高速铁路路桥过渡段轨道动力特性分析及优化设计研究

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1、高速铁路路桥过渡段轨道动力特性分析及优化设计研究1绪论1.1引言高速铁路，简称高铁，它的出现和发展是人类运输史上的一个里程碑，它的高速、高载客量、强输送能力、较好的安全性和舒适性满足了人类对交通工具日益增长的需求。速度的提升给铁路的发展和研究带来了许多的问题与挑战。高速铁路对速度、安全性和舒适性的高要求需以线路和基础的稳定性作为保证。线路结构的各个部分具有各自强度刚度、变形、材料特性，要想优化整体结构，就需要对各部分力学参数进行优化。高速铁路中路基的动力稳定性和后期沉降变形对无昨轨道及其上部结构的安全、耐久性

2、具有控制作用，路基结构中的一个特殊部位是土质路基与刚性结构物之间设置的过渡段。我国的高速铁路建设中不可避免地出现过渡段，主要有几种常见形式，如路桥过渡段、路随过渡段、路涵过渡段、桥随过渡段、路堤和路暂过渡段、有昨及无碎过渡段、平交道口与其两端的轨道、道盆头尾轨道与盆内轨道等，如图1-1?图1-8所示。因刚性结构物基础和路基结构物基础的结构形式和材料刚度的差异，会降低线路的几何平顺性，从而降低线路的稳定性，尤其是长期稳定性。因此过渡段处的动力特性研究和优化设计将成为实现整个线路高平顺性、高稳定性和耐久性、安全性

3、的一个重要方面。..1.2高速铁路路桥过渡段发展现状高速铁路中，路桥交替，在同一条线路上有碎轨道和无亦轨道同时出现也是比较普遍的现象。国外部分高速铁路线下基础中，桥梁所占比例见表1-1。日本的东海道、山阳、上越、东北、北陆、东北和九州新干线，共计2194km，其中无昨轨道有1301km,占线路总长的59.3%,有昨轨道有893km,占线路总长的40.7%⑴。德国的柏林一汉诺威、科隆一法兰克福、纽伦堡一英戈城高速铁路的无碎轨道和有碎轨道长度分别为190km、150km、75km、74km、27km和24kin。

4、目前，国内新建高速铁路线路桥梁所占比例约80%，见表1-2。中国2008年开通的的京津城际铁路，正线桥梁长度100.705km,占线路总长的88.7%。2009年开通的武广客运专线过渡段密集，全线的涵洞、桥梁和險道分别有近2000座、458座和110座，路堤与路塑有1990处连接，这三类过渡段共计7126处，分布在392.615km的路基中，相当于每55m有一处过渡段。2011年开通的京沪高速铁路桥梁、險道和路基的长度分别为1140km、16km和162km,占正线长度的86.5%、1.2%和12.3%,全线

5、有50km的正线铺设有昨轨道，其余1268km正线铺设无碎轨道。2012年开通的哈大高铁全长921km，全线共跨桥梁162座，总长670.672km,占总长的72.82%,險道8座，总长9.929km，为线路总长的1.1%。..2高速铁路过渡段親合动力学模型的建立2.1引言动力学仿真分析中必不可少的是动力学模型，能够反映系统特征并符合适应条件的模型，是对系统进行全面深入的动力特性分析的基础。如果模型过于简单，则无法对系统的主要方面及影响因素进行较好的阐述；如果模型过于复杂，会掩盖对系统主要因素的影响，分析过程

6、繁冗，计算时间较长。因此，在建模的过程中需要做一些简化和优化。.2.2计算软件及程序设计语言的确定2.2.1有限元软件的比选有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。结构分析能力较强的有ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS；流体分析能力较强的有ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS；親合分析能力较强的有ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUSo下面从应用领域、建模、网格划分、前后处理、接触和计算效率等多个方面对几种软件的特点进行对比。ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位

7、移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，如热传导、质量扩散、热电稱合分析、振动与声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力稱合分析）及压电介质分析。ABAQUS致力于复杂和深入的非线性工程问题，尤其是高度非线性问题。ANSYS的研究领域涉及结构、温度、流体、电磁场和多物理场稱合等。ADINA在结构、温度、流体及流固親合流体（这项功能获得全球唯一的技术专利）和多物理场稱合功能方面强大。MSC.NASTRAN可以应用于结构力学、热导流一固耦合、空气动力弹性及颠振分析，可进行特征和非特征结构建模等优点，建立较大型的

8、结构，且结构的细部比较复杂，如飞机。MSC.DYTRAN能够有效解决了大变形和极度大变形问题，如：爆炸分析、高速侵彻，同时可以用有限体积法跟踪物质的流动的流体功能，能够完成全稱合的流体一结构相互作用模拟。但MSC.DYTRAN的材料模型不丰富，对于岩土类处理尤其差，虽然提供了用户材料模型接口，但由于程序本身的缺陷，难于将反映材料特性的模型加上去；其次，没有二维计算功能，轴对称问题也只能按三维问题处理