钢轨是轨道结构中的重要组成部件,具有引导车辆前进、承受和传递车轮荷载的功能,其状态直接影响行车安全和平稳性。高速铁路采用无缝钢轨,无法自由伸缩。在长期运行中,随环境变化钢轨会产生较大温差,内部会产生较大温度力。此外,列车运行时,轮轨交互作用下,钢轨受到冲击载荷,其振动能够反映轨道结构部件刚度和受载状态变化。本文以无砟轨道钢轨为研究对象,研究了温度力作用下纵向应变分布和振动特性的变化,又基于车辆-轨道耦合动力学研究了钢轨振动空间分布与振动特征,为温度力和振动在线实时检测提供理论依据和技术支持。主要研究内容如下:(1)对温度力作用下钢轨纵向应变和振动特性进行了研究,搭建了钢轨力学综合实验平台。建立了温度力和纵向应变之间的理论模型,形成钢轨温度力和纵向应变实验研究方法。基于三维静力学数值模拟,对无砟轨道钢轨温度力作用下的纵向应变分布进行研究,获得温度力与纵向应变分布的规律。以Timshenko梁模拟钢轨,在考虑垂向惯性力和弯矩方向惯性矩影响的情况下,建立温度力作用下钢轨振动计算模型,并进行模拟实验。钢轨力学综合实验平台包括钢轨、扣件、传感器、载荷施加装置等,可以模拟轨温变化、扣件松脱、钢轨断裂,实现温度力作用下钢轨纵向应变和动态特性的测量。(2)分析了钢轨加速度和动态应变分布规律。建立基于车辆-轨道耦合动力学的仿真模型,对列车运行中钢轨产生的振动进行了仿真分析。研究了钢轨加速度和动态应变在钢轨外侧面垂直地面方向和沿钢轨纵向水平方向的分布,并利用钢轨力学综合实验平台进行了模拟实验,为钢轨检测传感器安装布局提供了依据。(3)建立了变分模态分解参数优选方法,用于轮轨力作用下钢轨非平稳振动信号的分析。在国家铁路实验中心进行测试,获得了列车经过时的钢轨振动信号。信号经小波降噪后,进行变分模态分解并计算边际谱,研究了车速对钢轨振动特性的影响。结果表明:列车速度主要影响高频段振动能量,速度越高幅值越高,2000Hz左右影响较大,低频段内影响较小。(4)研究了基于信息熵法的扣件松脱钢轨失效判别方法。在钢轨力学综合实验平台上进行模拟实验,对不同扣件锁紧力下钢轨的加速度进行分析,利用信息熵的方法对扣件松脱进行了判断。结果表明:熵值随着扣件锁紧力减少而增加,加速度熵值随温度力的增加而降低。