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原文传递高速铁路桥上梁端处有砟道床劣化机理及防治措施研究

论文题名：	高速铁路桥上梁端处有砟道床劣化机理及防治措施研究
关键词：	有砟道床;高速铁路;桥梁梁端;劣化机理;病害防治
摘要：	我国高速铁路桥上有砟轨道常用于复杂气候、地质特殊区域，桥梁作为有砟轨道的基础，具有刚度大、振动响应明显的特点，导致有砟道床磨耗粉化严重，容易发生沉降变形等病害。桥梁梁端作为特殊地段，有砟道床劣化程度更高、病害发展速度更快，给线路的安全运营带来了挑战，同时也大大增加了有砟道床的养护维修量。然而目前对桥上有砟轨道研究很少考虑梁端的特殊性，高速铁路桥上梁端处道床劣化机理及防治措施尚不完善。　　基于此，本文建立了梁端精细化的桥梁-有砟道床耦合模型，揭示了梁端处道床的劣化机理，探明了上下部结构和外部荷载对梁端处道床劣化演变的影响规律。最终从梁端结构优化、道床结构优化、组合优化三大方面提出了梁端处道床劣化防治措施，为改善高速铁路桥上有砟轨道的力学状态提供理论基础和技术指导。主要研究工作和成果汇总如下：　　（1）构建了桥梁-有砟道床空间多尺度耦合模型，协同考虑了道床离散特征和桥梁连续特征，实现了梁端处有砟道床与桥梁相互作用的精细化模拟。　　分析了离散元法和多柔性体动力学法的各自优势及耦合原理，基于此构建了梁端精细化的桥梁-有砟道床耦合模型，既能从宏观角度反映出桥梁和道床的整体振动响应，又能从细观角度精确模拟梁端与道砟颗粒之间的接触关系；提出了改进的自编荷载函数，实现了真实列车荷载模拟；从静力学性能和动态响应两方面验证了耦合模型的可靠性。　　（2）研究了梁端刚度不平顺和桥梁变形对道床沉降、道砟颗粒受力特征及运动行为的影响，阐明了梁端处道床劣化机理。　　探讨了道床沉降、道砟颗粒受力特征、运动行为与道床力学状态，进而与道床劣化程度的内在联系，提出了影响梁端处道床劣化的关键指标；基于梁端精细化的桥梁-有砟道床耦合模型，对比分析了在单独考虑梁端刚度不平顺、同时考虑刚度不平顺和桥梁变形不同条件下桥上不同位置处有砟道床力学性能的变化规律，揭示了梁端处道床劣化发展速度快的影响机制。研究发现，梁端刚度不平顺和桥梁变形都是导致梁端道床劣化发展速度更快的重要原因。　　（3）研究了上下部结构和外部荷载对梁端道床力学性能的影响，揭示了上部轨排结构、下部桥梁结构、列车荷载及温度荷载下梁端道床劣化发展条件。　　基于梁端特殊性选取了上下部结构和外部荷载与道床劣化有直接关联性的影响因素，研究了上下部结构和外部荷载对梁端处道床力学状态的影响，通过对比分析不同影响因素下道床力学性能的差异，提出梁端道床劣化发展加快的条件。结果表明，当上下部结构中的梁端上方无轨枕、桥梁跨度为40m、梁缝宽度为130mm、梁端支座为“固定支座+单向活动支座”的组合形式时，能够有限延缓梁端处道床的劣化程度；当外部荷载中的行车速度越快、列车轴重越大、整体温度荷载以及温度梯度荷载变化幅度越大时，梁端处道床的劣化发展速度越快。　　（4）研究了梁端结构优化、道床结构优化、组合优化措施对梁端处道床力学状态的影响规律，提出了梁端处道床劣化防治措施。　　系统研究了不同防治措施对梁端处道床力学状态和轨道结构动态稳定性的影响规律，从单一措施优化和组合优化的角度提出了梁端处道床劣化防治措施并综合分析了其防治效果。研究发现，对于单一措施来说，延缓梁端道床劣化的最优梁端盖板断面形状为变坡形，最优新型简支结构弹性支座刚度为140~210kN/m，最优枕下胶垫刚度为60~100kN/mm，最优道砟垫刚度为120~180MPa/m，最优土工格栅刚度为560kN/m；对于组合优化措施来说，当与弹性支座刚度210kN/m的新型简支结构组合时，最优枕下胶垫刚度为80kN/mm，最优道砟垫面刚度为180MPa/m，最优土工格栅刚度为560kN/m。组合优化可将梁端结构优化和道床结构优化各自的优势结合起来，从而进一步改善梁端处道床的力学状态，同时保持一定的轨道动态稳定性。
作者：	徐萌
专业：	道路与铁道工程
导师：	高亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023