高速行车条件下车-岔-桥耦合系统的动力特性与低动力设计

桥上铺设计高速道岔是高速铁路建设的关键技术之一，其核心难点是车辆-道岔-桥梁系统的竖、横向动态相互作用问题。本项目以高速行车条件下简支梁或连续梁桥上无缝道岔动静态试验研究为基础，获得车-岔-桥耦合振动现象的物理描述；在车线桥振动理论和道岔动力学的基础上，建立起能够全面地反映系统各组成部分动态相互作用的车辆-道岔-桥梁耦合振动系统模型，综合应用道岔区多变的轮/轨接触几何关系、轮轨Hertz非线性弹性接触理论、轮轨蠕滑理论、岔桥相互作用关系建立车-岔-桥耦合系统动态相互作用仿真分析平台，并与试验结果进行对比，验证可行性；在上述研究的基础上，进一步改进计算模型和分析方法，系统研究各种可变因素对耦合振动的影响，确定各部分的动力性能及其变化规律；提出车-岔-桥耦合系统动力评估标准后，进行机车车辆、道岔结构和桥梁参数的动态匹配研究，在此基础上总结出车-岔-桥系统低动力作用设计须遵循的一般准则。

在参考国内外车桥振动理论与道岔动力学研究资料的基础上，将机车车辆、道岔区轨道与桥梁视为一个整体大系统，以车辆动力学、道岔动力学、桥梁动力有限元方法为基础，以岔区轮轨关系、岔桥关系为联系纽带，应用数值仿真的方法来研究高速行车条件下道岔区轨道及桥梁结构的动力特性、行车的安全性和平稳性，为高速铁路桥上无缝道岔的设计方案评估和参数优化提供理论支撑。主要研究工作如下：①将机车车辆视为一个由悬挂弹簧和阻尼联系起来的7刚体振动系统，整个车辆系统共有35个自由度。在综合高速道岔结构特点的基础上，建立起包含转辙器、连接部分和辙叉三部分的完善道岔动力学模型，模型中考虑钢轨截面变化、顶铁接触传力、间隔铁高强联结、滑床台非线性支承等因素；将轨枕或支承块视为刚体并考虑其垂向、横向及转动自由度，无砟轨道板的垂向振动按弹性地基上的等厚度矩形薄板考虑，而横向视为刚体运动。运用动力有限元方法将桥梁结构离散化。②综合应用道岔区多变的轮/岔接触几何关系、轮轨Hertz非线性弹性接触理论、轮轨蠕滑理论、岔桥相互作用关系，详细论述了车辆-道岔-桥梁动态相互作用原理。以高速道岔结构及状态不平顺作为系统的主要激振源，根据离散系统动力问题的Hamilton变分原理和“对号入座”法则建立起车-岔-桥耦合振动分析理论，并编制出相应动力学仿真通用程序DATTB。③提出以列车桥上过岔的安全性及平稳性、道岔与桥梁的强度和稳定性作为桥上道岔的动力评估准则，对国内外有关机车车辆、道岔及桥梁的动力学性能评价指标，如轮轨垂、横向力、轮轴横向力、尖轨及心轨开口量、尖轨及心轨动应力、脱轨系数、轮重减载率、车体振动加速度、平稳性指标、桥梁挠度、桥梁自振频率、桥梁横向振幅、桥梁振动加速度等进行了归纳整理。④应用DATTB对浙赣线湄池特大桥上200km/h提速改进型60kg/m钢轨12号有砟道岔进行动力学评估，通过仿真结果与实测结果的对比分析，验证了DATTB的可靠性。同时，桥上道岔与路基上道岔的动测结果对比分析表明，桥上道岔区轮轨动力相互作用远较普通路基上道岔区强烈。⑤系统研究车辆、道岔和桥梁的各种可变因素对车-岔-桥耦合振动的影响，揭示出高速车辆与桥上道岔的动态相互作用规律。⑥运用动态匹配设计理念，提出高速行车条件下车-岔-桥耦合系统低动力设计指导原则，并应用于工程实例。