路基凍脹下無砟軌道不平順特征及動力學行為研究結題摘要

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難題。路基凍脹會導致無砟軌道產生不平順及層間離縫，直接影響列車的安全平穩(wěn)運行及結構服役性能，是嚴寒地區(qū)高速鐵路冬季限速的關鍵因素。以CRTSⅢ型板式無砟軌道作為研究對象，建立了考慮混凝土塑性和鋼筋影響的車輛-無砟軌道-路基空間耦合靜動力學模型，從凍脹變形與軌面不平順間的映射關系、凍脹下無砟軌道層間離縫分布及發(fā)展規(guī)律、凍脹對車輛-軌道系統(tǒng)動力響應的影響3個方面進行了分析，并對凍脹區(qū)路基變形標準及預測診斷開展了研究。取得如下研究成果：建立了高速鐵路路基熱力學模型，研究了凍脹區(qū)路基時空變形特征，提出了采用上凸型余弦曲線來模擬路基不均勻凍脹。基于建立的無砟軌道空間耦合靜力學模型，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力學模型，分析了嚴寒地區(qū)不同凍脹和運營條件對車輛動力學指標的影響?；谧悦軐?底座板間離縫的靜力學控制指標和基于輪重減載率及車體垂向加速度綜合影響的動力學控制指標，提出了靜動力學結合的路基凍脹控制標準。 2100433B

路基凍脹會導致無砟軌道產生結構破壞和不平順，直接影響列車的安全、平穩(wěn)運行，是嚴寒地區(qū)高速鐵路冬季降速運營的關鍵影響因素。既有研究中，針對路基凍脹機理和控制措施等研究較多，對路基凍脹下無砟軌道力學行為的研究相對較少，特別是凍脹與軌道不平順的關系、無砟道床離縫機理、凍脹下車-軌動力響應等研究相對匱乏。路基凍脹導致的一系列與無砟軌道平順性、動力特性相關的問題亟待解決。.項目考慮無砟軌道多層異質結構間的粘結特性和破壞準則，建立細觀與宏觀相結合的無砟軌道-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理。提出可詳細考慮結構病害特征的新型動力分析方法，研究路基凍脹下車輛-無砟軌道的動力學行為。根據動力參數敏感指標變化特征，采用神經網絡建立路基凍脹變形的智能識別方法。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準。通過研究，補充完善嚴寒地區(qū)高速鐵路設計理論和維護方法。

目前無砟軌道的內部幾何尺寸的表達與控制主要是通過外部幾何尺寸測量來實現，其成本與效率難以平衡。弦測法作為軌道平順性測量主要方法之一，受限于其幅頻特性，理論價值未得到應有的重視。本研究從其以小推大算法出發(fā)，就弦測法的長波特性、偏矢測量等問題進行理論研究，為無砟軌道正線及道岔的平順性有效監(jiān)測與評價提供解決方案。另，鑒于高鐵無砟軌道的特殊結構與高平順性要求，既有的基于外部幾何尺寸的養(yǎng)修技術存在著適用性問題。為此，本研究在全面分析繩正法、坐標法技術特性的基礎上，認為開發(fā)一種基于軌道平順性的整正技術，是解決目前效率與精度矛盾的理性選擇。該技術的主要特征包括：以恢復高鐵無砟軌道的平順性為目標，通過對軌道平順性數據建立向量模型，構造迭代解法，獲得在慣性坐標系下的整正量的數值解。前期現場試用證明，該方法整體優(yōu)化軌道平順性，且無需外部標志物的信息，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。

本計劃圍繞高鐵無砟軌道精測、精調的適用方法與技術進行研究。 關于精測方法，研究了絕對測量及其對高鐵無砟軌道平順性控制的作用，結果表明，絕對測量“原理正確”，但不僅存在測量效率低、環(huán)境適應性差等適用性問題，理論上其平順性控制能力也無法滿足要求，而其用于評價高鐵長波平順性的150m/300m矢距差校驗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、平順性檢測精度和環(huán)境適應性優(yōu)勢的相對測量方法，研究了用于消除其里程累積誤差的軌枕定位技術，比150m/300m矢距差校驗方法物理意義更清晰、頻域特性更理想的用于速算長波平順性的中點弦測“以小推大” 加密采樣逐點遞推算法，為了實現相對測量線路中線坐標控制和提高長波測量精度的“相對 絕對”復合測量技術，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)評價方法。 關于精調方法，研究了傳統(tǒng)的相對測量調軌算法，結果表明，基于漸伸線原理的繩正法等對數據擾動敏感，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。研究并揭示了絕對測量“坐標法調軌”的本質是“偏差法調軌”和“原位法調軌”，即測量方法必須能夠保證線路中線橫、垂向偏差與軌枕位置對應且體現準確的線路線形，同時調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。研究了依據相對測量數據識別線路曲線四大特征點、曲線半徑等關鍵參數和基于奇異濾波及穩(wěn)健回歸的軌道曲線主點定位方法，解決了因里程累積誤差或實際曲線特征點位移等所導致的實測、設計曲線失配及其引起的線路中線偏差異常問題，使相對測量具備了應用“偏差法調軌”和“原位法調軌”的必要條件。最后，研究了基于相對測量中點弦測模型的精調量迭代求解問題，可得到累和最小、對線路線形擾動最小、能在不超出高鐵無砟軌道扣件可調范圍顯著改善線路平順性的最終調整方案。 本計劃研究成果已產業(yè)化，在大幅提高精測效率、降低精調工作量和成本的同時，使我國無砟軌道TQI控制水平從單純依賴絕對測量調軌的3.0左右降低至2.0以下，社會效益和經濟效益顯著。 2100433B

軌道不平順的種類很多，可按其對機車車輛激擾作用的方向、不平順的波長、顯現記錄時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基本一致，但在短距離內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（有些國家稱為平面性，我國常稱三角坑）即左右兩軌頂面相對于軌道平面的扭曲，用相隔一定距離的兩個橫截面水平幅值的代數差度量。國際鐵路聯盟UICB55專門委員會將所謂“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（常簡稱軌向不平順或方向不平順）是指軌頭內側面沿長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側距離相對于標準軌距的偏差，通常由扣件不良、軌枕擋肩失效、軌頭側面磨耗等造成。

軌道不整裕度復合不平順

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合不平順。危害較大的復合不平順有：

1.方向水平逆向復合不平順

方向水平逆向復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)。

日本等國的研究和我國的試驗均證實，方向水平逆向復合不平順對行車安全有嚴重影響，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區(qū)、緩直點區(qū)，超高、正矢、軌距順坡起點、終點不一致或不匹配形成的幾何偏差，它對行車平穩(wěn)舒適和安全有不可忽視的影響。