CN109033618B - 无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，该方法针对无砟轨道结构动力模型，基于列车‑轨道系统空间振动分析理论、轨道动力学和列车脱轨能量随机分析理论，经过力学合理简化，模拟各类无砟轨道典型伤损，建立伤损状态的无砟轨道结构动力模型，对不同伤损类型或不同程度的同一伤损对列车‑轨道系统的振动响应进行分析计算，并依据动力计算结果，在伤损分级准则的基础上，来确定无砟轨道不同程度的伤损对行车舒适性和安全性的影响。本发明能够在减轻劳动强度的基础上，快速确定无砟轨道各种伤损对高速列车运行而产生的影响，从而为及时采取相应维护措施提供依据，进一步为高速列车的安全运行提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及铁路工程维护技术领域，特别是一种无砟轨道伤损对列车运行安全性能影响的评估方法。
背景技术
高速铁路无砟轨道结构，有着良好的平顺性以及少维修特点，在我国得到了广泛的应用。但是其轨道结构长期暴露在复杂的大气环境，受列车荷载、环境条件等各方面因素的影响，不可避免地会产生各种伤损和病害。亟需一种无砟轨道典型伤损对高速铁路运行安全性影响评估方法，判定哪些伤损部分只会影响轨道结构整体的美观性，哪些影响因素将直接导致混凝土不可恢复的伤损，哪些伤损将直接影响乘车舒适性，严重时影响行车安全性，以便于针对伤损类型采取相应的维护措施。
通过对我国高速铁路无砟轨道服役情况的现场调查，发现了许多结构性伤损、劣化乃至病害，如轨道板及道床板裂缝、砂浆层离缝、底座及支撑层裂缝、道岔与区间无砟道床伸缩缝在低温时期过大、道岔与区间无砟道床伸缩缝在高温时期挤死而造成两端轨道板裂纹及掉块等伤损，这些伤损将直接影响轨道结构的整体美观性和耐久性，降低无砟轨道结构运营的服役期。板式无砟轨道结构和双块式无砟轨道结构作为无砟轨道结构主要形式，轨道结构一旦失去稳定，如扣件弹条断裂及松脱、无砟轨道结构层间离缝与板下脱空、道床板上拱、路基沉降等无砟轨道结构伤损，将导致轨道结构刚度局部突变，引起轨道动态不平顺劣化，降低轨道结构承载能力，不利于高速列车安全平稳运行。
现有投入运营的高速铁路的各类伤损对无砟轨道结构的受力影响明显，目前，尚缺乏系统全面的针对伤损状态的无砟轨道结构影响有效评估方法，难以建立合理的无砟轨道结构伤损的分级维修标准。此外，某些轻微的轨道结构伤损可能并不会对行车的安全性和舒适性造成较大的影响，但当伤损发展到一定阶段后，严重时将直接影响行车的舒适性和安全性。因此，有必要通过现场调研和试验验证，建立一种全面系统的评估方法，来确定不同程度的伤损对行车舒适性和安全性的影响，这必将能够在减轻劳动强度的基础上，为高速列车的安全运行提供保障。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，能够快速确定无砟轨道各种伤损对高速列车运行而产生的影响，从而为及时采取相应维护措施提供依据，进一步为高速列车的安全运行提供保障。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，具体包括以下步骤：
A.依据现场调研分析高速铁路无砟轨道结构伤损的特征和机理，明确无砟轨道结构各种典型伤损形式和成因，并且建立考虑伤损的无砟轨道结构模型；
B.依据无砟轨道结构模型，结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，从动力学出发，模拟无砟轨道结构伤损行为；
C.通过室内足尺模型试验，测试典型伤损条件下无砟轨道层间特殊的荷载-位移本构关系及无砟轨道结构系统关键系数；将无砟轨道伤损作为初始缺陷，建立无砟轨道结构精细化有限元模型；
D.针对无砟轨道结构不同位置、不同形式和不同程度的典型伤损，基于列车脱轨能量随机分析理论，建立典型伤损状态下的高速列车-无砟轨道结构系统振动分析模型，针对不同程度的典型伤损分别进行动力特性计算分析；
