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2、高铁轨道路基结构动力响应理论研究现状.........................5

3、高铁轨道路基动力响应数值模拟研究现状.........................6

三、存在的主要问题..................................................8

四、已取得的主要成果...............................................10

1.高铁轨道路基动力响应试验研究成果............................10

2.高铁轨道路基动力响应理论研究成果............................10

3.高铁轨道路基动力响应数值模拟成果............................11

五、总结...........................................................13

参考文献...........................................................15

高铁轨道路基动力响应研究

一、问题的提出

我国高速铁路发展规划，是2004年经国务院批准的《中长期铁路网规划》确定的。

2008年，国家根据我国综合交通体系建设的需要，对《中长期铁路网规划》进行了调整。

目前，是世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。

高速铁路作为现代社会的一种新的运输方式，具有极为明显的优势。

在运行速度上，目前最高时速可达350公里，正在建设的京沪高速铁路最高时速将达到380公里，堪称陆地飞行；

在运输能力上，一个长编组的列车可以运送1000多人，每隔3分钟就可以开出一趟列车，运力强大；

在适应自然环境上，高速列车可以全天候运行，基本不受雨雪雾的影响；

在列车开行上，采取“公交化”的模式，旅客可以随到随走；

在节能环保上，高速铁路是绿色交通工具，非常适应节能减排的要求。

为实现建设世界一流高速铁路的宏伟目标，中国铁路大力推进体制创新、管理创新、技术创新。

经过几年的不懈努力，目前，中国大陆投入运营的高速铁路已达到6920营业公里。

我国高速铁路运营里程居世界第一位。

正在建设中的高速铁路有1万多公里。

我国在既有线大面积提速同时修建高速铁路,1994年12月,我国第一条准高速铁路一广深铁路正式开通运营,标志着中国铁路向高速化迈出了一大步。

2002年秦沈客运专线建成,2002年9月国产动力分散型“先锋号”电力动车组创造了292km/h的中国最高试验速度,2002年11月国产动力集中型“中华之星”电力机车历史性地使中国铁路跨进了300km/h的门槛,达到了创纪录321.5km/h最高试验速度。

为满足国民经济建设的需求，近年来我国的高速铁路建设迅速发展。

高速、重载是当今世界铁路发展的趋势，机车轴重的增大和速度的提高，使列车与线路系统的动力相互作用大幅加剧。

为了提高轨道在列车高速运行时的稳定性和平顺性，减少轨道的维修和养护，自20世纪60代初，世界各国铁路相继开展了以用混凝土、沥青混合料等整体固化道床替代散粒体道砟，即无砟轨道结构的系统研究。

无砟轨道具有稳定性高、能长久保持轨道几何形态、养护维修工作量显著减少、能提高行车平稳性和乘车舒适性等优点，随着高速铁路的迅速发展和列车运行速度的大幅提高，因此，无砟轨道在我国客运专线铁路建设中获得了广泛应用[1]。

随着高速铁路的迅速发展和列车运行速度的大幅提高，无砟轨道结构广泛应用于高速铁路建设中。

经过多年的发展，目前我国具有自主知识产权的无砟轨道类型有CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式及双块式等[2]，并在高速铁路建设中得到了应用。

高速铁路发展必须以安全、可靠、舒适为前提，而这些均取决于铁路系统各构成方面的高品质与高可靠性，其中路基轨道稳定与平顺尤为重要。

列车速度的提高使铁路轨道路基面临新的问题，速度的提高使轨道路基承受荷载的大小和频率发生改变，导致轨道路基动力响应发生了变化。

目前轨道路基动力响应成为高速铁路路基研究重点。

轨道路基动力响应包括轨道路基动变形、动应力及加速度等，其大小与分布关系到轨道路基强度、疲劳特性、累计变形及动力稳定性，并直接影响高速铁路路基设计、使用和养护维修。

