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原文传递高速铁路相邻过渡段路基动响应及长期动力稳定性研究

论文题名：	高速铁路相邻过渡段路基动响应及长期动力稳定性研究
关键词：	高速铁路路基;相邻过渡段;动态响应;振动频谱;长期动力稳定性;变形特性
摘要：	目前，中国已拥有世界上最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，高速铁路要求轨道结构具有高平顺性和高稳定性。路基及其与刚性结构物连接处所设置的过渡段，其长期动力稳定性和后续的沉降变形对列车能否高速运行将起到控制作用。过渡段是路基的薄弱环节，是高铁路基中需要研究的重要结构物之一，而对于相邻过渡段之间相互影响的动力特性也有必要进行深入分析。本文在总结国内外路基动力响应及过渡段等相关问题研究现状的基础上，以武广高速铁路相邻过渡段为研究对象，结合国家自然科学基金项目和铁道部科技研究计划重大项目，采用现场参数测试、现场动响应测试、室内动力试验、理论分析和仿真计算等手段，对过渡段路基的动响应特性、动力稳定性和长期变形特性开展了深入研究。主要工作和研究成果如下: 　　(1)通过现场波速试验获取了相邻涵-路过渡段路基各结构层填料的动模量、剪切波速、压缩波速和动泊松比等基本动力学参数。通过现场激振试验获取了典型断面的动刚度、动阻尼比和竖向振动无阻尼固有频率。涵顶/过渡段/普通路基的路基综合刚度比的分析表明，过渡段的设置保证了刚性结构物与路基之间的平稳过渡。路基的固有频率与动刚度成正比，但不同刚度断面之间的固有频率差值不大。　　(2)基于经验模式分解方法、希尔伯特变换等信号处理技术和随机振动理论，提出了一种利用环境激励下路基振动信号识别路基固有频率的系统方法。利用该方法获取了相邻涵-路过渡段典型断面的路基固有频率，并与其他方法进行了对比验证，表明该方法的识别结果可靠且测试方便，识别结果较其他方法更全面。　　(3)武广高速铁路“联调联试”期间和正式运营20个月后，先后对试验工点相邻涵-路过渡段路基进行了2次大型现场动响应测试。采用经验模式分解等信号分析方法对测试信号进行预处理，以剔除噪声干扰及趋势项，并通过假设检验筛选出有效测试结果。在此基础上，对动响应进行了时域统计、振动频谱基本特征分析，并利用小波方法获取振动信号不同频段的振动能量比，进行路基振动特性的深入分析。具体的分析内容包括: 　　①路基动响应（动应力、振动加速度、振动速度、动位移）沿线路纵向的分布规律; 　　②路基综合刚度以及轴重、车速等行车因素对路基动响应、振动能量分布的影响，并结合自振频率识别结果分析了引起路基振动的主导激振源; 　　③短间距相邻涵洞对其间普通路基动响应、振动能量的叠加影响: 　　④对比分析了不同路基结构层动响应、振动能量特征，以上述分析此为基础评价了过渡设置的实际效果，并对其设计提出建议。　　⑤将两次测试的路基动响应、频谱特征及振动能量分布进行对比，结果表明相邻涵-路过渡段的稳定性、线路纵向的整体平顺性良好。根据运营期前后动响应和振动能量的大小、分布与衰减规律的变化情况，提出了应以路基上、下部结构层刚度的合理匹配为原则进行路基设计。　　(4)基于路基填料的室内、外参数试验以及运营期间路基动响应实车测试结果，采用临界动应力法、有效振速法和动剪应变法对相邻涵-路过渡段路基进行动力稳定性验算。再结合两次现场实车测试的动响应及其对比结果、运营期附加沉降监测结果分析评价了相邻涵-路过渡段的长期动力稳定性。　　(5)利用路基填料的室内动力试验数据，拟合其累积塑性应变与加载次数的关系式并获取拟合参数:结合基于FLAC3D三维差分软件所建仿真模型计算的偏动应力结果，计算循环动载作用下的路基累积塑性变形，并与现场大型疲劳试验结果进行对比验证。这种仿真计算和室内动力试验相结合的思路可为高速铁路路基的累积塑性变形预测提供参考。　　(6)建立武广高速铁路典型断面的动力有限元分析模型，模型中基床底层、路基本体采用等效非线性本构关系，其参数利用A、B组填料动三轴试验拟合的动剪切模量比、动阻尼比与动剪应变的关系式确定。应用该模型，计算了动力计算参数不同取值组合的144种工况下的路基动响应，并建立计算结果数据库。在此基础上分析了动力计算参数对路基动响应的影响，拟合了路基动变形、偏动应力与动力计算参数的非线性函数关系式。指出在路基设计中，应保证路基各结构层的动弹性模量、动阻尼比达到较好的匹配水平。
作者：	屈畅姿
专业：	交通运输工程
导师：	王永和;魏丽敏
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文