E.选择参数，并输入到高速列车-无砟轨道结构系统振动分析模型中，计算各种典型伤损引起的车轨动力响应，记录列车脱轨系数、轮重减载率、sperling指标、车体振动加速度、转向架与钢轨横向相对位移以及车轮与钢轨之间的相对位置；
F.结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，评价无砟轨道结构伤损对轨道结构本身以及相关结构的力学行为、行车安全性及舒适性的影响，并进行伤损分级；生成相应等级的无砟轨道结构伤损养护维修技术标准。
上述一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，步骤A中所述伤损形式包括扣件失效、轨道板开裂与翘曲、离缝与脱空、道床板上拱离缝、砂浆层劣化与脱空、路基沉降与路桥过渡段不均匀沉降。
上述一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，步骤D中所述高速列车-无砟轨道结构系统振动分析模型的建立方法为：
T1.建立轨道模型
无砟轨道结构单元坐标系取在轨道自身平面内，X坐标轴为在线路平面内沿线路中心线的坐标轴即轨道纵向，Y坐标轴为在线路平面内垂直线路中心线的坐标轴即轨道横向，Z坐标轴为垂直线路平面的坐标轴即轨道竖向，并符合右手螺旋定则；
取相邻两扣件间的轨道板为一个轨段单元，即一小段板式无碴轨道，长度为B，宽度为L，则整个板式无碴轨道可视为这些轨段单元的集合；混凝土底座视为弹性薄板，置于弹性路基上，路基视为连续基础粘滞阻尼器和弹簧，其竖向阻尼系数及弹性系数分别为Cdv和Kdv；轨道板亦视为弹性薄板，通过模拟为连续基础粘滞阻尼器和弹簧的水泥沥青砂浆CAM与混凝土底座连接，CAM的横向阻尼系数及弹性系数分别为Cml和Kml，竖向阻尼及弹性系数分别为Cmv和Kmv；钢轨视为弹性点支承Euler梁，通过模拟为离散支点粘滞阻尼器和弹簧扣件与胶垫和轨道板之间通过离散支点的扣件系统相连接，扣件系统的横向阻尼系数及弹性系数分别为Cul和Kul，竖向阻尼及弹性系数分别为Cuv和Kuv；
T2.建立高速列车模型
机车车辆采用整车模型并将其分别离散为具有二系悬挂的26个自由度的多刚体系统，车体及转向架均考虑伸缩、横摆、浮沉、侧滚、点头及摇头振动的6个自由度，每个轮对仅考虑横摆振动及浮沉2个自由度；轮轨之间的接触考虑轮轨位移衔接条件及轮轨游间的影响，基于弹性系统动力学总势能不变原则和矩阵的对号入座法，采用Wilson-θ法编程并进行求解，计算出各种典型伤损条件列车-轨道系统随时间t变化的空间振动响应。
上述一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，步骤D中所述动力特性计算分析方法为：
S1.准备列车-轨道系统所需的基本参数；
S2.分别建立不同类别、不同程度伤损条件下的列车-轨道系统空间振动分析模型；
S3.输入横向激振源和竖向激振源；所述横向激振源采用初始人工构架蛇行波，竖向激振源采用中国轨道谱模拟的不平顺；
S4.基于能量增量判别准则，从列车在轨道上运行开始，循环计算每一时刻的列车-轨道系统的空间振动响应，得出某一时刻的轮轨相对位置，直至列车离开轨道；
S5.记录的车轮脱轨掉道瞬间轮轨的相对位置及几何尺寸、轮轨横向相对位移以及脱轨时最大的人工构架蛇形波，即可实现高速列车车轮脱轨全过程计算分析。
上述一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，步骤S4的具体实施方法为：每计算一次此系统空间振动响应，都需要利用列车脱轨几何准则来判断列车车轮是否脱轨掉道；若车轮脱轨掉道，则记录列车车轮脱轨掉道瞬间轮轨相对位置及几何尺寸和轮轨横向相对位移以及脱轨时最大的人工构架蛇形波；若车轮未发生脱轨掉道，则输入更大的人工构架蛇形波，继续下一时刻列车-轨道系统的空间振动响应计算，并采用列车脱轨几何准则判断车轮是否脱轨；若仍未脱轨，则重复上述步骤，直至车轮发生脱轨掉道。
上述一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，所述车轮脱轨的几何准则为车轮悬浮量达到25mm，轮对相对钢轨的横向水平位移达到54mm。
