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高速铁路无砟轨道结构力学特性的研究

作　者: 陈鹏
导　师: 高亮；许兆义
学　校: 北京交通大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 高速铁路无砟轨道有限元静力特性动力特性车辆—无砟轨道—路基空间耦合系统车辆—无砟轨道—桥梁空间耦合系统
分类号: U213.244
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 1333次
引　用: 13次
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内容摘要

无砟轨道由于具有稳定性好、维修工作量低及使用寿命长等突出特点,在日本、德国等高速铁路发达国家得到了广泛应用。我国目前在建的客运专线均大规模采用了无砟轨道结构,可见无砟轨道在我国有着相当广阔的发展前景。无砟轨道力学特性的研究,对于我国世界一流客运专线的建设,及铁路技术装备质量的大幅提具有十分重要的意义。本文在较全面的文献调研基础上,以新型Ⅱ型板式无砟轨道为主要研究对象,从静力学及动力学的角度,对无砟轨道的力学特性(包括路基上及桥梁上的无砟轨道系统)进行研究。本文主要开展了如下几方面的研究。1.总结了国内外无砟轨道的发展、应用情况及轨道结构力学的研究现状在对国内外无砟轨道的发展及应用情况进行广泛调研的基础上,重点对德国、日本无砟轨道的研发模式、无砟轨道的发展历程、典型无砟轨道型式的结构特点及优缺点等进行了较为系统的总结分析,并对我国无砟轨道的发展历程进行了阐述;总结了轨道结构静力学及动力学的研究现状,并对当前无砟轨道力学研究中的不足进行了分析。在此基础上拟定了本文的研究内容及创新点。2.建立了无砟轨道的静力及动力有限元分析模型采用ANSYS有限元平台建立了用于无砟轨道设计计算的三种静力有限元分析模型,即叠合梁模型、梁板模型及梁体模型,并对模型进行了对比分析及比选,明确了各模型的差别及使用条件。对ABAQUS运用于无砟轨道动力学仿真时的建模方法及主要涉及的问题进行了分析研究。在此基础上建立了路基及桥梁上无砟轨道动力有限元分析模型,并与遂渝线无砟轨道动力测试结果相比较,验证了建模方法的可靠性。3.研究了结构参数及基础变形(桥梁挠曲和路基不均匀沉降)对无砟轨道静力特性的影响采用建立的静力有限元分析模型,选取无砟轨道设计中重点关注的轨道板尺寸、砂浆弹性模量、支承层参数、扣件刚度、地基系数、预裂缝深度等设计参数,对无砟轨道的静力特性进行了参数影响分析。在此基础上对无砟轨道的设计提出了建议。研究了路基不均匀沉降条件下无砟轨道不同受力计算方法的差异,及纵向连接筋、路基不均匀沉降大小对于无砟轨道受力的影响;研究了桥梁挠曲条件下无砟轨道不同受力计算方法的差异,及纵向连接筋、连续梁固定支座上方的反弯作用、梁端转角、墩台差异沉降对无砟轨道受力的影响。在此基础上对基础变形条件下的无砟轨道设计提出了建议。4.研究了结构参数对无砟轨道动力特性的影响,对中高速条件下路基及桥梁上无砟轨道的动力响应进行了动力仿真分析采用建立的动力有限元模型,选取了扣件刚度、砂浆弹性模量、支承层弹性模量及基床参数等结构参数,对无砟轨道的动力特性进行了参数影响分析。在此基础上对无砟轨道的设计提出了建议。研究了中高速条件下车辆、无砟轨道、路基及桥梁系统的动力响应,结合国内外有关的动力评价指标及相应规定,对路基及桥梁上无砟轨道系统的动力响应水平进行了较为全面的评价。5.对比研究了不同纵向连接型式的无砟轨道力学特性静力方面,采用桥上无缝线路的分析方法,对不同纵向连接型式下的桥上无砟轨道纵向力进行了比较;动力方面,对路基、桥梁及路桥连接处不同纵向连接型式下的无砟轨道动力特性进行了比较。在此基础上对不同纵向连接型式的无砟轨道作出了评价。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
Abstract  8-14
1 绪论  14-37
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 国内外无砟轨道的发展及应用概述  15-31
    1.2.1 德国的无砟轨道  15-24
    1.2.2 日本的无砟轨道  24-26
    1.2.3 其他国家和地区的无砟轨道  26
