论文部分内容阅读
随着我国现代有轨电车建设和运营里程逐年增长，有轨电车整体道床结构病害频发、路基不均匀沉降控制标准尚未统一已经成为亟需解决的工程问题。目前大多数现代有轨电车线路仍是以扣件系统作为轨道弹性和几何调整的解决方案，一定程度上忽视了路基不均匀沉降发生之后道床板的强度安全，且有轨电车道床板在多种荷载因素作用下的服役性能变化规律尚不明确。出于保障列车运行安全和降低建设成本的考虑，现代有轨电车路基不均匀沉降的控制要求应当高于城市道路路基，低于高速铁路无砟轨道路基，提出与有轨电车运营条件相适应的路基不均匀沉降控制值对未来有轨电车项目的发展有着重要意义。本文采用混凝土损伤塑性理论研究现代有轨电车无砟轨道道床板在温度、列车荷载和路基不均匀沉降共同作用下的服役性能，通过文献调研、聚类分析、理论推导及有限元模拟等多种方法尝试将道床板的损伤状态纳入到现代有轨电车路基不均匀沉降控制体系当中。主要研究内容及成果如下：
(1)对现代有轨电车的工程特点进行归纳，介绍了有轨电车的车辆结构以及车辆模块之间的多铰连接对车体运动特性的影响，总结了常见的现代有轨电车轨道结构和整体道床结构形式，并对多个城市现行的有轨电车路基不均匀沉降控制标准进行调研。
(2)基于多体运动学理论推导出能反映五模块低地板有轨电车结构特点的车体刚度矩阵和阻尼矩阵，建立五模块100%低地板现代有轨电车的车辆-轨道-路基垂向自由度耦合动力学模型，采用交叉迭代算法对系统各部分的运动状态进行求解。计算结果表明，浮车模块在动、拖车间的荷载分担导致五模块100%低地板有轨电车拖车转向架轮对荷载大于三模块70%车辆，拖车转向架经过钢轨时会产生钢轨和道床板的峰值动位移，动车转向架经过钢轨时则会产生钢轨和道床板的次峰值动位移，次峰值位移的量值与地铁B型车运营时钢轨和道床板的最大动位移水平相当。
(3)通过有限元方法分析了有轨电车路基不均匀沉降与轨面变形的映射关系，揭示了自重作用下有轨电车板式无砟轨道在路基余弦型沉降槽中的分布规律，并提出了与路基不均匀沉降幅值相适应的边界子程序施加方法。将路基不均匀沉降引起的轨面附加不平顺输入到耦合动力学模型中，计算得到了不均匀沉降发生之后扣件垫板的支反力时程曲线。
(4)对建设期和运营期有轨电车的整体道床分别进行顺序耦合热应力分析，首先获得道床板在特定工况下的温度分布规律，然后利用得到的温度场分析有轨电车道床板的初始应力-损伤场。在建设期道床板的温度受环境温度变化影响更大，在运营期道床板的温度变化则明显滞后于环境温度变化，上下表面温度差更小。整体道床的初始损伤场由建设期温度变化决定，而整体道床的初始应力场由运营期温度变化决定。
(5)通过特定的判据对道床板损伤程度进行分级，实现了有轨电车道床板服役性能的量化评估。以道床板混凝土的损伤因子作为判别指标，将道床板的损伤程度分为三级：轻(微)度损伤、中度损伤和大幅度损伤，轻(微)度损伤状态的道床板可继续服役；中度损伤的道床板振动主频降低，振动加速度幅值增大，产生可见裂纹，不宜长期服役；进入大幅度损伤状态的道床板需要尽快进行维修和更换，不宜继续服役。
(6)综合考虑有轨电车土建造价、扣件调整量和道床板的服役性能，建议有轨电车路基不均匀沉降控制值为30mm/20m~50mm/20m。
(1)对现代有轨电车的工程特点进行归纳，介绍了有轨电车的车辆结构以及车辆模块之间的多铰连接对车体运动特性的影响，总结了常见的现代有轨电车轨道结构和整体道床结构形式，并对多个城市现行的有轨电车路基不均匀沉降控制标准进行调研。
(2)基于多体运动学理论推导出能反映五模块低地板有轨电车结构特点的车体刚度矩阵和阻尼矩阵，建立五模块100%低地板现代有轨电车的车辆-轨道-路基垂向自由度耦合动力学模型，采用交叉迭代算法对系统各部分的运动状态进行求解。计算结果表明，浮车模块在动、拖车间的荷载分担导致五模块100%低地板有轨电车拖车转向架轮对荷载大于三模块70%车辆，拖车转向架经过钢轨时会产生钢轨和道床板的峰值动位移，动车转向架经过钢轨时则会产生钢轨和道床板的次峰值动位移，次峰值位移的量值与地铁B型车运营时钢轨和道床板的最大动位移水平相当。
(3)通过有限元方法分析了有轨电车路基不均匀沉降与轨面变形的映射关系，揭示了自重作用下有轨电车板式无砟轨道在路基余弦型沉降槽中的分布规律，并提出了与路基不均匀沉降幅值相适应的边界子程序施加方法。将路基不均匀沉降引起的轨面附加不平顺输入到耦合动力学模型中，计算得到了不均匀沉降发生之后扣件垫板的支反力时程曲线。
(4)对建设期和运营期有轨电车的整体道床分别进行顺序耦合热应力分析，首先获得道床板在特定工况下的温度分布规律，然后利用得到的温度场分析有轨电车道床板的初始应力-损伤场。在建设期道床板的温度受环境温度变化影响更大，在运营期道床板的温度变化则明显滞后于环境温度变化，上下表面温度差更小。整体道床的初始损伤场由建设期温度变化决定，而整体道床的初始应力场由运营期温度变化决定。
(5)通过特定的判据对道床板损伤程度进行分级，实现了有轨电车道床板服役性能的量化评估。以道床板混凝土的损伤因子作为判别指标，将道床板的损伤程度分为三级：轻(微)度损伤、中度损伤和大幅度损伤，轻(微)度损伤状态的道床板可继续服役；中度损伤的道床板振动主频降低，振动加速度幅值增大，产生可见裂纹，不宜长期服役；进入大幅度损伤状态的道床板需要尽快进行维修和更换，不宜继续服役。
(6)综合考虑有轨电车土建造价、扣件调整量和道床板的服役性能，建议有轨电车路基不均匀沉降控制值为30mm/20m~50mm/20m。