高速铁路桥梁-轨道变形映射与行车安全

本书面向“交通强国，铁路先行”、“一带一路”倡议、高铁“走出去”等国家重大战略需求，紧密结合复杂条件下我国高速铁路桥梁-轨道运维领域的焦点难题，系统地研究了桥梁-轨道-列车变形映射与安全评价理论及方法。全书首先构建了高速铁路桥梁结构竖向和横向变形与轨面几何形态的映射模型，建立了含层间联结失效长时影响的桥梁．轨道变形映射通用模型，阐明了几何形位交互影响与传递机理；在此基础上，揭示了桥梁变形与车辆动力响应的映射关系，提出了多指标桥上行车安全评价准则。全书结构有条有理，阐述深入浅出，重视基础理论，突出关键内容，展示创新观点，服务国家重大战略。本书为高速铁路桥梁-轨道结构设计、施工和运维提供了关键技术支撑，可供高等院校、科研院所、铁路勘察设计单位以及各铁路局相关人员参考使用。

前言
第1章绪论1
1.1我国高速铁路发展历程1
1.2桥梁-轨道变形映射问题的提出2
1.3国内外高速铁路桥梁结构变形限值规定4
1.3.1日本高速铁路桥梁结构变形限值规定4
1.3.2德国高速铁路桥梁结构变形限值规定5
1.3.3国内高速铁路桥梁-轨道结构变形限值规定5
1.4国内外研究现状9
1.4.1高速铁路基础结构变形与轨面几何形态的拓扑关系9
1.4.2层间结构联结失效对轨道不平顺的影响10
1.4.3长期服役条件下桥上行车安全性11
1.5本书内容13
第2章桥梁结构竖向变形与CRTSⅠ型轨道几何形态的映射模型14
2.1桥梁结构竖向变形导致钢轨变形机理分析14
2.2基本假定15
2.3坐标系建立及变换15
2.4轨道板模型16
2.4.1单个扣件力作用下轨道板变形17
2.4.2多个扣件力作用下轨道板变形19
2.4.3桥梁结构竖向变形作用导致轨道板变形20
2.4.4轨道板变形总量20
2.5钢轨模型22
2.5.1钢轨力学分析23
2.5.2钢轨模型建立24
2.6桥梁结构竖向变形映射至轨面的解析表达式25
2.7典型竖向变形模式与轨面几何形态的映射模型26
2.7.1桥墩沉降与钢轨变形的映射模型26
2.7.2梁体竖向错台与钢轨变形的映射模型27
2.7.3梁端竖向转角与钢轨变形的映射模型29
2.8解析模型编程求解流程30
2.9单元板式无砟轨道与桥梁结构的有限元模型31
2.9.1结构构造及参数取值31
2.9.2有限元模型的建立33
2.10竖向变形映射模型的验证34
2.10.1映射模型与有限元模型的对比验证34
2.10.2映射模型与室内试验的对比验证41
2.11本章小结44
第3章桥梁结构横向变形与CRTSⅠ型轨道几何形态的映射模型46
3.1桥梁结构横向变形导致钢轨变形机理分析46
3.2基本假定46
3.3轨道板模型47
3.4钢轨模型51
3.5桥梁结构横向变形映射至轨面的解析表达式51
3.6典型横向变形模式与轨面几何形态的映射模型52
3.6.1梁端横向转角与钢轨变形的映射模型52
3.6.2梁体横向错台与钢轨变形的映射模型53
3.7解析模型编程求解流程54
3.8横向变形映射模型与有限元模型的对比验证54
3.8.1梁体横向错台55
3.8.2梁端横向转角58
3.9本章小结60
第4章含层间联结失效长时影响的桥梁-CRTSⅡ型轨道变形映射模型61
4.1桥梁结构竖向变形引起轨道不平顺机理分析61
4.2层间联结失效的影响分析62
4.3基本假定及坐标系的建立63
4.4底座板模型65
4.4.1底座板力学分析65
4.4.2底座板模型建立67
4.5轨道板模型69
4.5.1轨道板力学分析70
4.5.2轨道板模型建立71
4.6钢轨模型74
4.6.1钢轨力学分析75
4.6.2钢轨模型建立76
4.7桥梁结构模型79
4.7.1桥墩沉降引起的梁体竖向变形80
4.7.2梁体竖向错台引起的梁体竖向变形80
4.7.3梁端竖向转角引起的梁体竖向变形81
4.8层间相互作用力81
4.8.1扣件力81
