路基凍脹下無砟軌道不平順特征及動(dòng)力學(xué)行為研究

隨著高速鐵路在季凍區(qū)的大范圍修建，路基凍脹問題已成為亟待解決的重大技術(shù)難題。路基凍脹會(huì)導(dǎo)致無砟軌道產(chǎn)生不平順及層間離縫，直接影響列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行及結(jié)構(gòu)服役性能，是嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路冬季限速的關(guān)鍵因素。以CRTSⅢ型板式無砟軌道作為研究對(duì)象，建立了考慮混凝土塑性和鋼筋影響的車輛-無砟軌道-路基空間耦合靜動(dòng)力學(xué)模型，從凍脹變形與軌面不平順間的映射關(guān)系、凍脹下無砟軌道層間離縫分布及發(fā)展規(guī)律、凍脹對(duì)車輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響3個(gè)方面進(jìn)行了分析，并對(duì)凍脹區(qū)路基變形標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)測(cè)診斷開展了研究。取得如下研究成果：建立了高速鐵路路基熱力學(xué)模型，研究了凍脹區(qū)路基時(shí)空變形特征，提出了采用上凸型余弦曲線來模擬路基不均勻凍脹?；诮⒌臒o砟軌道空間耦合靜力學(xué)模型，研究了不同凍脹情況下無砟軌道層間離縫分布及發(fā)展規(guī)律。建立了車輛-無砟軌道-凍脹路基空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析了嚴(yán)寒地區(qū)不同凍脹和運(yùn)營(yíng)條件對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響?；谧悦軐?shí)-底座板間離縫的靜力學(xué)控制指標(biāo)和基于輪重減載率及車體垂向加速度綜合影響的動(dòng)力學(xué)控制指標(biāo)，提出了靜動(dòng)力學(xué)結(jié)合的路基凍脹控制標(biāo)準(zhǔn)。 2100433B

路基凍脹會(huì)導(dǎo)致無砟軌道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞和不平順，直接影響列車的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，是嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路冬季降速運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵影響因素。既有研究中，針對(duì)路基凍脹機(jī)理和控制措施等研究較多，對(duì)路基凍脹下無砟軌道力學(xué)行為的研究相對(duì)較少，特別是凍脹與軌道不平順的關(guān)系、無砟道床離縫機(jī)理、凍脹下車-軌動(dòng)力響應(yīng)等研究相對(duì)匱乏。路基凍脹導(dǎo)致的一系列與無砟軌道平順性、動(dòng)力特性相關(guān)的問題亟待解決。.項(xiàng)目考慮無砟軌道多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)間的粘結(jié)特性和破壞準(zhǔn)則，建立細(xì)觀與宏觀相結(jié)合的無砟軌道-路基分析模型，提出路基凍脹下無砟軌道不平順特征，揭示無砟道床離縫機(jī)理。提出可詳細(xì)考慮結(jié)構(gòu)病害特征的新型動(dòng)力分析方法，研究路基凍脹下車輛-無砟軌道的動(dòng)力學(xué)行為。根據(jù)動(dòng)力參數(shù)敏感指標(biāo)變化特征，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立路基凍脹變形的智能識(shí)別方法。綜合考慮耐久性、安全性及舒適性等因素，提出路基凍脹的控制標(biāo)準(zhǔn)。通過研究，補(bǔ)充完善嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路設(shè)計(jì)理論和維護(hù)方法。

