高速铁路无砟轨道密集过渡段路基动力试验与仿真研究_胡萍著_9787564648268

　　过渡段作为连接土质路基与刚性构筑物（桥梁、隧道和涵洞等）的结构，是高速铁路薄弱的环节之一。过渡段的合理设计是保证线路安全和旅客舒适性的关键，而列车作用下过渡段的动力特性研究则是验证过渡段设计是否合理的重要保证。
　　《高速铁路无砟轨道密集过渡段路基动力试验与仿真研究》以武广高速铁路过渡段动力特性为研究对象，通过室内外试验获取了过渡段材料参数和刚度比，利用现场大型行车试验分析过渡段动力特性规律，并由实测轨道加速度数据数定得到了轨道应力时程曲线，结合ANSYS参数化编程建立了过渡段轨道-路基动力有限元分析模型。另外，结合有限元法和模态叠加法，采用FORTRAN语言编制了列车-轨道-路基动力分析程序，研究了列车作用下过渡段的动力特性影响因素及密集过渡段间相互的影响。本研究旨在为既有高速铁路长期稳定和安全运营提供理论支撑，为后续高速铁路建设提供技术储备。

　　高速铁路是国家重要基础设施和交通运输大动脉，对推动我国社会经济发展，实现\"两个一百年\"奋斗目标，实现中华民族伟大复兴的中国梦具有举足轻重的作用。截至2019年年底，中国高铁总里程已超过3.5万km，成为世界上高铁里程最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家。我国高速铁路取得了辉煌的成绩，如何保证高铁长期、安全、稳定运营成了现阶段关注度极高的问题。
　　过渡段作为连接土质路基与刚性构筑物（桥梁、隧道和涵洞等）的结构，是高速铁路最薄弱的环节之一，更是列车长期运营过程中路基沉降和轨道平顺性控制的重中之重。过渡段的合理设计成为保证线路安全和旅客舒适性的关键，而列车作用下过渡段的动力特性则成为验证过渡段设计是否合理的重要指标。考虑到我国高速铁路建设中，桥梁、隧道和涵洞等构筑物出现的比例较高，密集过渡段间的相互影响也成为当今高速铁路研究的一个重点。
　　本书以武广高速铁路过渡段为研究对象，以国家自然科学基金项目和湖南省自然科学基金项目等为依托，通过室内外试验获取了过渡段材料参数和刚度比，利用现场大型行车试验分析过渡段动力特性规律，并由实测轨道振动加速度数据数定（本书指以数学方法将加速度信号转化为应力结果）得到了轨道应力时程曲线，结合ANSYS参数化编程建立了过渡段轨道-路基动力有限元分析模型。另外，结合有限元法和模态叠加法，采用FORTRAN语言编制了列车-轨道-路基动力分析程序，研究了列车作用下过渡段的动力特性影响因素及密集过渡段间的相互影响。本书共分为三部分八章。第一部分是对高速铁路过渡段基本知识和理论的介绍，包括第1～3章；第二部分是对高速铁路动力特性分析新技术新方法的介绍，包括第4～6章；第三部分是对高速铁路动力响应结果分析及技术应用的介绍。
　　第1章绪论，搜集了国内外高速铁路过渡段所产生的问题及处理方法，并对普通轨道-路基和过渡段轨道-路基动力响应的研究历史与现状进行回顾和总结，提出了需要开展研究的问题。
　　第2章无砟轨道路-桥过渡段路基参数获取试验研究，通过现场波速试验（跨孔法、下孔法及面波法）、大型激振试验及室内大型粗颗粒土的物理力学试验，得到了路-桥过渡段基床表层和底层填料的动力参数和物理力学参数，并通过综合刚度法计算得到路-桥过渡段的刚度比。通过对比不同试验方法的试验结果，提出了较为合理的参数获取试验方案。
　　第3章列车动荷载模拟，从分析列车振动荷载产生的机理出发，通过现场实测轨道振动加速度，对轨道振动加速度进行数定，获取轨道动应力时程曲线，再假定整个路-桥过渡段分为过渡段区域与普通路基区域，从而获取路桥过渡段的动荷载时程曲线，完成对列车振动荷载的模拟。