上述一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，步骤F所述伤损等级的判断方法为：当列车脱轨时，判定伤损等级为IV级；当列车未脱轨时，根据列车-轨道系统空间振动响应分析的脱轨系数和轮中减载率来判断是否超限，若超限则判定伤损等级为III级，若不超限，则根据列车-轨道系统空间振动响应分析的车体振动加速度和垂直sperling指标来判断是否超限，若超限则判定伤损等级为II级，若不超限则判定伤损等级为I级；当伤损等级为IV级和III级时则判定轨道无法供列车运行，若伤损等级为II级和I级时，通过响应等级的维修来保证轨道的运行可靠性。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明的方法可以得到各类典型伤损对无砟轨道结构各部件的位移、速度和振动加速度、以及列车-轨道系统各部件振动加速度、Sperling指标、轮重减载率、脱轨系数、车轮悬浮量和轮轨相对位置等参量，通过针对无砟轨道结构各种典型伤损(如道床板上拱、扣件失效、道床板上拱、路基沉降，轨道板脱空等)导致的脱轨工况进行高速列车脱轨全过程计算，全面总结典型伤损的列车脱轨规律，从而获得不同程度的典型伤损行为下的高速列车脱轨时的车轮悬浮量、轮轨之间的横向位移等关键的基础数据，依据这些关键的基础数据，来评价无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性的影响规律，从而可以有效评估各类无砟轨道典型伤损或不同程度的同一伤损对高速列车运行安全性的影响，能够快速确定无砟轨道各种伤损对高速列车运行而产生的影响，从而为及时采取相应维护措施提供依据，进一步为高速列车的安全运行提供保障。。另外，本发明还能够基于无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响评估方法生成相应的高速铁路无砟轨道养护维修各级标准，对于高速铁路无砟轨道的伤损维修标准研究具有重大理论意义、经济价值及社会效益。
附图说明
图1为本发明中板式无砟轨道空间振动轨段单元模型的端视图；
图2为本发明中双块式无砟轨道空间振动轨段单元模型的端视图；
图3为典型伤损引起的高速列车脱轨全过程计算的流程图；
图4为无砟轨道结构典型伤损对高速列车运行安全性影响评估方法的流程图；
图5为高速列车－无砟轨道时变系统空间振动响应计算程序流程图；
图6本发明具体实施例中道床板上拱离缝的高速列车-双块式无砟轨道系统动力模型图；
图7为具体实施例中用于列车-轨道系统振动分析的竖向激振源-初始不平顺时程曲线；
图8为具体实施例中用于列车-轨道系统振动分析的横向激振源-高速列车人工构架蛇形波；
图9为具体实施例中道床板正常与道床板上拱的列车-轨道系统振动响应的脱轨系数柱状图；
图10为具体实施例中道床板正常与道床板上拱的列车-轨道系统振动响应的轮重减载率柱状图；
图11为具体实施例中道床板正常与道床板上拱的列车-轨道系统振动响应的车体垂向振动加速度柱状图；
图12为具体实施例中道床板正常与道床板上拱的列车-轨道系统振动响应的轮轨垂向力柱状图；
图13为具体实施例中垂向sperling指标随道床板上拱幅值和速度变化的柱状图；
图14为具体实施例中垂向sperling指标随道床板上拱类型和速度变化的柱状图；
图15为具体实施例中轮重减载率随道床板上拱类型和速度变化的柱状图；
图16为具体实施例中脱轨系数随道床板上拱类型和速度变化的柱状图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，针对无砟轨道结构动力模型，基于列车-轨道系统空间振动分析理论和列车脱轨能量随机分析理论，经过力学合理简化，模拟各类无砟轨道典型伤损，采用FORTRAN程序编程计算分析不同伤损类型或不同程度的同一伤损对列车-轨道系统振动响应分析。该方法具体包括以下步骤。
