轧制钢枕是由轧制U型钢材锻压成形,两端下弯的一种半封闭槽型钢轨枕结构,安装时直接将钢枕嵌入到道床之中,利用腔内道砟与枕端两侧燕尾结构保证其轨道的稳定性。截止目前钢枕发展应用已经超过已有100多年的历史,形成了具有寿命长、质量轻、承载能力大、结构简单可靠、适用性强等优点的完整钢枕-扣件结构系统,并且已经被广泛应用于澳大利亚、英国、北美、南美、非洲、东南亚等地区,其中澳大利亚作为钢枕的主要应用地区,其国内用量约占轨道总体轨枕用量的13%,预计到2020年将达到25%,并且已经形成完整的设计、加工、测试及应用技术体系。目前钢枕除了适用于标准轨距普速及重载线路外,同样适用于包括宽/窄轨距、沙漠、丛林、山地等在内的复杂线路地段。另外,道床横向阻力是保证无缝线路横向稳定性的重要参数。主要受到轨枕类型、重量、道床类型及条件、养护维修作业等因素的影响。但目前,受到重量轻、摩擦系数小、嵌入道床深度浅等自身结构特点产生的限制,其轨枕横向阻力低于混凝土轨枕,并且目前此方面的研究及对应结构优化方式尚且不足,导致当下钢枕应用速度等级仅仅局限于时速160km/h以下,成为无法应用于更高速度、更大轴重等级线路的一个重要原因。本文针对目前钢枕道床横向阻力低以及相关结构优化研究尚且不足的研究现状,在后续综合分析总结国内外有砟轨道横向阻力研究现状以及现有混凝土轨枕横向阻力加固方案的基础上,提出4种钢枕横向阻力优化方案:优化端铲结构钢枕、加肋钢枕、枕下垫钢枕以及长道钉钢枕组合结构。而后铺设足尺有砟轨道试验模型,采用单根轨枕横向阻力试验对U型钢枕及上述部分优化钢枕的横向稳定性进行试验研究;最后,基于现有三维激光扫描技术和离散单元法建立与上述试验轨道对应的三维钢枕-道床横向阻力试验模型,并基于上述试验结果验证后,从细观角度对上述各型钢枕结构横向阻力进行模拟,分析各型钢枕微观力学特性。本文的具体主要工作和研究成果如下:1.采用单枕横向阻力试验对比研究U型轧制钢枕及Ⅲc混凝土轨枕横向阻力如上所述,国内外对钢枕横向阻力研究相对不足,加上我国对钢枕应用更是十分稀有,因此在我国有砟轨道道床标准下,钢枕横向稳定性尚未可知。此外,道床砟肩宽度和堆高是影响轨枕横向阻力的两个重要参数,此二者对钢枕横向阻力的影响亦不明确。因此,本文基于足尺有砟道床横向阻力试验模型,对我国生产制作的U型钢枕进行试验研究,具体量化分析砟肩宽度和堆高对我国U型钢枕横向阻力影响规律,并将其与我国Ⅲc型轨枕同等工况下的试验结果进行比较,分析提升效果间的差异性。试验研究结果表明:钢枕横向阻力低于Ⅲc型轨枕,并且相对于Ⅲc型轨枕,道床砟肩宽度和堆高增加对于U型钢枕横向阻力提升效果会大幅降低,并且通过钢枕阻力分担研究可知,其横向阻力形成主要来自于枕腔内道砟与钢枕的相互作用。2.对现有U型钢枕进行横向阻力优化设计,加工制作加肋钢枕和枕下垫钢枕,并对此二者进行道床横向阻力试验研究基于文中第一章对轨枕横向稳定性加固方案的总结可知,现有增强方案多为:增加道砟-轨枕间剪切带(提升二者剪切作用)、增大枕底摩擦系数。故本文基于钢枕的槽型结构特性,设计制作多种数目加肋钢枕,同时制作增加枕底摩擦系数的枕下垫钢枕,以期在达到提升钢枕横向阻力目的的同时,降低钢枕道床接触面刚度,减缓钢枕振动噪声大、枕底道砟易劣化的问题。而后对其进行横向阻力试验研究,明确二者对钢枕阻力的提升效果,并与Ⅲc型轨枕试验结果进行对比分析。试验结果表明:加肋钢枕和枕下垫钢枕均可提升钢枕横向阻力,其中加肋钢枕效果更优,部分工况与Ⅲc型轨枕结果相当。3.建立三维钢枕-道床横向阻力试验模型,通过参数分析研究各型钢枕阻力提升情况,并分析钢枕与道床相互作用的微观力学特性受制于U型钢枕制式和试验条件限制,无法利用试验研究优化端铲钢枕及长道钉钢枕。同时,由于钢枕结构的特殊性,按照一般定义,其实际枕底道床厚度与传统条枕不同,故本文亦从横向阻力角度去分析钢枕最佳道床厚度。基于上述条件,本文通过建立的三维钢枕-道床横向阻力试验数值模型,对道床厚度、优化端铲结构倾角、深度、竖向肋板数目、道钉长度等进行横向阻力参数分析,同时从道床位移云图及道砟-轨枕接触状态等微观角度去分析各型钢枕横向阻力形成及提升机理。具体研究结果为:优化端铲、加肋及长道钉钢枕结构均可将钢枕横向阻力提升至与Ⅲc轨枕同等甚至更优水平,结构优化设计简单高效。图81幅,表36个,参考文献99篇。