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114高速有砟轨道技术的发展方向14.1高速有砟轨道结构动力学性能仿真计算分析14.1.1仿真计算条件（1）分析模型为分析高速动车组对有砟轨道结构的轮轨动力效应，采用车辆/有砟轨道系统垂向耦合动力学模型（图14.1.1）。图14.1.1车辆/有砟轨道垂向耦合动力学性能分析模型（2）计算条件1）动车车辆轴重：P=14、17、20t簧下质量：M=1.5、2.0、2.5、3.0t列车速度：V=200、250、300、350km/h2）轨道结构钢轨：60kg/m轨枕：Ⅲ型混凝土枕，配置1667根/km，间距600mm轨下胶垫刚度Kp=20、30、60、90kN/mm道床支承刚度Kb=80、100、110、120kN/mm路基刚度Kf=50kN/mm车体构架轮对钢轨轨枕道床23）轨道不平顺波长L=0.5、1.0、1.5、2.0m波深a=0.2、0.3、0.5、1.0mm14.1.2车辆簧下质量的影响表14.1.1和图14.1.2给出的是，L=1m，a=0.2mm，Kp=60kN/mm，Kb=100kN/mm，Kf=100kN/mm，P=17t，V=250km/h时，簧下质量M=1.5、2.0、2.5、3.0t对有砟轨道结构动力效应的仿真计算结果。表14.1.1簧下质量的轮轨动力效应计算结果簧下质量/tP/kNar/gas/gab/g1.595.1921.9951.2600.9742.096.6462.0471.4021.0552.597.3822.1271.4691.0793.097.6782.1501.4871.0800.000.050.100.150.20707580859095100簧下质量1.5t簧下质量2.0t簧下质量2.5t簧下质量3.0t轮轨力/kN时间/s0.000.050.100.150.20-2-1012簧下质量1.5t簧下质量2.0t簧下质量2.5t簧下质量3.0t钢轨加速度/g时间/s（a）轮轨力(b)钢轨加速度0.000.050.100.150.20-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5簧下质量1.5t簧下质量2.0t簧下质量2.5t簧下质量3.0t轨枕加速度/g时间/s0.000.050.100.150.20-1.0-0.50.00.51.0簧下质量1.5t簧下质量2.0t簧下质量2.5t簧下质量3.0t道床加速度/g时间/s（c）轨枕加速度（d）道床加速度图14.1.2簧下质量对有砟轨道轮轨动力效应的影响由表14.1.1和图14.1.2可知，随着车辆簧下质量M的增大，轮轨力和轨道振动加速度均有所增大，说明降低簧下质量对减少轮轨动力作用有利。314.1.3列车速度的影响表14.1.2和图14.1.3给出的是,L=1m，a=0.2mm，Kp=60kN/mm，Kb=100kN/mm，Kf=100kN/mm，P=17t，M=2.0t时，列车速度V=200、250、300、350km/h对有砟轨道结构轮轨动力效应的仿真计算结果。表14.1.2列车速度的轮轨动力效应计算结果V/km/hP/kNar/gas/gab/g20094.8071.4301.0650.76425097.2742.1161.4611.07730099.3632.9671.7651.192350100.9993.9842.0621.2110.000.050.100.150.2065707580859095100105V=200km/hV=250km/hV=300km/hV=350km/h轮轨力/kN时间/s0.000.050.100.150.20-4-2024V=200km/hV=250km/hV=300km/hV=350km/h钢轨加速度/g时间/s（a）轮轨力(b)钢轨加速度0.000.050.100.150.20-2-1012V=200km/hV=250km/hV=300km/hV=350km/h轨枕加速度/g时间/s0.000.050.100.150.20-1.8-1.2-0.60.00.61.21.8V=200km/hV=250km/hV=300km/hV=350km/h道床加速度/g时间/s（c）轨枕加速度（d）道床加速度图14.1.3列车速度对有砟轨道轮轨动力效应的影响由表14.1.2和图14.1.3可知，随着列车车速度的提高，轮轨力虽略有增大，但均远小于170kN。然而，道床振动加速ab却随列车速度的提高而显著增大。若以V=200km/h时的ab为比较标准，则V=250km/h、300km/h和350km/h时，ab分别增大41%、56%和59%。这说明有砟道床残余变形累进速率增长的太快，4势必会增大轨道维护工作量约1倍。14.1.4轨道不平顺的影响（1）不平顺波深的影响表14.1.3和图14.1.4给出的是，L=1m，Kp=60kN/mm,Kb=100kN/mm,Kf=100kN/mm，P=17t，M=2.0t,V=250kN/mm时，不平顺波深a=0.2、0.3、0.5、1.0mm对有砟轨道结构轮轨动力效应的仿真计算结果。表14.1.3不平顺波深的轮轨动力效应计算结果波深/mmP/kNar/gas/gab/g0.297.2742.1161.4611.0770.3104.2003.1712.1891.6150.5118.0525.2743.6412.6921.0152.68710.5107.2545.3850.000.050.100.150.2020406080100120140160波深0.2mm波深0.3mm波深0.5mm波深1.0mm轮轨力/kN时间/s0.000.050.100.150.20-10-50510波深0.2mm波深0.3mm波深0.5mm波深1.0mm钢轨加速度/g时间/s（a）轮轨力（b）钢轨加速度0.000.050.100.150.20-6-4-2024波深0.2mm波深0.3mm波深0.5mm波深1.0mm道床加速度/g时间/s0.000.050.100.150.20-8-6-4-20246波深0.2mm波深0.3mm波深0.5mm波深1.0mm轨枕加速度/g时间/s（c）轨枕加速度（d）道床加速度图14.1.4不平顺波深对有砟轨道轮轨动力效应的影响由表14.1.3和图14.1.4可知，随不平顺波深的增大，轮轨力明显增大，而钢轨加速度、轨枕加速度和道床加速度则均显著增大。