A.依据现场调研分析高速铁路无砟轨道结构伤损的特征和机理，明确无砟轨道结构各种典型伤损形式和成因，并且建立考虑伤损的无砟轨道结构模型。
本步骤中所述的伤损形式包括扣件失效、轨道板开裂与翘曲、离缝与脱空、道床板上拱离缝、砂浆层劣化与脱空、路基沉降与路桥过渡段不均匀沉降等。
本实施例基于轨道动力学和列车脱轨能量随机分析理论，结合道床板上拱离缝的典型伤损来分析对列车运行安全性和轨道结构动力性能的影响。
高速铁路无砟轨道上拱后引起轨道不平顺和离缝，不平顺值的选取、取值范围参考轨道动态局部不平顺峰值管理表，如表1所示，单位mm。
表1
| 项目 | 日常保养 | 舒适度 | 临时补修 | 限速200km/h |
| 超限等级 | I | II | III | IV |
| 42m-高低 | 5 | 8 | 10 | 11 |
| 水平 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 扭曲 | 4 | 6 | 7 | 8 |
经比对后高程偏差最大值选取11mm，最小值选取5mm，其中复合不平顺同时考虑高低，水平和扭曲三项；离缝宽度为1mm，长度6m。计算道床板上拱的4种类型在不同速度下的列车-轨道系统动力响应，并与线路正常计算结果进行比较，分析道床板上拱对列车-轨道系统振动响应影响并进行伤损评级。其中，类型1仅考虑道床板上拱后引起的高低不平顺；类型2考虑道床板上拱后引起的高低不平顺与离缝；类型3考虑道床板上拱后引起的复合不平顺；类型4考虑道床板上拱后引起的复合不平顺与离缝。
B.依据无砟轨道结构模型，结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，从动力学出发，模拟无砟轨道结构伤损行为。
C.通过室内足尺模型试验，测试典型伤损条件下无砟轨道层间特殊的荷载-位移本构关系及无砟轨道结构系统关键系数；将无砟轨道伤损作为初始缺陷，建立无砟轨道结构精细化有限元模型。
D.针对无砟轨道结构不同位置、不同形式和不同程度的典型伤损，基于列车脱轨能量随机分析理论，建立典型伤损状态下的高速列车-无砟轨道结构系统振动分析模型，针对不同程度的典型伤损分别进行动力特性计算分析。
上述高速列车-无砟轨道结构系统振动分析模型的建立方法如下所述。
T1.建立轨道模型
无砟轨道结构单元坐标系取在轨道自身平面内，X坐标轴为在线路平面内沿线路中心线的坐标轴即轨道纵向，Y坐标轴为在线路平面内垂直线路中心线的坐标轴即轨道横向，Z坐标轴为垂直线路平面的坐标轴即轨道竖向，并符合右手螺旋定则。
取相邻两扣件间的轨道板为一个轨段单元，即一小段板式无碴轨道，长度为B，宽度为L，则整个板式无碴轨道可视为这些轨段单元的集合；混凝土底座视为弹性薄板，置于弹性路基上，路基视为连续基础粘滞阻尼器和弹簧，其竖向阻尼系数及弹性系数分别为Cdv和Kdv；轨道板亦视为弹性薄板，通过模拟为连续基础粘滞阻尼器和弹簧的水泥沥青砂浆CAM与混凝土底座连接，CAM的横向阻尼系数及弹性系数分别为Cml和Kml，竖向阻尼及弹性系数分别为Cmv和Kmv；钢轨视为弹性点支承Euler梁，通过模拟为离散支点粘滞阻尼器和弹簧扣件与胶垫和轨道板之间通过离散支点的扣件系统相连接，扣件系统的横向阻尼系数及弹性系数分别为Cul和Kul，竖向阻尼及弹性系数分别为Cuv和Kuv。板式无砟轨道结构模型如图1所示，双块式无砟轨道结构模型如图2所示。
本实施例建立的道床板上拱离缝的无砟轨道结构动力模型为道床板上拱离缝的高速列车-双块式无砟轨道系统动力分析模型，如图5所示。
T2.建立高速列车模型
机车车辆采用整车模型并将其分别离散为具有二系悬挂的26个自由度的多刚体系统，车体及转向架均考虑伸缩、横摆、浮沉、侧滚、点头及摇头振动的6个自由度，每个轮对仅考虑横摆振动及浮沉2个自由度；轮轨之间的接触考虑轮轨位移衔接条件及轮轨游间的影响，基于弹性系统动力学总势能不变原则和矩阵的对号入座法，采用Wilson-θ法编程并进行求解，计算出各种典型伤损条件列车-轨道系统随时间t变化的空间振动响应。
本步骤中所述动力特性计算分析的流程图如图3和图4所示，具体方法如下所述。