然而列车高速运行时轨道路基动力响应分析异常复杂，现有理论分析和研究还远远不能适应高速铁路路基的设计、施工、维修的需要。

二、研究现状

主要从高铁轨道路基结构动力响应试验研究，高铁轨道路基结构动力响应理论研究，高铁轨道路基结构动力响应数值模拟三个方面来阐述高铁轨道路基动力响应研究现状：

2.1高铁轨道路基结构动力响应试验研究现状

从二十世纪五十年代开始，我国曾多次进行路基动力测试,杨灿文,龚亚丽[3]从路基动应力和振动实测中分析得到:

线路不平顺对路基动应力影响很大,行车速度增大可导致路基动应力增加,路基动应力和振动加速度在深度方向上呈指数衰减规律。

潘昌实等[4]对某黄土隧道进行了列车振动响应数定分析,提出用一种人工激振力来模拟列车竖向动荷载,并根据轨道加速度测试数据,分析车辆体系的振动,得到了列车荷载的模拟数定表达式。

随着我国铁路的大规模提速及高速铁路的建设，进一步加剧了列车与轨道结构之间的相互作用，也使得对板式无砟轨道结构的研究从以往的静态、准静态分析逐步过渡到动态分析，实现列车-无砟轨道-线下基础结构三者之间的合理匹配。

我国现行的高速铁路设计规范中无砟轨道结构采用的是准静态设计法，即设计轮载中考虑一个动载系数，然而这种简化方法无法考虑不同列车速度及轨道不平顺对列车荷载的影响[5]．因此，对板式无砟轨道结构动力特性开展研究十分必要。

西南交通大学王其昌[6]在1992年利用落轴法模拟冲击荷载,进而对轨道结构动力响应进行了分析,这是国内较早进行落轴试验的数值仿真。

王明昃[7]等应用ABAQUS有限元软件建立CRTSⅢ型板式轨道-路基动力分析模型,计算了在落轴冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统的动力响应,并将仿真计算结果与试验结果进行了对比,验证了模型的可靠性.在此基础上,研究了扣件刚度、路基基床弹性模量、自密实混凝土弹性模量以及长期服役状态下混凝土弹性模量的降低对轨道-路基系统动力特性的影响规律.孙璐等[5]为了分析京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的动力响应，通过建立无砟轨道结构-下部基础结构动力有限元分析模型，得到了结构前10阶模态和不同列车速度下无砟轨道结构的动力特性．进一步加剧了列车与轨道结构之间的相互作用，也使得对板式无砟轨道结构的研究从以往的静态、准静态分析逐步过渡到动态分析，实现列车-无砟轨道-线下基础结构三者之间的合理匹配.孟飞等[2]针对京沪高速铁路采用的CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、双块式3种无砟轨道，采用有限单元法软件ANSYS建立有限元模型，计算3种无砟轨道路基的动力响应，并进行对比分析。

无砟轨道以其高平顺性、高稳定性以及少维护等优点被广泛应用于高速铁路上.经过50多年的发展,国外高速铁路无砟轨道结构逐步形成了两大技术体系,即日本的柔性充填层单元板式无砟轨道结构和德国刚性基础整体式无砟轨道结构[10].郭志广等[11]在武广高速铁路典型路基断面埋设测试元件，分别于“联调联试”阶段和运营2年后进行了动车组列车荷载作用下的路基动力试验，实测了路基动应力、振动加速度、振动速度等动力响应。

分析了路基动力响应与列车速度的关系、动力响应沿路基深度变化规律和路基动力特性在运营前后的变化情况.

由于轨道结构周而复始的承受反复列车荷载，随着轮轨接触条件的不断变化，轮轨相互作用呈现出高度随机性且二者作用频带分布较宽，为能更好地分析该随机荷载及频率分布，需对轮轨系统结构的振动特性进行深入研究。

结合轨道动力学发展现状，建立了具有弹性车体的车辆—轨道—路基系统，对结构振型、固有频率、各子结构振动频带分布及其间耦合关系进行了研究.拟结合CRTSⅡ型无砟轨道结构，建立具有弹性车体的车辆—轨道—路基系统模型，利用ANSYS软件对其振动特性进行深入研究[12]。

孔祥辉等[13]研究无砟轨道技术在高速铁路发展中的应用，在使用温克勒（Winkler）模型对土质路基无砟轨道进行分析时，路基中动应力的分布规律和基床反力系数的取值是决定线路结构设计成败的关键因素。

以遂渝线无砟轨道铁路为背景，通过室内大比例动力模型试验，研究了循环荷载下路基基床动态参数的分布特征。

考虑到工程实用性，对板式无砟轨道基础板底面的动应力进行必要的简化，联合Odemark理论和弹性理论来计算路基动应力，所得计算值和实测值很接近.

