響 . 路基結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響 .結(jié) .五章 秦沈客運(yùn)專線路基基床動(dòng)力試驗(yàn)研究 .言 .驗(yàn)概況 . 測(cè)試工點(diǎn)概況 . 測(cè)試元件及埋設(shè) . 測(cè)試區(qū)間地質(zhì)狀況 .試結(jié)果分析 . 基床振動(dòng)模態(tài)參數(shù)的測(cè)試分析 . 基床動(dòng)應(yīng)力測(cè)試分析 . 基床加速度測(cè)試分析 .結(jié) .六章 總結(jié)與展望 .文總結(jié) .文主要?jiǎng)?chuàng)新之處 .待于進(jìn)一步研究的問(wèn)題 .考文獻(xiàn) . 謝 .讀學(xué)位期間的主要研究成果 .南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒論 1第一章 緒論 言 鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，承擔(dān)著繁重的客貨運(yùn)輸任務(wù)。為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)在既有線大面積提速同時(shí)修建高速鐵路，1994年12月，我國(guó)第一條準(zhǔn)高速鐵路廣深鐵路正式開通運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著中國(guó)鐵路向高速化邁出了一大步。2002年秦沈客運(yùn)專線建成，2002年9月國(guó)產(chǎn)動(dòng)力分散型“先鋒號(hào)”電力動(dòng)車組創(chuàng)造了292km/h 的中國(guó)最高試驗(yàn)速度，2002年11月國(guó)產(chǎn)動(dòng)力集中型“中華之星”電力機(jī)車歷史性地使中國(guó)鐵路跨進(jìn)了300km/h 的門檻，沈200km/西、京津、溫福、滬寧等客運(yùn)專線已開始建設(shè)，京滬高速鐵路已在籌建之中，這表明我國(guó)即將迎來(lái)高速鐵路建設(shè)高潮。 高速鐵路發(fā)展必須以安全、可靠、舒適為前提，而這些均取決于鐵路系統(tǒng)各構(gòu)成方面的高品質(zhì)與高可靠性，其中路基軌道穩(wěn)定與平順尤為重要。列車速度的提高使鐵路軌道路基面臨新的問(wèn)題 ， 法國(guó)新干線 南線段的軟弱地基線路上， 發(fā)現(xiàn)機(jī)車前方產(chǎn)生了2本在修建東海道新干線時(shí)為降低造價(jià)，降低了路基填料質(zhì)量，運(yùn)營(yíng)一年后路基出現(xiàn)了不少病害，使列車運(yùn)行速度大大降低1。 速度的提高使軌道路基承受荷載的大小與頻率發(fā)生了改變， 導(dǎo)致軌道路基動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生了較大變化。軌道路基動(dòng)力響應(yīng)包括軌道路基動(dòng)變形、動(dòng)應(yīng)力及加速度等， 其大小與分布關(guān)系到軌道路基強(qiáng)度、 疲勞特性、 累積變形及其動(dòng)力穩(wěn)定性，并直接影響高速鐵路路基設(shè)計(jì)、使用和養(yǎng)護(hù)維修。 目前軌道路基動(dòng)力響應(yīng)成為高速鐵路路基研究重點(diǎn)。 各國(guó)鐵路工作者在理論分析、 試驗(yàn)研究、 計(jì)算機(jī)仿真模擬等方面進(jìn)行了大量研究工作， 取得了較大成果。我國(guó)同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)、中南大學(xué)、北方交通大學(xué)、華東交通大學(xué)、鐵道部科學(xué)研究院等許多院校科研單位都進(jìn)行了卓有成效的研究工作。 然而列車高速運(yùn)行時(shí)軌道路基動(dòng)力響應(yīng)分析異常復(fù)雜， 現(xiàn)有理論分析與研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高速鐵路路基的設(shè)計(jì)、施工、維修的需要。鑒于此，本文將從系統(tǒng)角度出發(fā)，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)軌道路基在高速列車作用下動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行探索性研究，為高速鐵路路基設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)提供參考。 