S1.准备列车-轨道系统所需的基本参数。主要包括列车编组、机车车辆类型、机车车辆几何尺寸及物理特性参数、行车速度、轨道类型及相应的几何、物理特性参数、线路几何形位等。
S2.分别建立不同类别、不同程度伤损条件下的列车-轨道系统空间振动分析模型。
S3.输入横向激振源和竖向激振源；所述横向激振源采用初始人工构架蛇行波，如图8所示；竖向激振源采用中国轨道谱模拟的不平顺，如图7所示。
延续本实施例，输入激振源波形(v＝300km/h)为速度300km/h的列车-轨道系统振动分析的激振源波形。
S4.基于能量增量判别准则，从列车在轨道上运行开始，循环计算每一时刻的列车-轨道系统的空间振动响应，得出某一时刻的轮轨相对位置，直至列车离开轨道。
本步骤的具体实施方法为：每计算一次此系统空间振动响应，都需要利用列车脱轨几何准则来判断列车车轮是否脱轨掉道；若车轮脱轨掉道，则记录列车车轮脱轨掉道瞬间轮轨相对位置及几何尺寸和轮轨横向相对位移以及脱轨时最大的人工构架蛇形波；若车轮未发生脱轨掉道，则输入更大的人工构架蛇形波，继续下一时刻列车-轨道系统的空间振动响应计算，并采用列车脱轨几何准则判断车轮是否脱轨；若仍未脱轨，则重复上述步骤，直至车轮发生脱轨掉道。
上述列车脱轨的条件为输入此系统横向振动最大能量等于此系统最小极限抗力做功，即Δσp，max＝σc，列车不脱轨条件为σc＞σp，max；基于弹性系统运动稳定性总势能判别准则和列车脱轨机理，提出了评判列车是否脱轨的能量增量判别准则：脱轨条件为Δσcr＜Δσpr，不脱轨的条件为Δσcr≥Δσpr；车轮脱轨的几何准则为车轮悬浮量达到25mm，轮对相对钢轨的横向水平位移达到54mm。
上述空间振动响应的计算流程如图5所示，具体计算过程为：读入系统的几何、物理特性参数、典型伤损参数及其他有关控制信息，进行自振特性分析，如属于自振现象则停止计算；如不属于自振，则进行动力特性分析，并确定是否接力运行，如果确定接力运行，则读入程序上次运行终止时为下次接力运行所记录的信息，如无需接力运行则计算所需的积分步数NSTEP；然后输入本次运行的步数，从起始步数到终止步数循环DO L＝LAST1，LAST2，形成系统的M、C、K矩阵以及荷载列阵P，再用Wilson-θ数值积分法求解方程，获得该步系统的振动响应；判断L是否小于NSTEP，如果小于则继续从起始步数到终止步数循环，并记录下次接力运行所必须的信息，如果等于则停止计算。
本实施例中，经计算得到道床板上拱的列车-轨道系统横向振动稳定性(42m-高低11mm+离缝1mm)结果如表2所示。
表2
由表2可知，高低不平顺值为11mm、波长为42m的4种类型道床板上拱离缝工况下，高速列车并未脱轨，但随着上拱值增大，抗脱轨系数逐步下降。
经计算得到道床板上拱的列车-轨道系统的振动响应峰值(42m-高低11mm+离缝1mm)结果如表3所示。
表3
为更直观地表达道板床正常与道床板上拱的列车-轨道系统振动响应峰值的变化，本发明采用柱状图形式进行展示，其中类型4的脱轨系数柱状图如图9所示、轮轨垂直力柱状图如图10所示，车体垂向振动加速度如图11所示，轮轨垂向力如图12所示；垂向sperling指标随上拱幅值和速度变化的柱状图如图13所示。当上拱类型和速度变化时，各指标表的变化情况也不同，如图14所示为垂向sperling指标随道床板上拱类型和速度变化的柱状图，图15为轮重减载率随道床板上拱类型和速度变化的柱状图，图16为脱轨系数随道床板上拱类型和速度变化的柱状图。
可见，随着道床板上拱矢度的增加，轨道结构结构各部件与车辆的动力响应增大趋势明显，并且基本随上拱幅值的增加而增加。很显然，道床板上拱离缝将急剧增大钢轨和道床板的振动响应。
S5.记录的车轮脱轨掉道瞬间轮轨的相对位置及几何尺寸、轮轨横向相对位移以及脱轨时最大的人工构架蛇形波，即可实现高速列车车轮脱轨全过程计算分析。
E.选择参数，并输入到高速列车-无砟轨道结构系统振动分析模型中，计算各种典型伤损引起的车轨动力响应，记录列车脱轨系数、轮重减载率、sperling指标、车体振动加速度、转向架与钢轨横向相对位移以及车轮与钢轨之间的相对位置等关键数据。参数包括包括列车编组、机车车辆类型、机车车辆几何尺寸及物理特性参数、行车速度、轨道类型及相应的几何、物理特性参数、线路几何形位等。
