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原文传递风沙铁路有砟轨道系统力学特性研究

论文题名：	风沙铁路有砟轨道系统力学特性研究
关键词：	风沙铁路;有砟轨道;力学特性;沙化道床
摘要：	风沙铁路已成为我国铁路网乃至交通运输系统的重要组成部分，然而碎石道床常年暴露在沙粒侵蚀环境中，其力学状态参数发生明显变化。道床沙化板结对风沙地区有砟线路服役状态带来不利影响，风沙线路行车稳定性及轨道力学特性方面的研究尚待展开。　　鉴于此，本文通过现场静力学试验对沙化道床支撑刚度及沙化道砟集料力学性能展开研究，采用离散元数值仿真手段对沙化道砟集料室内试验进行分析，从细观角度分析沙粒对道砟集料力学特性的影响；结合沙化道砟集料应力-应变力学性能，建立适用于风沙铁路力学性能研究的车辆-沙化有砟轨道-路基耦合动力学模型，分析道床不同沙化程度对有砟轨道力学特性的影响，展开行车速度及列车轴重与道床沙化板结共同作用分析，为风沙铁路的行车速度及车辆轴重提出合理建议；研究枕下垫板铺设对耦合模型动力响应的影响，分析不同扣件刚度及枕下垫板刚度对车辆动力响应与轨道结构振动、位移的影响，提出扣件刚度及枕下垫板刚度建议范围。　　本文主要工作及结论汇总如下：　　1.通过现场沙化有砟轨道静力学测试，研究沙化对道床支撑刚度的影响；结合沙化道砟集料围压加载试验，从其弹性模量角度分析道床刚度变化的内在原因　　本文提出结合沙化道砟集料力学特性，解释道床刚度增大现象。通过沙化道砟集料围压加载及道床刚度现场试验，分析沙粒侵入对道砟集料弹性模量及道床刚度的影响，研究了铺设枕下垫板对道床状态参数的影响。道砟集料完全沙化时的弹性模量增大幅度与道床刚度变化接近，说明沙粒的存在通过影响道砟集料的弹性模量，从而引起道床支撑刚度急剧增长。　　2.构建了三维空间下道砟集料围压加载离散元仿真模型，从细观角度分析沙化道砟集料力学特性及颗粒接触情况　　建立道砟集料围压加载离散元模型并验证了其正确性，通过仿真手段模拟沙粒侵入道砟集料后的运动分布特征。从沙化道砟集料“分层”现象阐述碎石道床沙化过程；基于不同沙化程度下道砟集料弹性模量试验与仿真结果，提出沙化道砟弹性模量在不同沙化程度的变化趋势。从细观角度分析沙化道砟集料力学特性，对道砟颗粒间接触配位数及接触力变化情况进行研究，分析沙粒对道砟集料力学特性的影响。　　3.建立了车辆-沙化有砟轨道-路基耦合动力学模型，研究不同道床沙化程度、运行速度及列车轴重对有砟轨道系统力学特性的影响　　基于沙化道砟集料应力-应变力学特性，建立适用于沙化有砟轨道力学特性分析的车辆-沙化有砟轨道-路基系统耦合动力学模型，研究道床在不同沙化程度对风沙铁路车辆动态响应及轨道结构动力性能带来的影响。结果表明：道床沙化对有砟轨道耦合动力学模型带来不利影响，例如轮轨垂向、横向力、脱轨系数及轮重减载率指标在道床完全沙化时发生不同幅度增长，行车安全、稳定性受到负面影响；钢轨、轨枕垂向振动在道床沙化后也表现出增大趋势，而道床振动呈现降低趋势。此外，道床沙化对部分轨道结构抵抗垂向变形带来有利影响，钢轨、轨枕及道床垂向位移在道床沙化后发生降低，路基基床表层垂向位移增大。在风沙线路运营过程中，尽早进行清沙作业避免道床发生完全沙化。行车速度及列车轴重对轨道系统力学特性影响显著，对风沙铁路的行车速度及车辆轴重提出合理建议。　　4.风沙铁路力学性能改善研究　　设置枕下垫板、选择合理扣件刚度，对轨道系统动力学响应进行控制。结果表明，减小扣件刚度能够降低钢轨、轨枕垂向振动，同时还对轮轨力及行车安全存在积极作用。而枕下垫板的使用对行车安全产生有利影响，还对控制钢轨、道床振动起到显著效果。综合考虑轨道结构位移及振动响应情况，建议扣件刚度取值范围为60kN/mm~100kN/mm，枕下垫板刚度取值范围为80kN/mm~120kN/mm。
作者：	谢家乐
专业：	道路与铁道工程
导师：	井国庆
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023