    1.2.4 国内的无砟轨道  26-31
  1.3 轨道结构力学特性的研究现状  31-35
    1.3.1 轨道结构的静力学研究  31-32
    1.3.2 轨道结构的动力学研究  32-35
  1.4 本文主要的研究内容及创新点  35-37
    1.4.1 研究内容  35-36
    1.4.2 主要的创新点  36-37
2 无砟轨道有限元模型的建立  37-67
  2.1 CAE平台的选择  37-38
  2.2 无砟轨道静力有限元模型的建立及比选  38-43
    2.2.1 模型的建立  38-42
    2.2.2 模型的对比分析及比选  42-43
  2.3 基于ABAQUS有限元平台的无砟轨道动力仿真方法研究  43-53
    2.3.1 ABAQUS/Standard与ABAQUS/Explicit的主要区别  43-44
    2.3.2 数值解法及时间增量的控制  44-47
    2.3.3 接触问题的处理  47-52
    2.3.4 多体系统的模拟及与车辆动力学分析软件的比较分析  52-53
  2.4 无砟轨道动力有限元模型的建立及可靠性验证  53-65
    2.4.1 模型的建立  54-64
    2.4.2 建模方法的可靠性验证  64-65
  2.5 木章小结  65-67
3 无砟轨道的静力学特性研究  67-94
  3.1 结构参数对无砟轨道静力学特性的影响  67-79
    3.1.1 轨道板尺寸  67-69
    3.1.2 砂浆弹性模量  69-71
    3.1.3 支承层(HGT)参数  71-74
    3.1.4 扣件刚度  74-75
    3.1.5 地基系数  75-76
    3.1.6 预裂缝深度  76-79
  3.2 路基不均匀沉降对无砟轨道静力学特性的影响  79-86
    3.2.1 轨道板受力计算方法的研究  79-83
    3.2.2 纵向连接筋对轨道板受力的影响  83-84
    3.2.3 沉降值对无砟轨道受力的影响规律  84-86
  3.3 桥梁变形对无砟轨道静力学特性的影响  86-92
    3.3.1 桥梁挠曲对无砟轨道受力的影响  86-88
    3.3.2 纵连筋对轨道板受力的影响  88-89
    3.3.3 连续梁固定支座上方反弯作用对无砟轨道受力的影响  89-90
    3.3.4 梁端转角对梁端扣件的影响  90-91
    3.3.5 墩台差异沉降对梁端扣件的影响  91-92
  3.4 木章小结  92-94
4 无砟轨道的动力学特性研究  94-133
  4.1 结构参数对无砟轨道动力学特性的影响  94-112
    4.1.1 扣件刚度  94-97
    4.1.2 砂浆弹性模量  97-100
    4.1.3 支承层弹性模量  100-103
    4.1.4 基床参数  103-112
  4.2 中高速条件下路基上无砟轨道的动力学特性  112-124
    4.2.1 路基上无砟轨道系统的动力响应指标  112-117
    4.2.2 路基上无砟轨道系统的动力仿真研究  117-124
  4.3 中高速条件下桥上无砟轨道的动力学特性  124-132
    4.3.1 桥上无砟轨道系统的动力响应指标  124-126
    4.3.2 桥上无砟轨道系统的动力仿真研究  126-132
  4.4 本章小结  132-133
5 不同纵向连接型式的无砟轨道力学特性比较  133-165
  5.1 不同纵向连接型式的桥上无砟轨道静力特性比较  133-142
  5.2 路基上无砟轨道纵连与否时的动力特性比较  142-144
  5.3 不同纵向连接型式的桥上无砟轨道动力特性比较  144-149
  5.4 路桥连接处不同纵向连接型式的无砟轨道动力特性比较  149-163
  5.5 本章小结  163-165
6 结论与展望  165-168
  6.1 结论  165-167
  6.2 展望  167-168
参考文献  168-174
作者简历  174-177
学位论文数据集  177

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