北京地铁无砟轨道开裂机理及其对列车运营安全的影响研究

发布时间：2017-05-04 11:13

  本文关键词：北京地铁无砟轨道开裂机理及其对列车运营安全的影响研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：摘要：近年来,城市轨道交通飞速发展,地铁系统在公共交通系统中的地位越来越重要。与道路交通相比,其具有运量大、时间准、污染少和安全舒适等显著的优势。国内各大城市的地铁每天都担负着繁重的运营任务,线路轨道结构作为其下部基础长期承受上部列车碾压、振动、摩擦和冲击及环境温度作用,在使用过程中会出现各种各样的伤损,如钢轨磨耗、掉块,扣件丢失、弹条断裂,轨枕块和道床混凝土开裂,以及下部基础下沉等。在轨道结构诸多伤损中,养护维修部门对于列车直接接触的钢轨、扣件的探伤和维修已经十分完善,但是对于道床混凝土结构的伤损并没有建立完善的养护维修制度。调查发现,北京地铁大量整体道床出现裂纹伤损,尤其是一些建设较早的线路,地铁1、2号线。裂纹伤损降低了轨道结构的耐久性和绝缘性能,造成轨道不平顺,影响乘车舒适度和运营安全。因此,整体道床的开裂问题亟待研究。本文主要从以下几个方面对北京地铁短枕式整体道床混凝土裂缝进行实际调研和理论研究： (1)对北京地铁无砟轨道结构伤损情况进行了调查统计,按照裂纹伤损和非裂纹伤损进行了分类。总结了无砟轨道裂纹形成的原因,主要是由于施工技术和质量、温度、混凝土收缩以及车辆荷载等方面的原因引起的。同时对北京地铁已经采取的缓解道床开裂的措施进行了分析,指出了其中的不足之处。 (2)建立了道床板有限元模型,对其施加列车荷载和温度荷载,得到道床板在列车荷载和温度荷载分别作用下的应力分布图和裂纹的萌生位置。其中列车荷载根据实际列车运行情况和线路情况分三种工况予以考虑。最终通过分析确定裂纹的萌生位置位于枕角处,并大致沿45。方向扩展。 (3)应用混凝土结构线弹性断裂力学的相关理论建立了含初始裂纹的有限元模型,利用扩展有限元方法对裂纹发展进行模拟。得出列车荷载作用下20mm长度裂纹的裂纹张开量和应力强度因子值；随着裂纹的扩展,得到裂纹的长度和裂纹张开量以及应力强度因子的关系。 (4)在损伤力学的基础上,引入损伤函数来模拟道床裂纹伤损,进行动力分析。计算得出含裂纹轨道结构的动力响应规律与不含裂纹的轨道结构动力响应进行对比,得出了道床裂纹使得轨道结构动力响应增大,尤其是对道床混凝土及其以下结构影响显著的结论。
【关键词】：短枕式整体道床 裂纹 扩展有限元 车辆-轨道耦合模型 动力响应
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U216.42;U298
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-27
• 1.1 研究目的和意义11-13
• 1.2 混凝土断裂国内外研究现状13-20
• 1.2.1 混凝土的损伤断裂过程13-15
• 1.2.2 混凝土开裂的裂缝模型15-18
• 1.2.3 混凝土裂纹的数值模拟方法18-20
• 1.3 无砟轨道开裂研究现状20-24
• 1.3.1 无砟轨道混凝土裂缝分类及成因20-23
• 1.3.2 无砟轨道混凝土裂缝国内外研究现状23-24
• 1.4 本文主要研究内容24-27
• 1.4.1 研究内容24-26
• 1.4.2 技术路线26-27
• 2 地铁整体道床开裂模型的建立27-39
• 2.1 扩展有限元基本理论27-30
• 2.1.1 单位分解法(PUM)27-28
• 2.1.2 扩展有限元法(XFEM)28-30
• 2.2 断裂准则的选择30-32
• 2.3 有限元模型的建立32-38
• 2.3.1 有限元软件及求解器选取32-33
• 2.3.2 有限元模型的建立33-38
• 2.4 本章小结38-39
• 3 北京整体道床裂纹伤损现场综合调研39-55
• 3.1 北京地铁无砟轨道结构概况39-43
• 3.2 无砟轨道结构伤损类型及原因分析43-50
• 3.2.1 地铁无砟轨道道床结构伤损分类43-48
• 3.2.2 地铁无砟轨道裂纹及其原因分析48-50
• 3.3 北京地铁针对整体道床裂纹整治50-53
• 3.3.1 缓解措施总结50-52
• 3.3.2 存在的不足52-53
• 3.4 本章小结53-55
• 4 无砟轨道裂纹发生发展机理研究55-75
• 4.1 混凝土结构线弹性断裂力学基础55-59
• 4.1.1 裂纹扩展类型55-56
• 4.1.2 裂纹尖端的应力场和位移场56-58
• 4.1.3 应力强度因子58-59
• 4.2 裂缝萌生位置的确定59-68
• 4.2.1 列车荷载作用下确定初始裂纹萌生位置59-66
• 4.2.2 温度荷载作用下确定初始裂纹萌生位置66-68
• 4.3 裂纹扩展过程模拟68-73
• 4.3.1 列车荷载作用下裂纹的发展69-71
• 4.3.2 裂纹长度对裂纹发展的影响71-73
• 4.4 本章小结73-75
• 5 无砟轨道裂缝对运营安全影响研究75-93
• 5.1 道床裂纹伤损的体现75-77
• 5.1.1 伤损力学基础75-76
• 5.1.2 整体道床裂纹伤损76-77
• 5.2 车辆的安全平顺性指标及轨道动力响应指标77-88
• 5.2.1 含裂缝道床的无砟轨道振动响应79-84
• 5.2.2 含裂缝与不含裂缝无砟轨道振动响应对比84-88
• 5.3 车速对含裂缝无砟轨道振动响应的影响88-90
• 5.4 本章小结90-93
• 6 总结与展望93-95
• 6.1 总结93-94
• 6.2 展望94-95
• 参考文献95-99
• 作者简历及攻读硕士期间取得的研究成果99-103
• 学位论文数据集103

【参考文献】

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本文编号：344971