F.根据动力结算结果，结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，评价无砟轨道结构伤损对轨道结构本身以及相关结构的力学行为、行车安全性及舒适性的影响，并进行伤损分级；生成相应等级的无砟轨道结构伤损养护维修技术标准。
本步骤所述伤损等级的判断流程图如图4所示，具体方法为：当列车脱轨时，判定伤损等级为IV级；当列车未脱轨时，根据列车-轨道系统空间振动响应分析的脱轨系数和轮中减载率来判断是否超限，若超限则判定伤损等级为III级，若不超限，则根据列车-轨道系统空间振动响应分析的车体振动加速度和垂直sperling指标来判断是否超限，若超限则判定伤损等级为II级，若不超限则判定伤损等级为I级；当伤损等级为IV级和III级时则判定轨道无法供列车运行，若伤损等级为II级和I级时，通过响应等级的维修来保证轨道的运行可靠性。
本实施例通过建立含道床板上拱的列车-轨道系统空间振动伤损模型，经过分析不同速度下和不同程度道床板上拱离缝对轨道结构动力性能的影响及其规律，得出了道床板上拱对高速行车的安全性及舒适性能的影响。并且，通过上述分析还可对道床板上拱的无砟轨道结构的伤损进行评级，提出了高速列车具体限速建议值，为道床板上拱离缝的养护维修分级技术标准提供理论支持和参考。
本实施例仅为伤损为道床板上拱离缝的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
A.依据现场调研分析高速铁路无砟轨道结构伤损的特征和机理，明确无砟轨道结构各种典型伤损形式和成因，并且建立考虑伤损的无砟轨道结构模型；
B.依据无砟轨道结构模型，结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，从动力学出发，模拟无砟轨道结构伤损行为；
C.通过室内足尺模型试验，测试典型伤损条件下无砟轨道层间特殊的荷载-位移本构关系及无砟轨道结构系统关键系数；将无砟轨道伤损作为初始缺陷，建立无砟轨道结构精细化有限元模型；
D.针对无砟轨道结构不同位置、不同形式和不同程度的典型伤损，基于列车脱轨能量随机分析理论，建立典型伤损状态下的高速列车-无砟轨道结构系统振动分析模型，针对不同程度的典型伤损分别进行动力特性计算分析；
E.选择参数，并输入到高速列车-无砟轨道结构系统振动分析模型中，计算各种典型伤损引起的车轨动力响应，记录列车脱轨系数、轮重减载率、sperling指标、车体振动加速度、转向架与钢轨横向相对位移以及车轮与钢轨之间的相对位置；
F.结合机车车辆、轨道动力学和轨道结构强度评价指标，评价无砟轨道结构伤损对轨道结构本身以及相关结构的力学行为、行车安全性及舒适性的影响，并进行伤损分级；生成相应等级的无砟轨道结构伤损养护维修技术标准。
2.根据权利要求1所述的一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，其特征在于，步骤A中所述伤损形式包括扣件失效、轨道板开裂与翘曲、离缝与脱空、道床板上拱离缝、砂浆层劣化与脱空、路基沉降与路桥过渡段不均匀沉降。
3.根据权利要求1一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，其特征在于，步骤D中所述高速列车-无砟轨道结构系统振动分析模型的建立方法为：
T1.建立轨道模型
无砟轨道结构单元坐标系取在轨道自身平面内，X坐标轴为在线路平面内沿线路中心线的坐标轴即轨道纵向，Y坐标轴为在线路平面内垂直线路中心线的坐标轴即轨道横向，Z坐标轴为垂直线路平面的坐标轴即轨道竖向，并符合右手螺旋定则；