4.8.2砂浆弹簧力82
4.8.3接触弹簧力83
4.9桥梁附加变形与轨道不平顺的映射通用解析模型84
4.10解析模型编程求解流程85
4.11桥梁结构及纵连板式无砟轨道有限元模型87
4.11.1参数取值87
4.11.2有限元模型的建立88
4.12桥梁-轨道变形映射通用解析模型的验证89
4.12.1无层间联结失效时解析模型与有限元模型的对比90
4.12.2层间联结失效时映射解析值与有限元模型计算值的对比96
4.12.3层间联结失效时映射解析值与轨道高低不平顺实测值的对比102
4.13本章小结103
第5章关键参数对轨道平顺性的影响机理105
5.1桥梁结构附加变形幅值对桥梁-轨道变形映射的影响105
5.1.1桥墩沉降幅值对桥梁-轨道变形映射的影响105
5.1.2梁体竖向错台幅值对桥梁-轨道变形映射的影响110
5.1.3梁端竖向转角幅值对桥梁-轨道变形映射的影响115
5.2桥梁跨度对桥梁-轨道变形映射的影响120
5.3梁端悬出长度对桥梁-轨道变形映射的影响121
5.4扣件竖向刚度对桥梁-轨道变形映射的影响124
5.5砂浆层竖向刚度对桥梁-轨道变形映射的影响127
5.6板底脱空对桥梁-轨道变形映射的影响130
5.6.1板底脱空位置对桥梁-轨道变形映射的影响130
5.6.2板底脱空长度对桥梁-轨道变形映射的影响135
5.7层间离缝对桥梁-轨道变形映射的影响137
5.7.1层间离缝位置对桥梁-轨道变形映射的影响137
5.7.2层间离缝长度对桥梁-轨道变形映射的影响142
5.8扣件弹条断裂对桥梁-轨道变形映射的影响144
5.8.1扣件弹条断裂位置对桥梁-轨道变形映射的影响145
5.8.2扣件弹条断裂个数对桥梁-轨道变形映射的影响149
5.9本章小结151
第6章高速铁路列车-轨道-桥梁耦合振动分析方法154
6.1车辆模型及运动方程154
6.1.1车辆动力学模型154
6.1.2受力分析156
6.1.3车辆运动方程160
6.2桥梁有限元模型162
6.3轨道结构振动模型165
6.4轮轨相互作用分析模型167
6.4.1轮轨接触几何关系167
6.4.2轮轨法向力计算168
6.4.3轮轨蠕滑力计算169
6.5列车-轨道-桥梁耦合振动方程170
6.6基于SIMPACK与ANSYS建立的列车-轨道-桥梁耦合振动分析模型171
6.6.1车辆多体动力学模型171
6.6.2桥梁-轨道模型176
6.6.3SIMPACK中列车-轨道-桥梁耦合振动的实现177
6.7系统激励179
6.7.1轨道随机不平顺180
6.7.2轨道附加不平顺181
6.8列车运行安全性和舒适性评价指标183
6.9本章小结184
第7章关键因素对高速列车时频域动力学性能的影响185
7.1桥梁附加变形对车辆时域动力学性能的影响185
7.1.1桥墩沉降对车辆时域响应的影响187
7.1.2梁端转角对车辆时域响应的影响188
7.1.3梁体错台对车辆时域响应的影响189
7.1.4梁体徐变上拱对车辆时域响应的影响190
7.2桥梁附加变形对车辆频域动力学性能的影响191
7.3不同车速和不同车型对车辆动力学性能的影响193
7.3.1桥墩沉降194
7.3.2梁端转角195
7.3.3梁体错台196
7.3.4徐变上拱198
7.4层间联结失效对车辆动力学性能的影响199
7.5本章小结201
第8章多指标高速铁路桥梁服役安全评价准则203
8.1高速铁路桥梁附加变形与行车安全的映射关系203
8.1.1桥墩沉降与车辆响应变化量的定量映射关系203
8.1.2徐变上拱与车辆响应变化量的定量映射关系207
8.2基于参数讨论法的桥梁附加变形安全阈值209
8.2.1桥墩沉降阈值210
8.2.2徐变上拱阈值211
8.2.3梁端转角和梁体错台阈值212
8.3基于桥梁附加变形的多指标桥上行车安全评价准则212
8.4本章小结213
参考文献214