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高速列车和板式轨道动力相互作用理论和实测分析

作　者: 宋欢平
导　师: 陈云敏；边学成
学　校: 浙江大学
专　业: 岩土工程
关键词: 板式无砟轨道高速列车动力耦合路基沉降模态分解
分类号: U213.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

根据《国家中长期铁路网规划08版》的目标,在十一五期间,我国高速铁路得到快速发展,四横四纵和多个城际客运专线系统逐渐建设完成。而板式无砟轨道由于具有平稳性好、平顺性高和维修量小的特点得到了广泛的运用。随着列车运行速度的提高,轨道的较小的不均匀(路基沉降、轨面不平顺和刚度不均匀等)均会导致较大的车轨振动响应,关系到列车运行的安全性、乘客的舒适性以及轨道的长期服役性能,故车轨动力学是一个重要的研究课题。本文通过列车-板式轨道-路基耦合振动分析模型和京津城际客运专线实测数据,较系统地分析了轨道结构在列车运行时的振动响应传播特性,以及路基发生沉降变形对车轨动力响应的影响,并以此总结了路基沉降的控制标准。主要研究内容包括：1.结合列车运行安全性和对周围环境影响问题,阐述了轨道结构动力学研究的必要性。从数值解析、现场测试和模型试验三个方面总结了国内外高速列车运行导致的轨道路基结构振动研究现状。2.归纳了列车-轨道结构耦合模型计算的重要性,通过建立列车和轨道结构各子系统的振动微分方程,结合轮轨线性接触假设,将列车与板式轨道两子系统耦合形成一个具有时变特性的系统,并利用NEWMARK数值方法求解。提出了模型计算中需要注意的要点,包括：如何消除列车和轨道结构的初始振动响应；如何确定钢轨和离散轨道板的模态数取值等。3.介绍了京津城际客运专线试运行期间浙江大学岩土所的测试情况。测试内容包含轨道和路基结构的振动以及运行期路基的长期沉降发展。测试结果显示：与有砟轨道相比,无砟轨道结构振动响应较小；随着列车运行速度的增加,轨道响应出现相应的增大；振动在轨道结构中传播消散迅速,距离轨道中心4m的路肩处振动速度响应峰值为混凝土底座板峰值的8%左右,而高路堤下土体振动速度响应峰值仅为混凝土底座板峰值的2%左右。4.分析了列车-轨道-路基耦合振动响应的基本特征,计算了轨道表面不平顺分布对车轨振动的影响。为了验证模型的正确性,分别将模型退化为简支梁上移动质量系问题和地铁浮置板耦合振动问题并同其余学者计算结果进行了比较,结果显示均吻合良好。在简支梁上移动质量系模型分析中,通过简支梁中心弯矩的组成成分(移动接触力导致和简支梁分布质量惯性力导致)的分析,明确了车轨耦合分析与分布质量影响的重要性；在浮置板轨道模型分析中,对其文中的初始振动问题和钢轨梁模数取值问题进行了探讨,提出了正确处理的方法。5.在列车长期循环荷载作用下,轨道路基易发生沉降变形,导致轨道结构存在各种不平顺分布。在车轨耦合分析模型的基础上,引入了轨道路基沉降假设,计算了沉降分布长度、沉降深度以及列车运行速度对车轨振动响应放大作用的影响。通过各种工况的分析,在满足列车运行安全性和舒适性指标的要求下,提出了不同列车运行速度下的路基沉降控制标准。6.为了方便使用,基于matlab软件GUI功能编制了“高速铁路板式轨道动力分析软件”界面。软件界面简单明了,提供了整体输入文件和多种车型数据的自动选择,结果输出界面能够展示车轨动力响应的重要指标,并将全部计算结果自动保存以便后续检查。而且为各种形式的轨道结构(有砟轨道,简支梁桥上轨道结构等)留下了接口。本文的理论计算和实测分析对高速列车运行于板式轨道结构时产生的振动响应的预测评估和路基沉降标准的确定有着积极意义。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
SUMMARY  7-13
图表清单  13-16
1 引言  16-31
  1.1 立题背景与研究意义  16-20
    1.1.1 国内外高速铁路的发展  16-18
    1.1.2 高速铁路发展引起的问题  18-19
    1.1.3 列车板式轨道系统基本介绍  19-20
  1.2 国内外研究现状  20-28
  1.3 课题研究内容和方案  28-31
2 列车-板式轨道-路基耦合振动模型  31-45
  2.1 列车-板式轨道-路基耦合模型背景介绍  31-32
  2.2 模型介绍和图示  32-34
  2.3 模型理论推导  34-43
    2.3.1 列车部分  35-37
    2.3.2 轨道部分  37-38
    2.3.3 列车-轨道系统的耦合  38-39
    2.3.4 轨道不平顺分布  39-42
    2.3.5 路基不均匀沉降  42-43
  2.4 模型计算要点  43-45
    2.4.1 去除初始振动  43-44
    2.4.2 钢轨模态数取值要求  44
    2.4.3 离散轨道板模态数取值要求  44-45
3 京津城际客运专线测试  45-55
  3.1 测试背景  45-46
  3.2 测试内容和步骤  46-48
    3.2.1 轨道和路基振动测试  46-47
    3.2.2 运行期路基长期沉降  47-48
  3.3 测试成果  48-53
    3.3.1 轨道路基振动测试结果  48-52
    3.3.2 路基沉降测试  52-53
  3.4 小结  53-55
4 车轨耦合振动基本特性以及模型验证  55-79
  4.1 车轨动力响应基本特征  55-60
    4.1.1 板式轨道结构振动特性  55-58
    4.1.2 轨道表面不平顺的影响  58-60
  4.2 简支梁上移动质量系经典问题验证  60-64
  4.3 地铁浮置板问题比较验证及计算要点分析  64-73
    4.3.1 浮置板轨道介绍  64-65
    4.3.2 同Kuo计算结果对比  65-69
    4.3.3 列车运行速度和浮置板长度影响  69-73
  4.4 同京津线实测结果比较验证  73-77
  4.5 小结  77-79
5 轨道路基沉降变形对车轨动力相互作用的影响  79-90
  5.1 轨道路基沉降问题研究概述  79-80
  5.2 路基沉降分布对车轨动力学的影响  80-84
    5.2.1 轨道结构中力响应  80-82
    5.2.2 列车动力响应  82-84
  5.3 列车运行速度对车轨动力学的影响  84-88
  5.4 路基沉降控制标准分析  88-89
  5.5 小结  89-90
6 高速铁路板式轨道动力分析软件编制  90-97
  6.1 软件背景介绍  90
  6.2 软件功能和主要程序界面  90-96
    6.2.1 计算主界面  90-91
    6.2.2 列车参数输入对话框  91-92
    6.2.3 轨道参数输入对话框  92-93
    6.2.4 计算参数输入对话框和参数检查对话框  93
    6.2.5 计算主程序  93-94
    6.2.6 结果输出对话框  94-96
  6.3 小结  96-97
7 总结与展望  97-101
  7.1 总结  97-99
  7.2 展望  99-101
附录:输入文件和列车参数数据文件格式说明  101-103
参考文献  103-106
作者简历及成果列表  106

高速列车和板式轨道动力相互作用理论和实测分析

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