往复荷载下道岔区轨道结构形态的演化模式及试验研究

Performance parameters of track in turnout zone are the important factors influencing the structure durability and train safety. The key scientific problems to be solved here are deformation mechanism, evolution characteristic, and maintenance criterion of track structure. The No.12 turnout is analyzed in this project; it aims at converting the diagnosis of track state from service conditions to structure parameters. By exploring the observation relationship among vehicle, turnout and road base, the evolution model of track state is studied under cyclic loads from vehicle. The vehicle-turnout vibration equation is established, then considering the integration algorithm of improved iterative process and parallel algorithm, the corresponding calculating program is designed. The track model is established by finite element method, and the separation variable method is applied to afford the initial condition for computing the road accumulated settlement. The variations characteristics of track performance parameters are obtained via cyclic simulation, so as to achieve maintenance diagnosis analysis and forecast. At last, the evolution model will be calibrated and corrected by the overall process tests in test routes and field tests of typical railway station. Research achievements could promote the precise maintenances in turnout zone.

道岔区轨道结构性能参数是影响轨道结构耐久性和行车安全的重要因素。岔区轨道结构形态的变形机理、演化状态特征、维修判别准则是当今亟待解决的重要科学问题。本项目以12号道岔为研究对象，将岔区轨道结构服役状态的诊断转换为轨道系统参数的诊断，通过建立其与车辆动力响应和路基基层响应之间的观测关系，研究在列车往复荷载作用下道岔区轨道结构形态的演化模式。在动力学框架内，建立列车-道岔系统模型，结合改进迭代过程的积分算法和并行算法编制计算软件；借助有限元方法构建轨道系统模型，分离与路基基层性能参数相关的响应分量，为基层累积沉降的计算提供条件；采用循环算法获取结构性能参数的变化特征，从而实现维修判别的诊断与分析预测。最后，通过全过程试验线模拟和典型站场现场测试数据，对演化模型进行校验和修正。研究成果预计对岔区精准养护起到一定推动作用。

道岔是轨道交通线路养护维修中重要的工作对象，由于其平面线形设计条件有限、存在不可避免的轮轨接触不平顺、轨道结构刚度沿线路方向分布不均匀等因素，导致养护维修工作量远大于区间线路，成为影响行车安全和限制行车速度的重要轨道设备,因此，有关道岔服役性能的研究工作持续向深层次开展。本项目主要研究内容为：建立道岔区车辆、轨道振动的数学模型，研究道岔区轮轨接触几何关系；针对列车-道岔耦合系统动力学模型非平稳随机振动响应的特点，研究高效随机振动分析技术；建立表征轨道结构性能参数的观测方程，研究表征道岔结构性能参数变化的动力响应分离算法；进行道岔区轨道结构形态试验研究，包括轨道交通综合试验线测试和典型站场测试，找出道岔区轨道结构形态演变模型的影响因素。本研究主要成果包括：（1）提出了车辆-轨道耦合系统的整体求解模型及算法和迭代求解模型及算法，两种模型及算法各有优势，为耦合系统随机振动高效求解提供了理论基础；（2）提出了道岔区廓形的离散、拟合和插值的数学变换方法，实现了道岔区任意截面钢轨廓形的拟合；提出了道岔区静态、动态轮轨接触参数计算方法，实现了道岔区任意截面轮轨接触关系的求解；（3）分析轮岔接触几何参数变化规律，为优化道岔区空间结构设计提供了理论参考；（4）在轨道交通综合试验线对12号高锰钢辙叉道岔进行实车测试试验，在既有线车站分别对多组12号合金钢组合辙叉道岔伤损及廓形磨耗进行了长期观测，建议在疲劳裂纹开展比较小的情况下采用外形打磨的方式改变轮轨接触范围，使轮轨之间的接触应力重分布，对缓解道岔疲劳伤损具有重要意义。科学意义体现为：针对12号道岔区轨道结构形态演化模式进行研究，开展数值仿真计算和现场试验，揭示道岔区车辆振动、轨道变形之间相互作用机理，实现了道岔区轨道结构动力响应状态的精准、有效评估，为道岔精细化养护提供了技术支撑。