不平順狀態(tài)下路基-無砟軌道-車輛耦合系統(tǒng)振動研究.pdf

1、隨著近年中國高速鐵路新線不斷建成通車，運營里程不斷增長，高速鐵路技術(shù)創(chuàng)新主題已不再局限于建造和設(shè)計，與保障高鐵安全運營配套的相關(guān)運營維護技術(shù)已成為新的研究熱點。盡管高速鐵路路基設(shè)計時采用了高標準的設(shè)計參數(shù)，但由于土石材料的散粒體特性，在列車動荷載及復雜多變的自然營力聯(lián)合作用下，運營期局部地段路基服役狀態(tài)劣化問題逐漸顯現(xiàn)，無論是路基不均勻沉降或是基床翻漿等都會引起線路不平順，成為車線振動的激擾源，威脅行車安全，加劇列車對無砟軌道路基的動力

2、破壞作用，目前對于運營期無砟軌道路基病害形成的不平順導致的動力學問題尚缺乏深入的理論研究。本文針對路基不均勻沉降、基床翻漿病害引起線路不平順激擾下，路基-無砟軌道-車輛系統(tǒng)振動響應特征開展了如下研究工作:
　　(1)回溯車輛-軌道-路基系統(tǒng)動力學的發(fā)展，對系統(tǒng)動力學研究中車輛、軌道、路基結(jié)構(gòu)離散模型進行了總結(jié)。在傳統(tǒng)車輛/軌道系統(tǒng)動力分析模型的基礎(chǔ)上，完整考慮了路基基床表層、底層、路堤的參振作用，并考慮了無砟軌道與路基間接觸狀態(tài)，

3、建立了可反映路基傷損引起的線路幾何不平順以及軌-路接觸界面效應特征的路基-無砟軌道-車輛系統(tǒng)空間時變計算模型。針對剛性混凝土底座板與柔性路基級配碎石基床表層間的接觸問題，提出了層間完全接觸、振動接觸、完全脫空三種接觸模式及對應的單元組集方式，構(gòu)建了滿足力學以及幾何邊界的約束條件，反映脫空區(qū)底座板與基床表層的非線性接觸行為的雙節(jié)點偶對接觸單元模型，推導了接觸模型振動方程，闡述了軌路非線性接觸問題的迭代求解過程及接觸單元約束模量系數(shù)的自適應

4、算法。
　　(2)基于Visual Studio2010交互式軟件開發(fā)平臺，采用自主編程的形式，利用Fortran語言編寫開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的路基-無砟軌道-車輛耦合系統(tǒng)振動動力分析程序SBVDAS。大型剛陣元素存儲采用一維變帶寬方式進行存貯，基于自由度關(guān)聯(lián)性分析將剛陣元素區(qū)域分為零元素區(qū)、非零元素區(qū)及時變非零元素區(qū)。推導了各元素區(qū)元素的尋址公式以及半帶寬計算方程?；趧傟囋貐^(qū)域劃分，在考慮元素時變效應的基礎(chǔ)上設(shè)計了元素分區(qū)

5、組集的程序結(jié)構(gòu)。利用多維數(shù)組存儲的“Column Major”法則對數(shù)組操作程序進行了優(yōu)化，提高程序執(zhí)行效率，通過增大堆?？臻g以及避免在子程序內(nèi)部定義及使用大型數(shù)組的方法解決了超大自由度動力計算中多維數(shù)組堆棧溢出問題，分析了調(diào)試NAN錯誤的原因及解決方法。
　　(3)闡述了車輛、無砟軌道、路基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學參數(shù)的識別方法，利用數(shù)值試驗對合理模型計算長度及有效積分步長進行了研究，結(jié)果表明模型的合理計算長度在保證車輛長度及不平順外，輪