董连成等[14]目的分析研究多年冻土区青藏铁路在列车动荷载作用下路基的稳定性及振动衰减规律．方法选取青藏铁路北麓河段三个典型试验断面，在春季进行了列车荷载作用下的路基动力响应现场试验，采集路基、边坡、道床3处振动数据，统计计算了青藏铁路客车与货车行驶时路基振动的最大和平均加速度幅值，对实测数据进行了功率谱分析．杜衍庆等[1]为了研究在不同高速列车相向运行速度组合作用下双线铁路路基结构的动应力响应，运用ABAQUS软件，建立了列车相向高速运行的双线高速铁路车辆－轨道－路基系统的动力有限元模型．本文建立列车相向高速运行的双线高速铁路车辆－轨道－路基系统耦合动力有限元模型，以板式无砟轨道下路基各结构层为分析对象，研究基于两列CRH3型动车组相向高速运行时，双线高速铁路路基结构的动应力分布和传递规律．

陈虎等[16]结合京沪高铁先导段综合试验,针对端剌结构两端与相邻路桥结构连接的关键部位,开展了板式无砟轨道路桥过渡段振动特性测试,分析了振动响应沿线路纵垂向的空间变化特征及与行车速度的关系。

试验表明:

沿线路纵向的振动响应最大值出现在过渡板端与路基支承层交接处,并呈现出前者支承刚度小于后者的现象,反映出端刺结构的过渡板设置未能较好地实现刚度由高至低的逐渐过渡;

垂向多层的线路结构振动响应沿深度呈递减趋势,结构各层位水平向不连续引起的振动响应表现出与轮轨作用处距离成反比的关系,轨道板端经纵联后的振动特性有显著改善;

随车速的提高,振动位移表现出线性增加、振动速度与振动加速度呈现出非线性加速增大的规律。

茅玉泉等[36]针对地面振动测绘了109列火车的地面振动衰减曲线,测点按传播衰减特点近密远疏布置,通过数理统计得到与实测值比较接近的指数函数和幂函数方程,经复合回归得到的地面垂直和水平振动衰减经验公式,该公式符合振动传播能量扩散和能量衰减原理,得到的经验公式在计算相应防振距离上得到应用。

孙常新等[37]结合秦沈高速铁路DK243+400-900现场三个试验段的动态测试数据,探讨了高速行车条件下路基的动应力响应问题,并分析了影响动应力分布的因素。

将测试数据与传统路基-轨道形式作了比较,为进一步研究提供了参考依据。

童发明等[38]为了解武广高速铁路过渡段路基的整体刚度系数和阻尼系数,采用激振法（强迫振动）对武汉试验段涵-涵过渡段和路-桥过渡段路基的不同位置进行了激振试验,成功地获得了过渡段路基不同位置的相关指标,为过渡段路基的强度、变形分析和仿真试验提供了必要的动力参数。

2.2高铁轨道路基结构动力响应理论研究现状

轨道路基动力响应的研究在早期大多是通过试验和实测来进行的，通过对实验数据统计分析得到路基动力响应规律。

在对路基的动力响应研究中,路基通常模拟为半空间体。

Seong[8]研宄了在均布移动恒载和谐振荷载下,文克尔弹性地基上E-B梁的振动,获取了梁稳态响应并分析了对梁变形与最大位移的影响因素:

荷载速度、频率、地基阻尼等,提出了荷载临界速度、频率计算公式。

Easen[17]利用傅立叶变换得到了移动荷载作用下半无限弹性体内的应力解，研究了移动线荷载作用下,三维弹性半空间体动力响应。

Alexander等[18]研究了弹性连续体在分布移动荷载下的动力响应问题。

Takemity和Satonaka[19]利用交通荷载所引起的地基振动谱来分析地基响应问题,提出在振源附近,地基响应只与振源特性有关,而车速变化则影响到地基弹性波的传播。

