高速铁路路基段无砟轨道多层结构建模与分析

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1、高速铁路路基段无砟轨道多层结构建模与分析第一章绪论1.1研究背景随着人口的增长，出行率的增加，传统的铁路运输逐渐地显示出诸多弊端，高速铁路以其安全快速、运输量大、安全准时、占用土地资源少、低碳环保、社会和经济效益好等优点，成为世界很多国家首选的交通业发展方向。日本最早开始建设高速铁路，1964年东海道新干线的正式开通，标志着日本率先步入高速铁路时代，日本的高速铁路列车运行的时速达到210km/h，在开通高速铁路之前，从大阪到东京的列车需要运行7个小时之久，新干线开通之后，两个城市之间列车的运行时间缩短至3小时。新干线代表了

2、当时世界上高速铁路的最高技术水平[1]。法国高速列车也称TGV，是日本新干线之后的世界第二条商业运行高速铁路系统。历史上法国对高速行车一直是情有独钟，并占有相当明显的优势。据统计，从1890到1990的一百年间，世界铁路共创造了17次铁路行车速度最高记录，其中有9次是由法国铁路创造的。1955年，法国利用普通的电力机车牵引一节客车和一节试验车所创造的331km/h当时世界记录，直到20世纪70年代才由它自己的TGV-01试验型电动车组以380km/h的速度打破。2007年4月3日，TGV列车以574.8km/h的速度创造了

3、轮轨列车的最快世界纪录。德国铁路也有高速行车的传统。早在1903年，德国铁路一辆电动车就曾经在试验中达到210km/h的速度。德国铁路工业比较发达，技术先进，德国铁路和德国联邦政府还一直重视轮轨动力学方面的理论研究，从20世纪70年代起就开始从事这方面的研究和试验，为后来开发高速列车奠定了基础，德国高速铁路ICE试验型城际列车特快(InterCityExperimental)，随后意大利、西班牙、瑞典等国也开始了200km/h以上的高铁建设，目前全世界运营中的高铁总里程已达上万公里，这些线路分布在14个国家和地区。舒适方便

4、、能源消耗低、运输效率高，发展高铁已是当今世界铁路发展的共同趋势[2]。1.2国内外无砟轨道的发展与研究现状与有砟轨道不同，无砟轨道使用沥青混合材料或者混凝土代替道砟和道床，无砟轨道的几何形状可以长期持久保持，其维修量与有砟轨道相比显著降低，具有高平顺性和稳定性。所以无砟轨道结构在各国的铁路建设中发展十分迅速，某些国家把无砟轨道作为主要的轨道结构形式推广，在推动经济发展与社会进步方面取得了显著的成就。日本的无砟轨道技术在世界前列，主要代表为新干线板式无砟轨道。截至到目前，日本无砟轨道的累积铺设里程将近2800km，其主要应

5、用桥梁与隧道区段，路基段上无砟轨道的铺设相对较少。日本国内无砟轨道的铺设量很大，轨道的结构形式也非常丰富。较常见的轨道形式有普通A型无砟轨道和在A型无砟轨道基础上改良的框架型无砟轨道，另外还有用于特殊减震区段的G型无砟轨道以及在路基上铺设的RA型无砟轨道。上述无砟轨道结构形式在结构耐久、线路平顺性上有较好表现，另外其轨道结构的刚度较均匀，稳定性较高[5]。日本的板式轨道由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆调整层、凸形档台以及底座组成。根据不同的线路(路基、桥梁、隧道)和不同的调整量，可选用的扣件的型号主要有直结4、5、7、8型。

6、凸形挡台主要作用在于固定轨道板的位置，保持其在横向和纵向的几何位置保持不变，同时凸形挡台也是无砟轨道在铺设和调整时的参考点。第二章高速铁路无砟轨道-路基有限元模型在铁路建设的发展历程中，众多学者根据自己研究的目的以及侧重点，建立了不同的轨道结构模型。但是随着高速铁路建设的突飞猛进，传统有砟轨道的模型大多已不适用于分析新型无砟轨道结构。本章在比较传统轨道结构模型的基础上，利用ANSYS有限元分析软件建立新型无砟轨道有限元分析模型。2.1无砟轨道有限元模型比较高速铁路无砟轨道结构的地基大部分属于弹性地基，符合Winkler假定

7、，目前无砟轨道主要的计算理论有叠合梁理论，梁一板理论和梁一体理论。高速铁路路基段无砟轨道属于多层结构，弹性地基梁模型为单层模型，无法对多层结构进行详细的计算分析。故在单层弹性地基梁模型的基础之上提出了双层、三层、四层弹性地基梁模型，无砟轨道多层结构无论是横向还是竖向均可视为弹性基础上的叠合梁模型。尤其对于双层线弹性的地基梁，可根据叠合梁理论对其求解析解，该方法因为求解较为简单，在国内外无砟轨道设计中得以广泛使用。叠合梁理论在计算时，考虑到轨道结构的对称性，可以沿轨道中心线取一半进行计算，钢轨通常视为第一层无限长梁，轨道板视

8、为第二层长梁，扣件与路基则简化为线性弹簧，如图2-1所示。2.2模型参数的确定我国的高速铁路建设多采用CRTS-Ⅰ型与CRTS-Ⅱ型无砟轨道结构，在既有高速铁路中CRTS-Ⅱ型无砟轨道应用更为广泛，本文对无砟轨道多层结构的力学特性分析选用CRTS-Ⅱ型无砟轨道结构进行建模计算。路基段上CRTS-Ⅱ型板式