速鐵路軌道路基結(jié)構(gòu)形式 高速鐵路由于運(yùn)行速度快，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的平順度和穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求。路中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒論 2基作為軌道基礎(chǔ)必須牢固穩(wěn)定，它的質(zhì)量對(duì)軌道平順和穩(wěn)定有直接影響。法國(guó)在兩條高速鐵路運(yùn)營(yíng)多年后的總結(jié)中說(shuō)： 高速鐵路能順利運(yùn)行是因?yàn)橛蟹浅：玫南虏拷Y(jié)構(gòu)工程路基2?？刂坡坊冃?、保證軌面平順是高速鐵路路基最大特點(diǎn)，因此高速鐵路對(duì)路基填料、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)等方面提出了更高要求，主要表現(xiàn)在以下幾方面3： (1)結(jié)合路基工程規(guī)定了詳細(xì)的巖土分類 ，要求進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，為設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)提供所必須的依據(jù)資料。 (2)加強(qiáng)路基基床部分，特別是基床表層 。很多國(guó)家設(shè)置基層、防護(hù)層或墊層，并有嚴(yán)格的材料條件與強(qiáng)度要求。 (3)對(duì)路堤各部分填土規(guī)定了相應(yīng)的填料標(biāo)準(zhǔn)，填土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求較高。 (4)為控制路基不發(fā)生過(guò)大下沉，對(duì)路堤 填土的地基條件作出了規(guī)定及處理要求。 (5)加強(qiáng)路基的排水系統(tǒng)，加強(qiáng)邊坡和災(zāi) 害的防護(hù)。要求防護(hù)工程與土體工程同時(shí)完成，增加路基的堅(jiān)固和穩(wěn)定，避免運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生病害。 鐵路路基中基床是路基頂部直接受列車動(dòng)荷載作用的部分，基床表面又直接與道碴接觸，因此基床表層是路基設(shè)計(jì)中最重要的部分?；脖韺拥淖饔弥饕窃鰪?qiáng)線路強(qiáng)度，擴(kuò)散列車運(yùn)行引起的動(dòng)應(yīng)力，防止道碴壓入基床及基床土進(jìn)入道碴層以致發(fā)生翻漿冒泥等病害。 為了提供一個(gè)強(qiáng)度高、剛度大且縱向變化均勻、并具有長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定和耐久性以及防滲、抗凍等良好的軌道基礎(chǔ)，法國(guó)、德國(guó)、日本等采取新的基床結(jié)構(gòu)4。 （1）法國(guó)高速鐵路基床形式 封堵層（0/ 20 至 125）厚度 35 至 50 / 度 20 至 35 1 法國(guó)路基標(biāo)準(zhǔn)斷面圖 法國(guó)基床由覆蓋層（20封堵層（35上層土方（100成。覆蓋層及封堵層均有嚴(yán)格級(jí)配要求：其壓實(shí)系數(shù) 1 ， 覆蓋層平板壓力試驗(yàn)二次加載變形模量2120，封堵層280。 ，245 60 。 中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒論 3（2） 德國(guó)高速鐵路基床形式 防凍層保護(hù)層基床面路基面（保護(hù)層頂面）5（ 12 德國(guó)路基標(biāo)準(zhǔn)斷面圖 德國(guó)的基床表層由保護(hù)層（即（ 20） ，防凍層( 40成，采用工廠配制的礦物材料混合物填筑，對(duì)路基保護(hù)層的材料和性能以及壓實(shí)系數(shù)都有嚴(yán)格要求。如：保護(hù)層級(jí)配 透水） ，滲水系數(shù)6110 / ；防凍層級(jí)配 透水） ，不均勻系數(shù) 15 ；各層之間顆粒粒徑及組成均滿足隔離和過(guò)濾準(zhǔn)則。保護(hù)層加防凍層總厚度 ， 1 E MN m ，其中保護(hù)層2120，防凍層280。 （3）日本新干線鐵路基床形式 保守用通道軌道中心3%1: 日本新干線路基標(biāo)準(zhǔn)斷面圖 日本提出基床采用強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，有碎石基床表層和爐碴基床表層兩類，在路基土上面設(shè)置基床封閉層，由隔水的瀝青混凝土和高強(qiáng)度的塑料膠組成墊層?；脖韺佑蔀r青混凝土(5級(jí)配碎石（地基系數(shù)33015 /）組成，厚度根據(jù)基床底層的 基床底層33011 /時(shí)其厚度為 30基床底層33307/ 1 / ，因?yàn)樵?z 軸無(wú)窮遠(yuǎn)處位移為零，可舍棄增長(zhǎng)項(xiàng)10zA 方程（2解為 1=%（2式（2（2坐標(biāo) x , y 做傅立葉變換，將 %代入，除以 可得 1112222222222222222222122 + = + = + = %（2式中 222 22 22 其中2k 2c 分別為壓縮波波數(shù)和壓縮波波速 令 ()222221/=+ 由221222212(1)(1)(1)= （2 則式（2寫為 ()()()111222212222212222221212u/v/w/1k = = = %（2方程（2對(duì)應(yīng)齊次方程通解為 11 1zz = =%（2令1*% 、1*% 、11*% 為方程（2解，將其代入式（2得 ()22 2212 1()/1X = ，則有 ()2211/X Ak = （2中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第二章 軌道路基結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)力半解析解 25根據(jù)（2、 （2，方程（2通解為 ()()()12121222122121 211/1/1/k e k e = += += +%（2式（2坐標(biāo) x， y 做傅立葉變換 = + +% （2將（2入（2 () ()()() ()12 1212122211221221222 2211/ 1/1 /=( ) 1 / (2zz = + + + + + + %A、 B 、 C 、 比較（2、 （2 ()2/ =+ (2半空間體的邊界條件為 在 0z = 處，由道碴傳遞的荷載為3()F x 3(), 20, 有 () ()11=+ + (2此時(shí)極點(diǎn)位于雙曲線上。 由于土中阻尼存在，使得積分函數(shù)在（ ,）平面內(nèi)沒(méi)有奇異值，因此可直接進(jìn)行數(shù)值積分。對(duì)式（2（2數(shù)值積分可利用離散傅立葉逆變換128。在進(jìn)行離散傅立葉逆變換時(shí)， 積分函數(shù)截取范圍需足夠大， 以避免由于混淆而引起失真，同時(shí)采樣點(diǎn)需足夠數(shù)量以充分反映積分函數(shù)的變化。 本節(jié)算例主要對(duì)路基面豎向位移進(jìn)行分析，采用的軌道路基的參數(shù)如表20表 2道路基計(jì)算參數(shù) 單位長(zhǎng)鋼軌 m 接觸寬度 a 軌彎曲剛度 10714591082266 106108 1550失因子） 體泊松比 算荷載 100p N= ，移動(dòng)速度分別為 50 100 200 /、 ，頻率為 4816、 。 考慮阻尼作用，可直接采用快速傅立葉逆變換。在進(jìn)行快速傅立葉逆變換時(shí)取16 16 、 ，采樣點(diǎn)為20482048。 圖（2（2不同荷載速度與頻率作用下，路基表面豎向位移在波數(shù)域與空間域的分布（a 為波數(shù)域內(nèi)位移，b 為空間域內(nèi)位移） 。 表 2 2 為不同速度與頻率下空間域位移最大值統(tǒng)計(jì)： 表 22 空間域位移最大值統(tǒng)計(jì) 單位（m） 頻 率 速度 460m/s 0s 0s 0 第二章 軌道路基結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)力半解析解 31（ a） （ b） 圖23 50 / 4位移分布圖 （ a） (b) 圖24 0/ 0 4 位移分布圖 中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第二章 軌道路基結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)力半解析解 32(a) (b) 圖25 0/ 0 4 位移分布圖 (a) (b) 圖26 0/ 8 位移分布圖 中南大學(xué)博士學(xué)位論文 第二章 軌道路基結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)力半解析解 33(a) (b) 圖27 0/ 0 8 位移分布圖