目前無砟軌道的內(nèi)部幾何尺寸的表達(dá)與控制主要是通過外部幾何尺寸測(cè)量來實(shí)現(xiàn)，其成本與效率難以平衡。弦測(cè)法作為軌道平順性測(cè)量主要方法之一，受限于其幅頻特性，理論價(jià)值未得到應(yīng)有的重視。本研究從其以小推大算法出發(fā)，就弦測(cè)法的長(zhǎng)波特性、偏矢測(cè)量等問題進(jìn)行理論研究，為無砟軌道正線及道岔的平順性有效監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供解決方案。另，鑒于高鐵無砟軌道的特殊結(jié)構(gòu)與高平順性要求，既有的基于外部幾何尺寸的養(yǎng)修技術(shù)存在著適用性問題。為此，本研究在全面分析繩正法、坐標(biāo)法技術(shù)特性的基礎(chǔ)上，認(rèn)為開發(fā)一種基于軌道平順性的整正技術(shù)，是解決目前效率與精度矛盾的理性選擇。該技術(shù)的主要特征包括：以恢復(fù)高鐵無砟軌道的平順性為目標(biāo)，通過對(duì)軌道平順性數(shù)據(jù)建立向量模型，構(gòu)造迭代解法，獲得在慣性坐標(biāo)系下的整正量的數(shù)值解。前期現(xiàn)場(chǎng)試用證明，該方法整體優(yōu)化軌道平順性，且無需外部標(biāo)志物的信息，或能為無砟軌道的平順性控制提供一套創(chuàng)新的理論與方法。

本計(jì)劃圍繞高鐵無砟軌道精測(cè)、精調(diào)的適用方法與技術(shù)進(jìn)行研究。 關(guān)于精測(cè)方法，研究了絕對(duì)測(cè)量及其對(duì)高鐵無砟軌道平順性控制的作用，結(jié)果表明，絕對(duì)測(cè)量“原理正確”，但不僅存在測(cè)量效率低、環(huán)境適應(yīng)性差等適用性問題，理論上其平順性控制能力也無法滿足要求，而其用于評(píng)價(jià)高鐵長(zhǎng)波平順性的150m/300m矢距差校驗(yàn)方法的空間頻域特性混亂且存在幅值增益為0的死區(qū)。圍繞擁有效率、平順性檢測(cè)精度和環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)的相對(duì)測(cè)量方法，研究了用于消除其里程累積誤差的軌枕定位技術(shù)，比150m/300m矢距差校驗(yàn)方法物理意義更清晰、頻域特性更理想的用于速算長(zhǎng)波平順性的中點(diǎn)弦測(cè)“以小推大” 加密采樣逐點(diǎn)遞推算法，為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)測(cè)量線路中線坐標(biāo)控制和提高長(zhǎng)波測(cè)量精度的“相對(duì) 絕對(duì)”復(fù)合測(cè)量技術(shù)，形成了一套適用于無砟軌道平順性控制的幾何狀態(tài)靜態(tài)評(píng)價(jià)方法。 關(guān)于精調(diào)方法，研究了傳統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量調(diào)軌算法，結(jié)果表明，基于漸伸線原理的繩正法等對(duì)數(shù)據(jù)擾動(dòng)敏感，存在無法克服的累和問題，不能滿足高鐵無砟軌道的平順性作業(yè)要求。研究并揭示了絕對(duì)測(cè)量“坐標(biāo)法調(diào)軌”的本質(zhì)是“偏差法調(diào)軌”和“原位法調(diào)軌”，即測(cè)量方法必須能夠保證線路中線橫、垂向偏差與軌枕位置對(duì)應(yīng)且體現(xiàn)準(zhǔn)確的線路線形，同時(shí)調(diào)軌算法必須能夠保證將該偏差消除在原位而不向相鄰軌枕傳遞。研究了依據(jù)相對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)識(shí)別線路曲線四大特征點(diǎn)、曲線半徑等關(guān)鍵參數(shù)和基于奇異濾波及穩(wěn)健回歸的軌道曲線主點(diǎn)定位方法，解決了因里程累積誤差或?qū)嶋H曲線特征點(diǎn)位移等所導(dǎo)致的實(shí)測(cè)、設(shè)計(jì)曲線失配及其引起的線路中線偏差異常問題，使相對(duì)測(cè)量具備了應(yīng)用“偏差法調(diào)軌”和“原位法調(diào)軌”的必要條件。最后，研究了基于相對(duì)測(cè)量中點(diǎn)弦測(cè)模型的精調(diào)量迭代求解問題，可得到累和最小、對(duì)線路線形擾動(dòng)最小、能在不超出高鐵無砟軌道扣件可調(diào)范圍顯著改善線路平順性的最終調(diào)整方案。 本計(jì)劃研究成果已產(chǎn)業(yè)化，在大幅提高精測(cè)效率、降低精調(diào)工作量和成本的同時(shí)，使我國(guó)無砟軌道TQI控制水平從單純依賴絕對(duì)測(cè)量調(diào)軌的3.0左右降低至2.0以下，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。 2100433B

