本文選題：高速鐵路 + 不均勻沉降限值　； 參考：《西南交通大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：隨著近年我國(guó)高速鐵路新線不斷建成通車,運(yùn)營(yíng)里程不斷增長(zhǎng),高速鐵路技術(shù)創(chuàng)新主題已不再局限于建造和設(shè)計(jì),與保障高鐵安全運(yùn)營(yíng)配套的相關(guān)運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)已成為新的研究熱點(diǎn)。盡管高速鐵路路基設(shè)計(jì)時(shí)采用了高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)參數(shù),但由于土石材料的散粒體特性,在列車動(dòng)荷載及復(fù)雜多變的自然營(yíng)力聯(lián)合作用下,運(yùn)營(yíng)期局部地段路基服役狀態(tài)劣化問(wèn)題逐漸顯現(xiàn),無(wú)論是路基不均勻沉降或是基床翻漿等都會(huì)引起線路不平順,成為車線振動(dòng)的激擾源,威脅行車安全,加劇列車對(duì)無(wú)砟軌道路基的動(dòng)力破壞作用,目前對(duì)于運(yùn)營(yíng)期無(wú)砟軌道路基病害形成的不平順導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題尚缺乏深入的理論研究。本文針對(duì)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(wú)砟軌道-車輛系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)特征開(kāi)展了如下研究工作:(1)回溯車輛-軌道-路基系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究中車輛、軌道、路基結(jié)構(gòu)離散模型進(jìn)行了總結(jié)。在傳統(tǒng)車輛/軌道系統(tǒng)動(dòng)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(wú)砟軌道與路基間接觸狀態(tài),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(yīng)特征的路基-無(wú)砟軌道-車輛系統(tǒng)空間時(shí)變計(jì)算模型。針對(duì)剛性混凝土底座板與柔性路基級(jí)配碎石基床表層間的接觸問(wèn)題,提出了層間完全接觸、振動(dòng)接觸、完全脫空三種接觸模式及對(duì)應(yīng)的單元組集方式,構(gòu)建了滿足力學(xué)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(diǎn)偶對(duì)接觸單元模型,推導(dǎo)了接觸模型振動(dòng)方程,闡述了軌路非線性接觸問(wèn)題的迭代求解過(guò)程及接觸單元約束模量系數(shù)的自適應(yīng)算法。(2)基于Visual Studio 2010交互式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用自主編程的形式,利用Fortran語(yǔ)言編寫開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的路基-無(wú)砟軌道-車輛耦合系統(tǒng)振動(dòng)動(dòng)力分析程序SBVDAS。大型剛陣元素存儲(chǔ)采用一維變帶寬方式進(jìn)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(shí)變非零元素區(qū)。推導(dǎo)了各元素區(qū)元素的尋址公式以及半帶寬計(jì)算方程�；趧傟囋貐^(qū)域劃分,在考慮元素時(shí)變效應(yīng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了元素分區(qū)組集的程序結(jié)構(gòu)。利用多維數(shù)組存儲(chǔ)的“Column Major”法則對(duì)數(shù)組操作程序進(jìn)行了優(yōu)化,提高程序執(zhí)行效率,通過(guò)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(dòng)力計(jì)算中多維數(shù)組堆棧溢出問(wèn)題,分析了調(diào)試NAN錯(cuò)誤的原因及解決方法。(3)闡述了車輛、無(wú)砟軌道、路基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的識(shí)別方法,利用數(shù)值試驗(yàn)對(duì)合理模型計(jì)算長(zhǎng)度及有效積分步長(zhǎng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明模型的合理計(jì)算長(zhǎng)度在保證車輛長(zhǎng)度及不平順外,輪對(duì)接觸點(diǎn)距離模型端部應(yīng)不少于6跨的長(zhǎng)度。積分步長(zhǎng)△t的下限由計(jì)算機(jī)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(wèn)題共同決定。通過(guò)零速穩(wěn)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)對(duì)最大合理有效積分步長(zhǎng)進(jìn)行了試算,最大合理有效積分步長(zhǎng)與行車速度以及不平順波長(zhǎng)相關(guān),最大有效積分步長(zhǎng)隨不平順激勵(lì)波長(zhǎng)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(duì)連續(xù)諧波高低不平順激勵(lì)以及隨機(jī)不平順激勵(lì)下,路基-無(wú)砟軌道-車輛系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。