对于移动振源而言,随着与振源距离增大,波形最大振幅减小,而持续时间增加。

同一位置,随着车速增加,振动持续时间减少。

在轨道路基动力响应研究方面，我国的研究人员也取得了一定的成果。

杨英豪等[9]采用均布无限线分布竖向谐和力模拟列车运行时的动载,并研宄了半空间体动力响应,利用该模型计算得出了竖向和水平向振动位移衰减公式,通过试验验证该模型计算的结果能较好地反映列车运行时振波在土中的传递规律。

刘维宁等[15]以杜哈姆积分为基础,应用动力互等定理,得到了移动荷载作用下半无限弹性空间体内任意点动力响应的一般表达式,然后在该式基础上,针对轨道结构的周期性特点,将荷载沿钢轨的移动问题,转化为拾振点以L为周期向反方向跳跃式移动与荷载只在一个轨枕间距L内移动的组合问题,将一个从负无穷到正无穷的积分问题转化为任意点频域周期解析的叠加问题,得到了轨道结构在移动荷载作用下动力响应的新的解析解形式。

孙璐[20]研究了文克尔地基上无限长梁在匀速运动的线源荷载激励下的动力响应,根据广义杜哈姆积分和线性叠加原理,把运动线源荷载作用下梁的动力问题转化为求解位置固定的线源荷载作用下梁的动力响应,然后利用拉普拉斯变换和傅立叶变换求解梁动力方程,获得了线源脉冲响应函数,继而得到了运动线源荷载下梁的动力解答。

其中，研究较为突出的是苏谦等[21]建立了包含车辆、钢轨、轨枕、弹性垫板、道床和路基为一体的路基/轨道/车辆空间时变耦合动力系统分析模型，形成了高速铁路路基动力学设计理论体系；

完善了高速铁路路基基床结构的设计理论，攻克了高速铁路路基动力特性、整体系统匹配等关键问题，提出了高速铁路路基结构设计的关键参数，相关成果已纳入高速铁路设计规范；

提出了新型分幅托梁式路基桩板结构以及整套设计理论体系，指导完成了新型分幅托梁式路基桩板结构的研制、设计工作，攻克了高速铁路路基沉降控制的技术难题，已获得国家专利；

提出了适应高速铁路路基的激振分析模型、动力参数计算理论以及识别理论，在此基础上成功研制了适应高速客运专线激振试验要求的宽频大功率路基动力试验系统（DTS-1），解决了高速铁路现场激振试验频率高、调频范围宽、激振力大、加载时间长、系统可靠性等技术难题，已获得国家专利；

研究分析了各种高速铁路地基处理技术，并对其工程设计合理性、地基处理效果进行了深入的理论分析和试验验证，补充完善了高速铁路地基处理技术体系，指导了高速铁路地基处理工程的有效实施。

2.3高铁轨道路基动力响应数值模拟研究现状

通过建立高铁轨道路基模型，模拟真实列车荷载高速移动的分布式加载系统，实现了对列车荷载引起的循环效应、移动效应、速度效应的研究，此方法也得到了很大的发展和良好的应用。

陈仁朋等[22]高速列车行车时产生的动力荷载大小受多种因素影响，以列车运行速度的影响尤为关键。

由于车辆-轨道-路基结构的复杂性，要通过理论计算准确地确定行车速度对动力荷载的影响并不容易。

目前足尺物理模型试验已成为高速铁路无砟轨道路基结构动力性能研究的重要手段。

根据沪宁城际无砟轨道设计和施工标准，建成室内1:

1无砟轨道路基模型，通过单个轮轴的动态激振试验获得I型轨道板动应变幅值及路基动土压力幅值随加载频率的变化规律，在该基础上得到列车动荷载随行车速度的变化规律。

结合德国铁路动力荷载放大系数的计算公式，提出确定高速铁路I型轨道结构动力荷载放大系数的方法，并分别获得轨道板与路基结构动力荷载放大系数随列车运行速度的变化规律，可为我国I型轨道-路基系统设计动力荷载的确定提供依据。