軌道不平順的種類很多，可按其對(duì)機(jī)車車輛激擾作用的方向、不平順的波長(zhǎng)、顯現(xiàn)記錄時(shí)有無輪載作用等分類。

軌道不整裕度垂向軌道不平順

1.高低不平順

高低不平順是指軌道沿鋼軌長(zhǎng)度方向在垂向的凸凹不平。它是由線路施工和大修作業(yè)的高程偏差，橋梁撓曲變形，道床和路基殘余變形沉降不均勻，軌道各部件間的間隙不相等，吊板以及軌道垂向彈性不一致等造成的。

一般情況下，左、右軌高低的變化趨勢(shì)基本一致，但在短距離內(nèi)各自的變化往往不同，所以還必須區(qū)分左軌高低和右軌高低。

2.水平不平順

水平不平順即軌道同一橫截面上左右兩軌頂面的高差。在曲線上，水平不平順是指扣除正常超高值的偏差部分；在直線上，它是指扣除將一側(cè)鋼軌故意抬高形成的水平平均值后的差值。

3.扭曲不平順

軌道平面扭曲（有些國(guó)家稱為平面性，我國(guó)常稱三角坑）即左右兩軌頂面相對(duì)于軌道平面的扭曲，用相隔一定距離的兩個(gè)橫截面水平幅值的代數(shù)差度量。國(guó)際鐵路聯(lián)盟UICB55專門委員會(huì)將所謂“一定距離”定義為“作用距離”，即指軸距、心盤距。

4.軌面短波不平順

軌面短波不平順，即鋼軌頂面小范圍內(nèi)的不平順，它是由軌面不均勻磨耗、擦傷、剝離掉塊、焊縫不平、接頭錯(cuò)牙等形成的。其中軌面擦傷、焊縫不平等多是孤立的，不具周期性，而波紋磨耗、波浪形磨耗則具有周期性特征。

軌道不整裕度橫向軌道不平順

1.軌道方向不平順

軌道方向不平順（常簡(jiǎn)稱軌向不平順或方向不平順）是指軌頭內(nèi)側(cè)面沿長(zhǎng)度方向的橫向凹凸不平順，由鋪軌施工、整道作業(yè)的軌道中心線定位偏差，軌排橫向殘余變形積累和軌頭側(cè)面磨耗不均勻、扣件失效、軌道橫向彈性不一致等原因造成。左、右軌方向變化往往不同，尤其在扣件薄弱的區(qū)段差異更大，因此需要區(qū)分左軌方向和右軌方向。并將左、右軌方向的平均值作為軌道的中心線方向偏差。

2.軌距偏差

軌距偏差即在軌頂面以下16mm處量得的左右兩軌內(nèi)側(cè)距離相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)軌距的偏差，通常由扣件不良、軌枕擋肩失效、軌頭側(cè)面磨耗等造成。

軌道不整裕度復(fù)合不平順

在軌道同一位置上，垂向和橫向不平順共存形成的雙向不平順稱為軌道復(fù)合不平順。危害較大的復(fù)合不平順有：

1.方向水平逆向復(fù)合不平順

方向水平逆向復(fù)合不平順是指在同一位置既有方向不平順又有水平不平順，并且軌道臌曲方向與高軌位置形成反超高狀態(tài)。

日本等國(guó)的研究和我國(guó)的試驗(yàn)均證實(shí)，方向水平逆向復(fù)合不平順對(duì)行車安全有嚴(yán)重影響，往往是引起脫軌的重要原因。

2.曲線頭尾的幾何偏差

它是指在曲線圓緩點(diǎn)區(qū)、緩直點(diǎn)區(qū)，超高、正矢、軌距順坡起點(diǎn)、終點(diǎn)不一致或不匹配形成的幾何偏差，它對(duì)行車平穩(wěn)舒適和安全有不可忽視的影響。