取相邻两扣件间的轨道板为一个轨段单元，即一小段板式无碴轨道，长度为B，宽度为L，则整个板式无碴轨道可视为这些轨段单元的集合；混凝土底座视为弹性薄板，置于弹性路基上，路基视为连续基础粘滞阻尼器和弹簧，其竖向阻尼系数及弹性系数分别为Cdv和Kdv；轨道板亦视为弹性薄板，通过模拟为连续基础粘滞阻尼器和弹簧的水泥沥青砂浆CAM与混凝土底座连接，CAM的横向阻尼系数及弹性系数分别为Cml和Kml，竖向阻尼及弹性系数分别为Cmv和Kmv；钢轨视为弹性点支承Euler梁，通过模拟为离散支点粘滞阻尼器和弹簧扣件与胶垫和轨道板之间通过离散支点的扣件系统相连接，扣件系统的横向阻尼系数及弹性系数分别为Cul和Kul，竖向阻尼及弹性系数分别为Cuv和Kuv；
T2.建立高速列车模型
机车车辆采用整车模型并将其分别离散为具有二系悬挂的26个自由度的多刚体系统，车体及转向架均考虑伸缩、横摆、浮沉、侧滚、点头及摇头振动的6个自由度，每个轮对仅考虑横摆振动及浮沉2个自由度；轮轨之间的接触考虑轮轨位移衔接条件及轮轨游间的影响，基于弹性系统动力学总势能不变原则和矩阵的对号入座法，采用Wilson-θ法编程并进行求解，计算出各种典型伤损条件列车-轨道系统随时间t变化的空间振动响应。
4.根据权利要求3所述的一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，其特征在于，步骤D中所述动力特性计算分析方法为：
S1.准备列车-轨道系统所需的基本参数；
S2.分别建立不同类别、不同程度伤损条件下的列车-轨道系统空间振动分析模型；
S3.输入横向激振源和竖向激振源；所述横向激振源采用初始人工构架蛇行波，竖向激振源采用中国轨道谱模拟的不平顺；
S4.基于能量增量判别准则，从列车在轨道上运行开始，循环计算每一时刻的列车-轨道系统的空间振动响应，得出某一时刻的轮轨相对位置，直至列车离开轨道；
S5.记录的车轮脱轨掉道瞬间轮轨的相对位置及几何尺寸、轮轨横向相对位移以及脱轨时最大的人工构架蛇形波，即可实现高速列车车轮脱轨全过程计算分析。
5.根据权利要求4所述的一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，其特征在于，步骤S4的具体实施方法为：每计算一次此系统空间振动响应，都需要利用列车脱轨几何准则来判断列车车轮是否脱轨掉道；若车轮脱轨掉道，则记录列车车轮脱轨掉道瞬间轮轨相对位置及几何尺寸和轮轨横向相对位移以及脱轨时最大的人工构架蛇形波；若车轮未发生脱轨掉道，则输入更大的人工构架蛇形波，继续下一时刻列车-轨道系统的空间振动响应计算，并采用列车脱轨几何准则判断车轮是否脱轨；若仍未脱轨，则重复上述步骤，直至车轮发生脱轨掉道。
6.根据权利要求5所述的一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，其特征在于，所述车轮脱轨的几何准则为车轮悬浮量达到25mm，轮对相对钢轨的横向水平位移达到54mm。
7.根据权利要求5所述的一种无砟轨道典型伤损对高速列车运行安全性影响的评估方法，其特征在于，步骤F所述伤损等级的判断方法为：当列车脱轨时，判定伤损等级为IV级；当列车未脱轨时，根据列车-轨道系统空间振动响应分析的脱轨系数和轮中减载率来判断是否超限，若超限则判定伤损等级为III级，若不超限，则根据列车-轨道系统空间振动响应分析的车体振动加速度和垂直sperling指标来判断是否超限，若超限则判定伤损等级为II级，若不超限则判定伤损等级为I级；当伤损等级为IV级和III级时则判定轨道无法供列车运行，若伤损等级为II级和I级时，通过响应等级的维修来保证轨道的运行可靠性。
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| JP2002107348A (ja) * | 2000-09-28 | 2002-04-10 | Meitetsu Sumisho Kogyo Kk | 車輪踏面の損傷状態検出方法および装置 |
| CN103678823A (zh) * | 2013-12-25 | 2014-03-26 | 西南交通大学 | 一种基于ca砂浆伤损的板式无砟轨道结构评估方法 |
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