中高速条件下车红桥动力分析模型与轨道不平顺影响

本文以中高速线路轨道不平顺对车辆走行性能的影响作为研究主题，建立了以车线、车 线桥耦合系统动力模型，从模型分析角度系统地讨论了有碴线路主要形式的轨道不平顺对中 高速车辆走行性能的影响规律、中高速线路轨道短波不平顺对轮轨系统动力响应的影响以及 桥上线路特殊形式的轨低高低不平顺对中高速车辆动力特性的影响。 轨道不平顺实质上是一个与线路里程有关的复杂随机过程，它包含沿轨道全长的弱平稳 随机过程和反映轨道局部特征的非平稳过程，本文从轨道不平顺局部特征和轨道不平顺统计 特征两个方面对轨道不平顺的特征进行了描述，即用不平顺幅值、峰峰值、平均变化率和波 长、半波长、1/4波长、谐波特性来描述轨道不平顺的局部特征，采用不平顺幅值的统计特 性参数和不平顺功率谱密度函数来描述轨道不平顺统计特征，并基于时域分析的需要，将轨 道局部不平顺表述为可用数学方式描述的函数，对随机轨道不平顺则采用随机过程的数值模 拟方法（二次滤波法）由轨道不平顺功率谱构造时域内的轨道不平顺函数。 基于轮轨相互作用和线桥相互作用特点，本文从系统工程角度出发建立了车辆、有碴轨 道和无碴轨道、简支箱梁桥垂向和横向耦合系统动力分析模型，该系统模型具有以下特点： （1）车线、车线桥体系均考虑为垂向、横向耦合振动系统，车线间通过轮轨接触几何关系耦 合，轨道与桥梁间通过轨道与梁体间的力与位移协调条件耦合；（2）充分考虑桥上线路在车 线桥系统中参振作用，根据桥上线路轨道结构特点将桥上轨道结构模型具体化，即对桥上轨 道结构视为多层支承体系，车桥间的动力作用通过轨道结构来传递；（3）建立了三种形式无 碴轨道动力分析模型，即长轨枕埋入式、弹性支承块式和轨道板式无碴轨道模型；（4）系统 模型详细，分析频带宽，适用范围较广。 针对车线、车线桥系统动力学微分方程的特点，即系数矩阵的时变性及荷载列向量的运 动性，本文研究提出了将大系统分解为车辆子系统、轨道结构子系统和桥梁子系统，以轮轨 力和轨道桥梁相互作用力为耦合纽带，采用Newmark数值积分和Newton迭代相结合的方法 求解系统微分方程，并以系统位移增量修正值范数与位移增量范数之比、残余力增量值范数 与力增量范数之比两个参数来保证积分与迭代的精度与收敛。 利用建立的车辆／有碴轨道、车辆、轨道、桥梁动力分析模型，本文系统分析了我国铁 路干线主要形式的轨道不平顺对中高速车辆走行性能的影响，得到了一般规律性结论，同时 针对提速线路和高速线路有碴轨道和无碴轨道上主要形式的轨面短波不平顺（焊接接头区焊 缝不平顺、无碴轨道轨面竖错不平顺）、桥上线路因桥梁上拱徐变、墩台不均匀沉降、桥台 与背后填土路基沉降差形成的特殊形式轨面高低不平顺对中高速车辆走行性能的影响进行了 详细分析，提出了控制轨道短波不平顺和桥上线路特殊轨面不平顺的建议。