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原文传递路基不均匀沉降下有砟轨道结构变形机理及动力响应研究

论文题名：	路基不均匀沉降下有砟轨道结构变形机理及动力响应研究
关键词：	有砟轨道;轨道结构;路基沉降;多柔性体动力学;轨枕空吊
摘要：	由于地质条件复杂及道床稳定性，有砟轨道极易产生路基不均匀沉降。路基不均匀沉降严重影响铁路轨道的力学性能。在我国客运高速化及货运重载化的发展趋势下，路基不均匀沉降下的轨道结构变形机理及动力响应是目前需要解决的突出问题。本文通过充分调研相关研究现状，发现针对有砟轨道路基病害等问题常用的室内试验及数值仿真方法，在路基不均匀沉降问题的研究中均存在着一定的不足之处。因此，基于既有研究的不足，基于离散元-多柔性体动力学耦合仿真方法建立有砟轨道路基不均匀沉降损伤模型。提出针对研究问题的2.5维模型简化方法。首先参考文献中的室内试验建立耦合仿真模型，研究路基不均匀沉降下的有砟轨道结构沉降变形特性研究及参数化分析，之后依据研究结果建立有砟轨道动力学耦合模型，对不同形式路基不均匀沉降下有砟轨道结构动力特性及道床磨损规律开展研究。本文主要工作如下：　　1.基于离散元-多柔性体动力学耦合仿真方法，提出了有砟轨道结构损伤模型建模方法；模型可分为离散元道床子模型和多柔性体动力学上部结构子模型。并通过仿真试验与文献数据对比对离散元接触模型进行了参数标定。　　2.参考文献试验建立有砟轨道累积沉降模型，与文献结果对比验证模型正确性。利用模型开展余弦型路基不均匀沉降下轨道结构沉降变形规律研究。　　3.利用建立的有砟轨道结构累积沉降模型，对道砟颗粒杨氏模量、扣件刚度及荷载频率对有砟轨道结构累积变形的影响规律进行参数化分析，　　4.基于能量磨损理论，编写道砟颗粒磨损的接触模型子程序；建立有砟轨道有限元模型并计算弹性轨枕下的荷载缩减系数。基于有限元模型与前文结果得到路基不均匀沉降下钢轨变形曲线，建立路基不均匀沉降下有砟轨道动力学模型，研究了不同形式的路基不均匀沉降下的轨道结构动力响应及道床磨损。　　并得到主要结论如下：　　1.路基沉降波长、幅值增大加剧了轨道不平顺，波长扩散角变化不大，趋于33.5°。路基不均匀沉降使沉降位置两侧道床产生应力集中。沉降波长和幅值增加导致道床应力集中范围外延。轨面沉降槽面积与路基不均匀沉降面积的比值可以反映轨枕空吊情况，道床维修应根据路基沉降情况确定重点位置；工程中应尽量将沉降幅值控制在10mm以内以避免轨枕空吊，确保列车运行安全。　　2.随着道砟颗粒杨氏模量逐渐增大，道床刚度增大，道床整体变形能力下降，沉降波长扩散角随之增大，钢轨沉降变形量减少。荷载频率增大使累计变形速率加快。道床累计沉降显著增大。扣件刚度的变化对轨道结构变形影响较小。　　3.路基不均匀沉降使轨道结构的动力响应非线性增大，并显著加剧车-轨系统的动力响应，影响行车平顺性。轨枕的非完全空吊，可能对道床造成较大冲击荷载。路基不均匀沉降使沉降位置两侧结构受力、道床磨损出现明显峰值，且轨枕空吊下情况更为严重。随着沉降量的增大，余弦型沉降的扣件力、枕下压力、道床磨损峰值位置均先外扩后内收，其影响范围不断扩大；错台型沉降扣件力、枕下压力峰值位置不断外扩，最终导致轨道整体受力加剧，道床磨损峰值位置由沉降路段两侧最终变为沉降路段后。工程中应根据沉降情况确定受损位置，及时维修、更换受损扣件，并及时对脏污道床进行清筛、更换。
作者：	雷红博
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	罗文俊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华东交通大学
学位年度：	2022