蒋红光等[23]列车移动荷载下高速铁路板式轨道路基的振动特性和动力荷载传递规律对高速铁路的设计和运行维护十分重要。

介绍了一种全比尺的高速铁路板式轨道路基模型和可模拟真实列车荷载高速移动的分布式加载系统，最高模拟列车速度可达360km/h。

基于该模型试验平台，对中国高速列车以不同速度运行下板式轨道路基的振动和动应力特性进行了试验研究。

结果表明轨道结构的振动随着车速的提高近似呈线性增加的趋势；

路基结构的振动存在阶段性，列车速度低于180km/h时振动速度增长缓慢，而后随着速度的增加迅速增大；

基床表层的碎石层对振动在路基中的传播有很好的吸收作用。

试验发现，尽管无砟轨道路基表面的动应力水平远低于有砟轨道，但无砟轨道路基动应力沿深度的衰减速度要缓于有砟轨道。

试验进一步发现，无砟轨道路基动应力的增长模式与列车速度和土体所处深度均有关，基于试验结果提出了用于预测高速铁路路基动应力的经验表达式。

王启云等[24]针对目前高速铁路路基模型存在尺寸小、受边界影响大、采用单点正弦函数加载等不足，建立高速铁路无砟轨道路基实尺模型试验系统。

该系统由轨道路基模型、路基动力响应测试系统以及动力加载系统组成。

参照试验模型，建立三维有限元数值模型。

高速铁路无砟轨道改变了传统有砟轨道的结构形式,导致列车荷载在基床结构中的分布及传递特性发生变化,研究列车动荷载作用下轨道/路基系统动力相互作用问题已经成为高速铁路路基结构设计中考虑的主要问题。

将三维一致黏弹性人工边界单元引入ABAQUS有限元软件,建立以连续轴重荷载组成列车荷载、采用一致黏弹性人工边界单元作为边界的三维无砟轨道/路基有限元模型,选取国家轨道试验中心的无砟轨道结构参数计算得到路基动应力,并与动车组CRH2运行的实测数据进行对比。

结果表明两者具有较好的一致性,从而验证了该人工边界单元在无砟轨道高速铁路路基动力响应分析方面的有效性。

该边界的成功应用为缩小计算模型、缩短计算时间和提高计算精度提供了解决方案,使得高速铁路路基动力响应的实现变得简单和方便,在个人电脑上即可方便地进行三维计算分析[25]。

刘晓红等[26]通过建立高速铁路路基动力响应数值模型，获得了武广高速铁路路堑段无砟轨道路基竖向及横向计算断面上4个动力响应参数随深度及水平距离的变化规律，经与实测结果对比分析发现，武广高铁同一路段动力响应计算结果与现场实测成果基本吻合，证明了所建动力数值计算模型的合理性。

三、存在的主要问题

在高铁发展的历程中，通过大量研究者们的辛勤付出，主要发现有以下问题：

我国研发了具有完全自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道.目前已在成灌线、武咸城际铁路、郑徐客运专线、盘营客运专线等高速铁路上应用,但是已有的研究主要集中在静力特性分析[7],对其动力特性及长期动态服役性能还没有系统的理论和试验研究.

无砟轨道作为刚性结构对线下基础的不均匀变形适应能力较差,易产生开裂破损,致使服役性能大幅衰减,且难以修复,直接影响乘坐的舒适性和行车的安全性。

路桥连接处是铁路路基的薄弱环节,路基与桥台的工后沉降差异会引起轨面弯折变形;