　　第4章无砟轨道过渡段轨道-路基系统模型的建立及求解，基于D'Alembert原理的弱变分和整体Lagrange格式，首先分析研究对象的本构模型、材料阻尼、CA砂浆单元选取、不同单元的连接，并引入了黏弹性人工边界，充分利用实测钢轨加速度，结合傅立叶变换等方法数定得到轮轨垂向力，作为动荷载输入，从而改进了现有无砟轨道路-桥过渡段系统半无限三维空间动力有限元计算模型。整体刚度矩阵方程的求解采用了Newmark隐式积分法，因计算模型中包含有大量的耦合约束方程，采用了波前求解器和缩减法求解器，整个求解是在ANSYS系统中进行的。
　　第5章基于模态叠加法的车辆-轨道路基过渡段耦合模型的建立，通过建模和有限元分析提取模型的振型和频率，将有限单元法和模态综合叠加技术引入车轨耦合振动模型。车辆采用六自由度的二维车辆模型，轨道采用平面梁单元建立连续梁模型，提取车轮行驶单元节点处振型向量，利用模态综合叠加法推导了系统矩阵，并建立了系统运动方程，这使得车轨耦合方程组矩阵维数大大降低，提高了求解速度，且避免了由于单元划分过细导致轨道刚度矩阵和质量矩阵非常大而计算难以进行的问题。并用FORTRAN语言编制了相应的计算程序，运用所编制的程序与实测数据进行对比分析，结果表明该种方法切实可行，具有很强的通用性，且便于分析结构细部的动力响应。
　　第6章过渡段动力响应信号测试及分析，在武广高速铁路综合试验段进行了两种车型120趟高速行车条件下的动力学测试，首次获得了最高速度达354.7 km/h的路-桥过渡段动力响应试验数据。引入小波分析理论，根据牛顿柯特斯积分法、五点三次平滑法，结合Matlab软件编程，获取了更真实的动态时程响应曲线。为了获取动响应幅值，进一步对时程曲线进行随机数据信号的均方值、均值和方差的统计分析，并通过K检验法进行正态分布的假设检验；进一步验证数据的真实性，从而剔除部分不真实数据，获得真实信号。同时，对信号进行了频域分析，研究了过渡段的动态响应沿线路方向和路基深度方向的变化规律，并研究了轴重、行车速度、行车方向、邻线行车等对过渡段动力特性的影响。提出了过渡段路基动力设计的控制条件和动力分析控制标准，进而对过渡段的设计提出了建议。
　　第7章过渡段结构设计及相邻过渡段之间动力特性相互影响分析，根据国内外车辆轨道路基动力学特性的评价指标，利用第4章的过渡段轨道-路基动力模型，求得路-桥过渡段在列车荷载作用下轨道-路基的动力响应；利用第5章模态叠加法建立的车辆-轨道-路基（地基）模型求得车辆-轨道的动力响应。以武广高速铁路轨道路基设计参数为基础，分析了过渡段长度、轨面弯折、差异沉降、过渡段刚度、过渡段形式等因素对过渡段动力指标的影响，并提出了相应的设计参考值。
　　第8章结论与展望，借助于书中建立的过渡段动力有限元程序和模态叠加法编制的FORTRAN语言程序，对于不同间距的路-桥相邻过渡段进行动力分析，与实际工况的路-桥过渡段和现有评价标准进行对比，获得了最不利的过渡段间距范围，然后考虑极限工况，获得相邻路-桥过渡段的最不利间距，并进一步分析了一次过渡法和二次过渡法对密集过渡段进行处理的区别，得到了在最不利间距以内的相邻过渡段必须用一次过渡法处理的重要结论。
　　本书的研究工作得到了国家自然科学基金项目（50678177）、湖南省自然科学基金项目（2020JJ5488）、湖南省教育厅优秀青年基金项目（208098）和湖南财政经济学院工程管理学院的资助，特此向支持和关心笔者研究的所有单位和个人表示衷心的感谢。笔者还要感谢教育我多年的师长，感谢领导和同事的帮助和支持。
　　本书以高速铁路密集过渡段动力特性为研究对象，旨在为既有高速铁路长期稳定和安全运营提供理论支撑，也为后续高速铁路建设提供技术储备。随着高速列车速度的提高和高速铁路运行环境的变化，高速铁路过渡段轨道路基动力特性也相应发生变化，为此书撰写增添了一定的难度，再加上受笔者水平所限，虽几经改稿，书中错误和缺点在所难免，欢迎广大读者不吝赐教。

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