高速铁路有砟轨道路涵过渡段差异沉降特性及性能评价研究

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高速铁路有砟轨道路堤型路基与涵洞之间刚度存在数量级差异。在涵洞数量众多的高速铁路路基地段,当列车荷载经过路涵连接处时,较“软”的路基和较“硬”的涵洞之间存在的刚度不平顺将引起车辆-轨道-路基耦合系统产生较大动力作用。同时,这一动力作用循环往复,又将加剧路涵连接处路基面的差异性沉降,导致路基面产生明显的不均匀变形,最终映射到钢轨形成轨道几何不平顺。随着动力作用引起的几何不平顺不断加大,将反作用于车辆-轨道-路基耦合系统,进一步加剧耦合系统动力作用,形成恶性循环,严重时甚至会威胁高速铁路行车安全性。在高速铁路设计施工和养护维护时,都必须高度重视路涵过渡段问题。鉴于此,本文针对有砟轨道系统,采用有限元仿真和偏最小二乘回归分析等手段,研究了路涵过渡段不均匀沉降的控制阈值及其长期演化规律,提出了路涵过渡段过渡性能的评价指标,以期为高速铁路的设计施工和养护维修提供一定的理论依据和工程应用价值。首先,在广泛查阅国内外相关研究成果的基础上,选择某高速铁路已建路基路涵过渡段为研究对象,基于该高速铁路调研资料,设计路涵过渡段数值模拟标准计算工况。首先,借助有限元分析软件ABAQUS对不同工况下的路涵过渡段差异性沉降进行模拟分析,从静力学的角度研究了路涵过渡段不均匀沉降规律。其次,基于不同工况下路涵过渡段差异性沉降模拟结果,提出将路涵过渡段差异性沉降造成的轨面弯折角的表征值—2 m弦长滑动斜率最大值作为过渡性能的评价指标。根据该指标提出高速铁路有砟轨道路涵过渡段过渡性能的评价方法,同时建立轨面弯折角数据库。根据轨面弯折角数据库,选择覆土厚度、涵洞宽度、涵身高度作为单因素,综合考虑单因素,单因素二阶项及交互作用对轨面弯折角的影响,根据偏最小二乘多元回归分析原理结合SPSS软件对轨面弯折角进行多元回归分析,建立了关于轨面弯折角的偏最小二乘线性回归方程。借助偏最小二乘回归分析结果遴选出显著影响项,得到单因素,单因素二阶项及交互作用对路涵过渡段过渡性能控制指标—轨面弯折角影响强弱程度。得到以下结论:(1)在路涵连接处,当覆土厚度、涵洞宽度、涵身高度一定时,相较于未设置倒梯形过渡段结构时,设置过渡段结构会明显降低轨面弯折角的大小。并且设置过渡段结构后,本文中最危险工况(覆土厚度为0 m,涵洞宽度为6 m,涵身高度为5.5 m)也满足轨面弯折角规范要求。(2)影响轨面弯折角因素主次关系为覆土厚度>涵洞宽度>涵身高度;其中,覆土厚度与轨面弯折角呈负相关性,而涵洞孔径与轨面弯折角呈正相关性,涵身高度对轨面弯折角的影响,取决于覆土厚度的大小,交互作用显著。同时,在分析取值范围内,利用偏最小二乘回归方程可以得到轨面弯折角控制值1‰对应的最不利因素组合。在路涵连接处不设置过渡段结构的前提下,根据最不利因素组合,当涵洞宽度=6 m及涵身高度=5 m时,若某路涵过渡段的覆土厚度大于2.6 m,初步满足轨面弯折角<1‰的规范要求。因此可评价该路涵过渡段的过渡段性能良好。
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