(4)利用SBVDAS對(duì)路基不均勻沉降引起的軌面中長(zhǎng)波高低不平順激擾下,不均勻沉降波深、波長(zhǎng)以及列車運(yùn)營(yíng)速度對(duì)車輛、無(wú)砟軌道、路基振動(dòng)特性的影響進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上對(duì)運(yùn)營(yíng)期高速鐵路路基不均勻沉降限值的確定進(jìn)行了分析。結(jié)果表明車輛經(jīng)過(guò)路基不均勻沉降區(qū)段時(shí),車輛走行性能明顯惡化,車輛對(duì)下部無(wú)砟軌道路基的動(dòng)力破壞作用增強(qiáng),車體系統(tǒng)振動(dòng)強(qiáng)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(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)基本呈線性增加,不均勻沉降波深對(duì)車輛振動(dòng)響應(yīng)的影響幅度高于無(wú)砟軌道以及路基結(jié)構(gòu)。車體振動(dòng)加速度受波長(zhǎng)“頻域效應(yīng)”的影響顯著,17.5m是5～20m波長(zhǎng)區(qū)段車體振動(dòng)加速度敏感波長(zhǎng);無(wú)砟軌道、路基各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)力響應(yīng)隨著沉降波長(zhǎng)增加而減小,但影響效應(yīng)逐漸減弱。路基不均勻沉降引起的軌面不平順激擾將導(dǎo)致路基頂面動(dòng)應(yīng)力幅分布不均勻,路基面動(dòng)應(yīng)力幅沿線路縱向呈現(xiàn)出顯著余弦式場(chǎng)分布特征。路基不均勻沉降限值的動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)考慮車輛安全舒適性、無(wú)砟軌道疲勞損傷以及路基結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性。當(dāng)列車速度為250km/h時(shí),車體垂向加速度是無(wú)砟軌道路基不均勻沉降限值的控制指標(biāo),運(yùn)營(yíng)期無(wú)砟軌道路基不均勻沉降應(yīng)控制在18mm/20m以內(nèi)。(5)利用路基-板式無(wú)砟軌道-車輛系統(tǒng)耦合振動(dòng)空間分析模型對(duì)無(wú)砟軌道路基翻漿條件下,翻漿區(qū)域長(zhǎng)度、層間脫空值、行車速度等參數(shù)對(duì)車輛、無(wú)砟軌道、路基各系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)的影響進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明基床翻漿對(duì)無(wú)砟軌道及路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響高于車輛動(dòng)力指標(biāo)。車體垂向振動(dòng)加速度隨基床翻漿脫空長(zhǎng)度增大而緩慢增加,輪軌垂向力則變化不明顯,無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)鋼軌、軌道板及底座板動(dòng)位移則明顯非線性增大。當(dāng)基床翻漿區(qū)域達(dá)到8跨后,鋼軌動(dòng)位移超過(guò)限值,建議將8跨作為基床翻漿長(zhǎng)度的控制值。基床翻漿導(dǎo)致路基面動(dòng)應(yīng)力分布顯著差異,翻漿區(qū)路基面應(yīng)力明顯減少,邊緣則出現(xiàn)應(yīng)力集中。行車速度增加將加劇基床翻漿區(qū)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng),輪軌垂向力略有增大,而車體振動(dòng)加速度卻略有降低,鋼軌動(dòng)位移也有所減小�；卜瓭{臨界層間脫空值與行車速度及基床翻漿區(qū)長(zhǎng)度有關(guān)。無(wú)砟軌道軌道板、底座板動(dòng)位移敏感因子達(dá)到5.14,基床完好狀態(tài)時(shí)路基面與無(wú)砟軌道底座板動(dòng)位移幅值比(0.92)遠(yuǎn)高于基床翻漿后(0.01),可將其作為基床翻漿病害的初步識(shí)別的動(dòng)力指標(biāo)。(6)無(wú)砟軌道路基翻漿病害的形成主要與基床表層級(jí)配碎石細(xì)粒含量較高以及底座板伸縮縫、側(cè)縫封閉不嚴(yán)有關(guān);基床翻漿導(dǎo)致路基對(duì)軌道結(jié)構(gòu)支承及約束作用降低,加劇了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng),其中底座板振動(dòng)放大效應(yīng)尤其明顯,且振動(dòng)放大效應(yīng)隨車速增加而增大;基床翻漿改變了無(wú)砟軌道與路基基床間振動(dòng)波傳遞狀態(tài),限制了路基基床參振耗能作用的發(fā)揮,實(shí)測(cè)翻漿斷面路基面動(dòng)位移幅值減少45%,底座板到路基面動(dòng)位移傳遞函數(shù)減小約2/3,當(dāng)列車速度為247km/h時(shí),在路基受動(dòng)荷載主要作用頻率范圍內(nèi)(0～15Hz),其動(dòng)位移傳遞函數(shù)處于0.22～0.39間。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U211

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1930186