高速鐵路高架橋上無(wú)咋道岔動(dòng)力特性研究.pdf

1、我國(guó)高速鐵路具有無(wú)砟軌道為主、高架橋梁眾多的特點(diǎn)，隨著高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，道岔作為重要的鐵路設(shè)備，不可避免地設(shè)置在高架橋上，形成高架橋上無(wú)砟道岔結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)列車(chē)高速通過(guò)時(shí)，車(chē)輛、道岔和橋梁之間相互作用、相互影響，構(gòu)成了高速鐵路車(chē)輛‐無(wú)砟道岔‐高架橋梁耦合系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)為“車(chē)岔橋系統(tǒng)”)。該系統(tǒng)不僅綜合了無(wú)砟軌道、高速道岔、高架橋梁的技術(shù)特點(diǎn)，而且衍生出一系列與高速有關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)，是高速鐵路亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
　　本論文在對(duì)國(guó)內(nèi)

2、外車(chē)軌、車(chē)岔、車(chē)橋、車(chē)軌橋等相關(guān)動(dòng)力學(xué)研究資料調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)和有限元方法等相關(guān)理論和方法，自主開(kāi)發(fā)了動(dòng)力仿真計(jì)算平臺(tái)FORSYS，并結(jié)合鄭西客運(yùn)專(zhuān)線、京滬高速鐵路相關(guān)動(dòng)力測(cè)試工作，進(jìn)行高速鐵路高架橋上無(wú)砟道岔系統(tǒng)動(dòng)力特性的理論和試驗(yàn)研究，為高速鐵路無(wú)砟道岔和高架橋梁的發(fā)展應(yīng)用和動(dòng)力評(píng)估提供一定的理論支撐。本文的主要研究工作如下：
　　(1)開(kāi)發(fā)了新型動(dòng)力仿真計(jì)算平臺(tái)FORSYS。
　　常見(jiàn)的商業(yè)計(jì)算軟件和自

3、編程序在進(jìn)行車(chē)輛、軌道和下部結(jié)構(gòu)的建模時(shí)都存在一定的不足，如多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件一般不能進(jìn)行軌道和下部結(jié)構(gòu)的細(xì)致模擬，而有限元分析軟件難以進(jìn)行車(chē)輛結(jié)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)建模；自編程序雖然可以實(shí)現(xiàn)多體和有限元的混合建模，但是很難對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)部進(jìn)行模擬，且往往工作繁重。針對(duì)這些研究手段的不足，本文自主開(kāi)發(fā)了動(dòng)力仿真計(jì)算平臺(tái)FORSYS。
　　動(dòng)力仿真計(jì)算平臺(tái)FORSYS由FORTRAN自編程序模塊和ANSYS軟件模塊組成。其中，ANSYS軟件模塊

4、主要用于道岔和橋梁結(jié)構(gòu)的有限元建模，F(xiàn)ORTRAN自編程序模塊主要用于車(chē)輛結(jié)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)建模、輪軌幾何接觸關(guān)系的處理、輪軌相互作用力的計(jì)算、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的求解等。利用動(dòng)力仿真計(jì)算平臺(tái)FORSYS，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛、道岔和橋梁等結(jié)構(gòu)快速、準(zhǔn)確建模，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛模型(多剛體模型)和道岔、橋梁模型(有限元模型)的“剛?cè)狁詈稀保瑥浹a(bǔ)了商業(yè)軟件和自編程序的不足，是一種新型的動(dòng)力分析手段。
　　(2)建立了完整細(xì)致的高速鐵路車(chē)輛‐道岔‐無(wú)砟軌道‐橋

5、梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析模型。
　　針對(duì)高速鐵路車(chē)輛、無(wú)砟道岔和高架橋梁的力學(xué)特點(diǎn)，本文利用動(dòng)力仿真計(jì)算平臺(tái)FORSYS，建立了完善的高速鐵路車(chē)輛‐道岔‐無(wú)砟軌道‐橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析模型。該系統(tǒng)模型由車(chē)輛模型、無(wú)砟道岔模型、橋梁模型、車(chē)岔作用模型和岔橋作用模型組成。
　　在系統(tǒng)動(dòng)力分析模型中，車(chē)輛結(jié)構(gòu)離散為車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)組成的多剛體系統(tǒng)；道岔結(jié)構(gòu)完整地考慮了轉(zhuǎn)轍器、連接部分和轍叉部分的力學(xué)特點(diǎn)，考慮了鋼軌截面型式的變化，考慮

6、了間隔鐵、頂鐵、滑床臺(tái)等部件的非線性作用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)砟軌道的實(shí)體建模；橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了按圖紙建模，考慮了梁體截面的變化和橋梁支座的影響。
　　(3)進(jìn)行高速鐵路高架橋上無(wú)砟道岔試驗(yàn)研究，對(duì)高速鐵路車(chē)輛‐道岔‐無(wú)砟軌道－橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析模型進(jìn)行驗(yàn)證。
　　在鄭西客運(yùn)專(zhuān)線渭南北站和京滬高速鐵路徐州東站，進(jìn)行橋上無(wú)砟道岔的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)測(cè)工作。主要對(duì)車(chē)輛過(guò)岔時(shí)的輪軌垂橫向力，鋼軌動(dòng)位移、振動(dòng)加速度、動(dòng)彎應(yīng)力，軌道板振動(dòng)加速度，橋梁的振動(dòng)加

7、速度及撓度等進(jìn)行了測(cè)試。
　　通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，對(duì)輪軌相互作用、車(chē)輛運(yùn)行的安全平穩(wěn)性、道岔和橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了評(píng)估。將仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)本文所建立的高速鐵路車(chē)輛‐道岔‐無(wú)砟軌道‐橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析模型進(jìn)行驗(yàn)證。
　　(4)進(jìn)行高速鐵路車(chē)岔橋系統(tǒng)動(dòng)力特性的仿真研究。
　　利用高速鐵路車(chē)輛‐道岔‐無(wú)砟軌道‐橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析模型，從輪軌相互作用、車(chē)輛運(yùn)行的安全平穩(wěn)性、道岔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、橋梁