若以a=0.2mm为比较标准，5则a=0.3mm、0.5mm和1.0mm时，轮轨力分别增大7%、21%和57%；而钢轨加速度ar、轨枕加速度as和道床加速度ab均增长50%、149%和399%左右。由此可见，长钢轨焊缝处凹凸不平尺度的影响之甚，限制其不平顺深度对高速行车的安全性和平稳性是多么的重要。因此说，我国高速铁路规定列车速度为250km/h及以上时，长钢轨焊接接头顶面平直度标准为0.2mm/1m是正确、合理的。（2）不平顺波长的影响表14.1.4和图14.1.5给出的是，a=0.2mm，Kp=60kN/mm，Kb=100kN/mm,Kf=100kN/mm，P=17t，M=2.0t,V=250km/h时，不平顺波长L=0.5、1.0、1.5、2.0m对有砟轨道结构轮轨动力效应的仿真计算结果。表14.1.4不平顺波长的轮轨动力效应计算结果波长P/kNar/gas/gab/g0.5m104.6797.8593.7271.6611.0m97.2742.1161.4611.0771.5m93.2411.0630.7700.5062.0m91.5280.6220.4580.3210.000.050.100.150.2060708090100110波长0.5m波长1.0m波长1.5m波长2.0m轮轨力/kN时间/s0.000.050.100.150.20-8-4048波长0.5m波长1.0m波长1.5m波长2.0m钢轨加速度/g时间/s（a）轮轨力（b）钢轨加速度0.000.050.100.150.20-4-2024波长0.5m波长1.0m波长1.5m波长2.0m轨枕加速度/g时间/s0.000.050.100.150.20-1012波长0.5m波长1.0m波长1.5m波长2.0m道床加速度/g时间/s（c）轨枕加速度（d）道床加速度图14.1.5不平顺波长对有砟轨道轮轨动力效应的影响6由表14.1.4和图14.1.5可知，波长的长短对轮轨力和轨道部件振动加速度有一定影响，规律是短波长比长波长影响稍大一些，但不像波深的影响那么剧烈，因此，波深起支配作用，控制波深大小是至关重要的。14.1.5轨下胶垫刚度的影响表14.1.5和图14.1.6给出的是L=1m，a=0.2mm，Kb=100kN/mm,Kf=100kN/mm，P=17t，M=2.0t，V=250km/h时，轨下胶垫刚度Kp=20、30、60、90kN/mm对有砟轨道结构轮轨动力效应的仿真计算结果。表14.1.5轨下胶垫刚度的轮轨动力效应计算结果轨下胶垫刚度/kN/mmP/kNar/gas/gab/g2094.3582.1241.0710.8103095.1172.1091.1710.8746097.2742.1161.4611.0779098.7462.1001.6651.2400.000.050.100.150.20707580859095100轨下胶垫刚度20kN/mm轨下胶垫刚度30kN/mm轨下胶垫刚度60kN/mm轨下胶垫刚度90kN/mm轮轨力/kN时间/s0.000.050.100.150.20-2-1012轨下胶垫刚度20kN/mm轨下胶垫刚度30kN/mm轨下胶垫刚度60kN/mm轨下胶垫刚度90kN/mm钢轨加速度/g时间/s（a）轮轨力（b）钢轨加速度0.000.050.100.150.20-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5轨下胶垫刚度20kN/mm轨下胶垫刚度30kN/mm轨下胶垫刚度60kN/mm轨下胶垫刚度90kN/mm轨枕加速度/g时间/s0.000.050.100.150.20-1.4-0.70.00.71.4轨下胶垫刚度20kN/mm轨下胶垫刚度30kN/mm轨下胶垫刚度60kN/mm轨下胶垫刚度90kN/mm道床加速度/g时间/s（c）轨枕加速度（d）道床加速度图14.1.6轨下胶垫刚度对有砟轨道轮轨动力效应的影响7由表14.1.5和图14.1.6可知，随着轨下胶垫刚度的增大，对轮轨力虽影响不大，但对轨枕加速度as和道床加速度ab却有明显影响。若以Kp=30kN/mm为比较标准，则Kp=60kN/mm和90kN/mm时,as分别增大25%和43%，ab亦分别增大24%和43%。可见，降低轨下胶垫刚度不仅可减小对混凝土枕的伤损，对减缓有砟道床残变累进速率也特别有利。14.1.6道床支承刚度的影响表14.1.6和图14.1.7给出的是L=1m，a=0.2mm，Kp=60kN/mm，Kf=100kN/mm，P=17t，M=2.0t，V=250km/h时，道床支承刚度Kb=80、100、110、120kN/mm对有砟轨道结构动力效应的仿真计算结果。表14.1.6道床支承刚度的轮轨动力效应计算结果道床刚度/kN/mmP/kNar/gas/gab/g2096.6212.0851.5001.0043097.2742.1161.4611.0776097.5672.1261.4431.1079097.8322.1341.4281.1330.000.050.100.150.20707580859095100道床支承刚度80kN/mm道床支承刚度100kN/mm道床支承刚度110kN/mm道床支承刚度120kN/mm轮轨力/kN时间/s0.000.050.100.150.20-2-1012道床支承刚度80kN/mm道床支承刚度100kN/mm道床支承刚度110kN/mm道床支承刚度120kN/mm钢轨加速度/g时间/s（a）轮轨力（b）钢轨加速度0.000.050.100.150.20-1.5-1.0-0.50.00.51.0