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为满足高速行车的平稳性和安全性要求,需要铁路轨道具有很高的平顺性和稳定性。无砟轨道在运营期间长期暴露于复杂的自然环境中,长期承受列车动荷载和温度影响,难以避免地出现各种伤损,如板下CA砂浆脱空、扣件刚度变化、轨道板翘曲等,而且多种伤损形式可能会同时出现,将对行车平稳性和安全性造成一定的影响,因此研究各种伤损及其组合对高速轮轨系统动力特性的影响,从面得到典型伤损的允许限度,是无砟轨道维修养护中的关键问题。本文根据对中国无砟轨道损伤的现场调查,总结了CRTS Ⅰ型板式轨道的损伤特点,应用轮轨系统动力学基本原理,建立了车辆-板式轨道空问耦合动力计算模型与方法,较为全面地计算分析了板下脱空、扣件刚度变化、温度梯度及其组合对轮轨系统动力响应的影响,研究典型伤损或缺陷的影响特点及允许限值,以期能为高速铁路无砟轨道的运营维修提供一定的参考。(1)车辆-轨道耦合空问动力模型针对CRTSⅠ型板式轨道结构与技术特点,对车辆-轨道模型做相应的简化,运用轮轨系统耦合动力学和有限元法,借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了典型伤损影响的车辆-轨道空间耦合动力计算模型,讨论了主要计算参数的选取,借助已有研究成果和试验数据,对计算模型进行了验证。(2)板下脱空对轮轨系统动力特性的影响对不同砂浆脱空宽度、长度、位置以及不同行车速度的情况下的轮轨系统的动力特性进行了研究。研究结果表明,较大的板下脱空引起轮重减载率明显的增加,可能严重影响行车安全性,建议将板下脱空限制在1.0m以内。当砂浆脱空沿轨道横向没有贯通时,对车辆动力响应影响不大,但对轨道动力响应的影响较大；脱空沿轨道横向贯通时,当脱空长度小于1.0m时,对车辆与轨道动力影响较小,脱空长度大于1.0m时,影响明显增加,尤其当脱空长度为1.6m时,轮重减载率达到0.82超过限值,钢轨垂向位移最大值达到1.92mm接近限值。随行车速度增大,轮轨系统动力作用显著增大,脱空长度1.4m、车速350km/h时,轮重减载率达到1.0。通过相邻钢轨支点位移差可估计轮重减载率,车速300km/h,位移差0.95mm时,减载率超过限值0.8,车速350km/h,位移差0.5mm时,减载率超过限制。(3)扣件刚度变化对轮轨系统动力特性的影响对扣件刚度整体变化和刚度突变条件下,轮轨系统的动力响应进行了计算分析,研究结果表明,扣件刚度变化对车体加速度即行车平稳性影响不明显,对轮重减载率有较大影响,尤其是刚度突变时减载率增加显著,可能对高速行车的安全性造成严重影响,建议严格控制扣件刚度突变,车速350km/h地段不允许造成刚度突变的异常扣件出现。扣件刚度由20kN/mm整体增至120kN/mm时,减载率由0.34增至0.6,表明扣件刚度整体增大对行车安全性产生不利的影响。2个扣件异常的最不利分布是,异常扣件出现在同一轨道横断面的情况；3个扣件异常的最不利分布是,其中一股钢轨下出现2个异常扣件且相隔两倍固定轴距,另一股钢轨下出现1个异常扣件且位于正中。随着行车速度增大,轮重减载率随之明显增大,车速300km/h时,2个异常扣件可使减载率达到0.89,3个异常扣件可使减载率达到1；车速350km/h时,1个异常扣件可使减载率达到0.84,2个及以上异常扣件可使减载率达到1。(4)板下脱空与扣件刚度变化共同作用对轮轨系统动力特性的影响针对板下脱空与扣件刚度变化同时作用,计算分析了轮轨系统动力响应特点。研究表明,当扣件刚度为20kN/mm、板下脱空长度为1.2m时,钢轨垂向位移为2.14mm已超过允许限值,建议扣件刚度不宜小于30kN/mm。当扣件刚度大于80kN/mm时,轮轨垂向力波动明显,减载率增加较大,因此建议扣件刚度因老化等原因增大到80kN/mm时,考虑进行胶垫更换。板下脱空与异常扣件同时存在时,随车速增大,轮重减载率显著增大,车速300、350km/h时,减载率均达到1.0,建议严格检查控制,防止高速铁路轨道板下脱空区附近出现异常扣件。(5)温度梯度及其与板下脱空同时出现对轮轨系统动力特性的影响采用施加弯矩模拟温度梯度的方法,针对轨道板温度梯度及其与板下脱空共同作用时,计算分析了轮轨系统动力响应的特点。研究表明,轨道板温度梯度及由其引起的翘曲变形,对轨道板的纵横向拉应力影响较大,对车体加速度即行车平稳性的影响不明显,对轮重减载率即行车安全性有一定影响,且车速越高、板下脱空越长影响越大,因此建议在高车速区段和可能出现大温度梯度季节,加强轨道板下砂浆脱空的检查和控制。温度梯度作用下,列车通过时轨道板拉应力明显增大,110℃/m正温度梯度时,轨道板纵横向拉应力最大值分别为4.25、3.14Mpa,接近轨道板开裂的应力限值,可能会对轨道板耐久性产生不利的影响。当行车速度较高、温度梯度较大和板下脱空较长时,轮重减载率出现明显的增加,且随着脱空长度增加,温度梯度的影响逐渐增加,当行车速度为350km/h,温度梯度为110℃/m,脱空长度为1.2m时,减载率达到1,可能严重影响行车的安全性。