同时路桥结构的刚度差异也巨大,会导致轨道刚度发生突变,从而提髙列车运行时与线路结构的相互作用,加速线路结构和车辆的损坏,影响设备的安全服役。

列车速度的提高和无砟轨道的运用,对轨下基础刚度的均匀性,以及沿线路纵向不均匀沉降的控制提出了更高的要求[16]。

高速铁路的现场测试数据较少，外界影响因素复杂，难以全面系统地获得路基内部应力的分布规律。

对于有砟轨道已有大量的测试结果，但因为列车运行速度的大幅提升，低速条件下的经验能否通过外推应用于高速条件还未得到验证。

而且，有砟轨道和无砟轨道两者的轨道结构存在明显的差别，已有的有砟轨道设计方法是否依旧适用也存在着诸多疑问［23］。

王启云等[24]对高速铁路路基动力学研究主要从理论分析、数值模拟及试验等三方面进行。

由于高速铁路路基结构中轨道板－路基结构之间的作用问题相当复杂，这方面的理论研究还相当薄弱，而数值分析中设计参数难以准确选取，计算结果值得商榷。

无砟轨道结构是高速列车行驶的支撑结构，由于轨道不平顺的存在，当高速列车沿轨道运行时，会引起无砟轨道结构的振动，动力作用引起的无砟轨道振动可能使结构构件产生疲劳，降低其强度和稳定性;

振动过大时，还会对列车的运行安全性产生影响。

当列车的动力变化频率与结构的自振频率相等或相接近时，引起的共振会使无砟轨道结构动力响应加剧，甚至产生意外的破坏［27-28］．

我国现行的高速铁路设计规范中无砟轨道结构采用的是准静态设计法，即设计轮载中考虑一个动载系数，然而这种简化方法无法考虑不同列车速度及轨道不平顺对列车荷载的影响［29-31］．

对于不同类型无砟轨道下路基动力响应的对比研究仍然较少。

在高速铁路的建设中，采用不同类型的无砟轨道时，路基的基床尺寸设计、填筑控制仍采用相同的参数，未考虑路基动力响应特性的差异［32］

一个高效的铁路系统是现代社会可持续发展的重要组成部分。

它以相对较少的污染排放量提供了快速安全的交通运输[33],与其他交通方式的竞争使得铁路必须提高行车速度,高速铁路的发展势在必行。

由于无砟轨道具有高平顺性、少维修养护和“维修天窗”短时性等特点,因而在国外高速铁路得到越来越广泛的应用。

为建设一流的客运专线,我国目前大量采用无砟轨道技术。

但是,高速铁路对路基变形的要求十分严格,同时无砟轨道改变了传统有砟轨道的结构形式,上部结构的变化必然导致列车荷载在基床结构中的传递变化,研究动力荷载作用下上部结构/路基动力相互作用问题已经成为高速铁路路基结构设计中考虑的主要问题。

随着我国高速铁路的迅猛发展，高铁路基动力响应是路基设计中最关心的问题。

最常见的高速下路基动力响应研究方法包括现场动力响应测试和动力数值计算。

路基动力响应的现场测试是一种列车实际运营条件下的大型复杂动力试验，具有耗时、耗资、耗力的特点，不便于实际工程的应用。

通过数值计算的方法获得路基动力响应参数及其变化规律，可节约工程造价，缩短工期，克服现场外动力响应测试受工期要求、工程造价、试验设备普及程度、试验技术人员较少等因素影响的缺陷，有利于工程应用。

目前，相对合理的地基动力响应数值模型较少见，路基设计中仍沿袭静态或准静态思路，不能满足迅速发展的高铁路基设计的需求［34］。

目前,对轨道-路基动力响应理论研究不够深入,高速列车-轨道-路基系统动力学理论体系不完善,其研究大多侧重于轮轨力、车辆-轨道结构的动力响应等方面,而路基模型多采用弹賛-阻尼-集中质量简化系统,很少将列车-轨道-路基三者做为一个大系统进行耦合分析,所以急待建立完善的列车-轨道-路基动力学理论体系［35］。

在《铁路路基规范》中，一直沿用的是换算荷载法，用一换算土柱高并按45度扩散角计算路基中的荷载。

这一思路已不适用于重复荷载下路基土的疲劳失稳特性。

由于列车荷载是通过轨道、轨枕传递到路基的。

因此，如何将列车荷载定量化或找出其分布传递的规律是动力学研究的一个重要问题［39］。

当列车动荷载较小且运营时间较短时，基床土将在低应力和小应变条件下工作，此时塑性变形相对较小，基床土将显示出近似弹性体的特征。

当列车荷载较大且运营时间较长时，