高速鐵路CRTS Ⅰ板式無砟軌道充填層力學(xué)性能分析及試驗研究.pdf

1、我國高速鐵路以無砟軌道為主，與有砟軌道相比，其具有穩(wěn)定性、剛度均勻性和耐久性好，平順性高、維修工作量少等突出優(yōu)點。板式軌道是無砟軌道的主要形式，由鋼軌、扣件、軌道板、板下充填層以及混凝土底座等組成。充填層的服役性能對高速行車的安全性、舒適性以及無砟軌道結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性和耐久性均具有重要影響。因此，在板式無砟軌道設(shè)計中，對充填層靜動態(tài)力學(xué)性能研究及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的確定尤為重要。然而，目前尚缺少對高速鐵路板式無砟軌道充填層的完整理論體系、評價

2、檢算方法與試驗驗證，板式無砟軌道的充填層結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選型缺乏依據(jù)。
　　論文針對高速鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道，在歸納總結(jié)國內(nèi)外水泥乳化瀝青砂漿充填層相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，建立起能詳細考慮充填層特性的單元板式無砟軌道空間靜、動態(tài)理論分析模型，依據(jù)充填層的功能定位系統(tǒng)開展充填層力學(xué)性能與關(guān)鍵參數(shù)的分析，提出CRTSⅠ型板式軌道充填層的功能定位以及設(shè)計參數(shù)的指導(dǎo)性建議。結(jié)合充填層材料服役性能室內(nèi)試驗研究，進行充填層力學(xué)性能、耐久性

3、能和施工性能的演變規(guī)律研究及參數(shù)優(yōu)化分析，研究成果可為充填層的設(shè)計提供理論支撐并指導(dǎo)其現(xiàn)場施工，另外通過動力學(xué)理論仿真和哈大線現(xiàn)場實車試驗對研究成果進行驗證和評估。本文主要工作及成果如下:
　　1)建立能充分考慮充填層特性的單元板式無砟軌道空間耦合靜力分析方法。針對高速鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，基于彈性地基梁體理論，應(yīng)用有限單元法，建立了能充分體現(xiàn)充填層支承調(diào)整、緩沖協(xié)調(diào)、彈性阻隔等各方面特性的單元板式無砟軌道空間耦合靜力

4、分析精細化模型。模型中采用了廣義Maxwell模型以充分考慮充填層材料的粘彈性本構(gòu)關(guān)系。
　　2)建立能充分考慮充填層參振特性的列車-無砟軌道-下部基礎(chǔ)空間耦合動力學(xué)理論。將車輛視為一個由懸掛彈簧和阻尼聯(lián)系起來的7剛體共31個自由度的振動系統(tǒng)，輪軌作用由赫茲非線性彈性接觸理論和蠕滑理論確定。將鋼軌視為彈性點支承基礎(chǔ)上的Bernoulli-Euler梁，軌道板視為彈性基礎(chǔ)上的彈性實體，凸形擋臺及CA砂漿充填層對軌道板提供橫垂向非線性

5、彈性約束，底座板視為彈性地基上的彈性實體。并通過不同車速下軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的仿真結(jié)果與哈大線實測數(shù)據(jù)的對比驗證了模型的正確性和準確性。
　　3)提出了CRTSⅠ型板式無砟軌道充填層功能定位、力學(xué)性能與關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。為系統(tǒng)開展充填層力學(xué)性能及其影響因素分析，需首先將其作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層之一進行功能定位，根據(jù)其在結(jié)構(gòu)體系中的支承、傳載、減振、隔振、阻裂五大功能特點進行參數(shù)辨識并構(gòu)建針對性強的計算模型，通過大量數(shù)值模擬分析探索充填層厚度、

6、密度、彈性模量及其粘彈性本構(gòu)關(guān)系等參數(shù)對各項功能的影響，總結(jié)提出了充填層功能及參數(shù)的指導(dǎo)性建議。
　　4)揭示了CA砂漿充填層厚度、彈性模量等參數(shù)及軌道板空吊、砂漿充填不滿、充填層剛度不均勻等病害對軌道動力特性的影響規(guī)律。利用建立的列車-無砟軌道-下部基礎(chǔ)空間耦合精細化動力學(xué)模型，對CRTSⅠ型板式無砟軌道的動力學(xué)特性進行研究;結(jié)合靜力分析部分的研究成果，研究CA砂漿充填層厚度、彈性模量等參數(shù)以及軌道板空吊、砂漿充填不滿、充填層剛

7、度不均勻等病害對軌道動力特性的影響規(guī)律，為我國無砟軌道的檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護維修工作提供理論依據(jù)。
　　5)基于結(jié)構(gòu)和材料的試驗研究提出了CRTSⅠ型板式無砟軌道充填層材料服役性能。建立了CRTSⅠ型板式無砟軌道試驗?zāi)Ｐ?，測試了不同充填層材料及工況的軌道系統(tǒng)振動與噪聲特性，得到了基于減振、降噪與變形協(xié)調(diào)等功能的充填層材料及施工工藝類型;進行了充填層材料的耐水、抗凍、溫度疲勞等耐久性試驗，并結(jié)合充填層的施工特點，提出了用于CRTSⅠ型板

8、式無砟軌道充填層的CA砂漿性能指標。
　　6)開展了CRTSⅠ型板式無砟軌道充填層動力學(xué)性能試驗研究。通過無砟軌道充填層材料實車試驗，分析行車條件下不同無砟軌道充填層砂漿配方對軌道結(jié)構(gòu)動力性能的影響;另外，針對橋梁、路基、隧道等典型線下基礎(chǔ)進行不同車速下CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)動力特性的高速實車試驗研究;通過依據(jù)輪軌系統(tǒng)動力學(xué)評價指標，如脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌作用力、軌道結(jié)構(gòu)的動力學(xué)強度等評估CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)體