6、對接觸點距離模型端部應不少于6跨的長度。積分步長△t的下限由計算機程序的舍入誤差以及由積分算法可能引起的高階方程病態(tài)問題共同決定。通過零速穩(wěn)態(tài)響應試驗對最大合理有效積分步長進行了試算，最大合理有效積分步長與行車速度以及不平順波長相關(guān)，最大有效積分步長隨不平順激勵波長的增大而增加，隨行車速度的增加而減小。利用數(shù)值算例分別對連續(xù)諧波高低不平順激勵以及隨機不平順激勵下，路基-無砟軌道-車輛系統(tǒng)動力響應分析結(jié)果進行了驗證。
　　(4)利用

7、SBVDAS對路基不均勻沉降引起的軌面中長波高低不平順激擾下，不均勻沉降波深、波長以及列車運營速度對車輛、無砟軌道、路基振動特性的影響進行了研究，在此基礎(chǔ)上對運營期高速鐵路路基不均勻沉降限值的確定進行了分析。結(jié)果表明車輛經(jīng)過路基不均勻沉降區(qū)段時，車輛走行性能明顯惡化，車輛對下部無砟軌道路基的動力破壞作用增強，車體系統(tǒng)振動強度隨路基不均勻沉降波深增大基本呈正比增加，路基結(jié)構(gòu)與無砟軌道結(jié)構(gòu)的振動強度參數(shù)基本呈線性增加，不均勻沉降波深對車輛振

8、動響應的影響幅度高于無砟軌道以及路基結(jié)構(gòu)。車體振動加速度受波長“頻域效應”的影響顯著，17.5m是5～20m波長區(qū)段車體振動加速度敏感波長;無砟軌道、路基各結(jié)構(gòu)層的動力響應隨著沉降波長增加而減小，但影響效應逐漸減弱。路基不均勻沉降引起的軌面不平順激擾將導致路基頂面動應力幅分布不均勻，路基面動應力幅沿線路縱向呈現(xiàn)出顯著余弦式場分布特征。路基不均勻沉降限值的動力學評價應考慮車輛安全舒適性、無砟軌道疲勞損傷以及路基結(jié)構(gòu)長期動力穩(wěn)定性。當列車速

9、度為250km/h時，車體垂向加速度是無砟軌道路基不均勻沉降限值的控制指標，運營期無砟軌道路基不均勻沉降應控制在18mm/20m以內(nèi)。
　　(5)利用路基-板式無砟軌道-車輛系統(tǒng)耦合振動空間分析模型對無砟軌道路基翻漿條件下，翻漿區(qū)域長度、層間脫空值、行車速度等參數(shù)對車輛、無砟軌道、路基各系統(tǒng)的動力響應的影響進行了仿真分析。結(jié)果表明基床翻漿對無砟軌道及路基結(jié)構(gòu)動力響應的影響高于車輛動力指標。車體垂向振動加速度隨基床翻漿脫空長度增大而

10、緩慢增加，輪軌垂向力則變化不明顯，無砟軌道結(jié)構(gòu)鋼軌、軌道板及底座板動位移則明顯非線性增大。當基床翻漿區(qū)域達到8跨后，鋼軌動位移超過限值，建議將8跨作為基床翻漿長度的控制值?；卜瓭{導致路基面動應力分布顯著差異，翻漿區(qū)路基面應力明顯減少，邊緣則出現(xiàn)應力集中。行車速度增加將加劇基床翻漿區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)的振動，輪軌垂向力略有增大，而車體振動加速度卻略有降低，鋼軌動位移也有所減小。基床翻漿臨界層間脫空值與行車速度及基床翻漿區(qū)長度有關(guān)。無砟軌道軌道

11、板、底座板動位移敏感因子達到5.14，基床完好狀態(tài)時路基面與無砟軌道底座板動位移幅值比(0.92)遠高于基床翻漿后(0.01)，可將其作為基床翻漿病害的初步識別的動力指標。
　　(6)無砟軌道路基翻漿病害的形成主要與基床表層級配碎石細粒含量較高以及底座板伸縮縫、側(cè)縫封閉不嚴有關(guān);基床翻漿導致路基對軌道結(jié)構(gòu)支承及約束作用降低，加劇了無砟軌道結(jié)構(gòu)的振動，其中底座板振動放大效應尤其明顯，且振動放大效應隨車速增加而增大;基床翻漿改變了無砟