高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)理論研究進(jìn)展

王 平 徐井芒 方嘉晟 陳 嶸

(西南交通大學(xué)， 成都 610031)

隨著高速鐵路技術(shù)的大力發(fā)展，截止2019年底，中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程已達(dá)3.5萬km，占世界高速鐵路總里程的2/3以上，遠(yuǎn)超世界其他國(guó)家總和。目前，鐵路科技工作者們均在將研究重點(diǎn)由建設(shè)向運(yùn)營(yíng)維護(hù)轉(zhuǎn)變，高速鐵路技術(shù)創(chuàng)新的主旨正在由軌道結(jié)構(gòu)、功能的設(shè)計(jì)和建造逐步轉(zhuǎn)向線路運(yùn)營(yíng)的安全保障、品質(zhì)提升、優(yōu)化與維護(hù)[1]。我國(guó)高速鐵路經(jīng)過多年技術(shù)積累與自主創(chuàng)新，已形成了一套涵蓋各領(lǐng)域的高速鐵路產(chǎn)業(yè)體系，但在高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)及維護(hù)方面，還缺乏持續(xù)且卓有成效的基礎(chǔ)理論研究。

在高速鐵路蓬勃發(fā)展的環(huán)境下,如何科學(xué)高效地維護(hù)我國(guó)規(guī)模龐大的運(yùn)營(yíng)線路，實(shí)現(xiàn)高速鐵路在全生命周期內(nèi)的穩(wěn)定、安全運(yùn)營(yíng)，是目前我國(guó)高速鐵路面臨的一個(gè)至關(guān)重要且亟待解決的問題[2]，而探明高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程中動(dòng)態(tài)性能演變及服役安全控制機(jī)制則是解決這一問題的關(guān)鍵。安全是鐵路運(yùn)輸永恒的主題，更是高速鐵路的核心要求。深入研究保障高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)安全服役的關(guān)鍵理論，揭示其長(zhǎng)效工作的科學(xué)規(guī)律，成為確保我國(guó)大規(guī)模高速鐵路路網(wǎng)高效運(yùn)營(yíng)的重大基礎(chǔ)性工作，其迫切性和必要性不言而喻。

1 高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀分析

自1964年世界首條高速鐵路在日本東海道新干線開通以來，高速鐵路技術(shù)已歷經(jīng)了五十多年的發(fā)展，但其運(yùn)營(yíng)安全問題仍未得到全面徹底的解決，危及高速列車運(yùn)行安全的故障和事故在德國(guó)、韓國(guó)、日本等地仍時(shí)有發(fā)生[3]。出現(xiàn)此類問題的原因，除了對(duì)車輛結(jié)構(gòu)關(guān)鍵工程材料失效機(jī)理、高速列車脫軌機(jī)制等問題認(rèn)識(shí)不足之外，未系統(tǒng)研究作為固定設(shè)備之一的高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)服役性能的時(shí)空演變機(jī)制，未深入了解高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)初始損傷演變、動(dòng)態(tài)性能劣化、特殊條件下狀態(tài)突變對(duì)行車安全的影響，以及對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全保障和長(zhǎng)效服役能力關(guān)鍵支撐理論的研究和認(rèn)識(shí)不足，也是極其重要原因[4-5]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果表明，在動(dòng)荷載和環(huán)境因素耦合循環(huán)作用下，高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過程中，其各項(xiàng)構(gòu)成材料(如水泥乳化瀝青砂漿、混凝土等)的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致關(guān)鍵部件出現(xiàn)傷損甚至失效(如軌道板裂紋、水泥乳化瀝青砂漿劣化、扣件折斷、鋼軌波磨等)，而軌道結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件材料初始損傷的動(dòng)態(tài)演化，軌道結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件的持續(xù)劣化以及特殊條件下結(jié)構(gòu)局部狀態(tài)的瞬時(shí)突變等，勢(shì)必會(huì)引起軌道服役狀態(tài)與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的持續(xù)劣化，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)與高速車輛系統(tǒng)不匹配，從而加劇高速鐵路線路服役狀態(tài)的惡化，耐久性和經(jīng)濟(jì)性的明顯降低，同時(shí)影響行車品質(zhì)，甚至留下安全隱患，危及高速列車運(yùn)行安全[6]。

高速鐵路關(guān)鍵的軌道結(jié)構(gòu)如由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿充填層、混凝土支承層等不同材料組成的無砟軌道、線路交叉處軌線連續(xù)性中斷的高速道岔以及跨越不同地區(qū)及不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的無縫線路等，因構(gòu)成材料屬性不同、結(jié)構(gòu)形式迥異、界面?zhèn)鬟f機(jī)制復(fù)雜以及荷載環(huán)境耦合交變等，其動(dòng)態(tài)服役性能的時(shí)空演變機(jī)制與規(guī)律十分復(fù)雜，其劣化與失效模式呈多樣性，是完善高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全技術(shù)體系的主要障礙之一，也是當(dāng)前高速鐵路技術(shù)發(fā)展面臨的國(guó)際性難題。與提速鐵路一樣，仍面臨著環(huán)境與動(dòng)荷載耦合重復(fù)作用下關(guān)鍵工程材料與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的演變機(jī)制，復(fù)雜服役環(huán)境下材料劣化、部件損傷、結(jié)構(gòu)不均勻累積變形機(jī)制，軌道結(jié)構(gòu)服役性能與高速列車-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的相互影響及演化機(jī)制等科學(xué)挑戰(zhàn)[7]。

2 高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論研究

傳統(tǒng)鐵路多采用有砟軌道、有縫線路，列車動(dòng)荷載大、行車平穩(wěn)性差、安全性低、養(yǎng)修工作量大。隨著鐵路運(yùn)輸向高速方向不斷發(fā)展，為保證軌道結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定性，減緩累積變形所致的軌道不平順，散粒體的碎石有砟道床逐步為整體性和穩(wěn)定性良好的混凝土無砟道床所替代；為消除線路縱向的鋼軌接頭以保證行車的平穩(wěn)性，有縫線路逐步發(fā)展為區(qū)段無縫線路、區(qū)間無縫線路以及跨區(qū)間無縫線路[8-11]；為降低線路平面交叉點(diǎn)處輪軌動(dòng)力作用、延長(zhǎng)道岔服役壽命以提高行車的安全性，普通道岔逐步發(fā)展成為提速道岔、高速道岔[12]。因此，線路水平方向上的鐵路道岔、縱向上的無縫線路、豎向上的無砟軌道已成為直接反映一個(gè)國(guó)家高速鐵路整體科技水平的三大關(guān)鍵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)安全、長(zhǎng)效服役的現(xiàn)實(shí)需求，結(jié)合現(xiàn)有的研究積累，從嚴(yán)重影響高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)服役性能的結(jié)構(gòu)失效、材料傷損、軌道平順性和環(huán)境影響四個(gè)方面，圍繞高速鐵路三大關(guān)鍵軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)問題開展相關(guān)研究，技術(shù)路線如圖1所示。

2.1 高速鐵路道岔傷損機(jī)理、服役狀態(tài)評(píng)估理論與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

針對(duì)道岔關(guān)鍵部件(如尖軌、心軌等)在長(zhǎng)期列車、溫度及轉(zhuǎn)換荷載耦合、循環(huán)作用下的動(dòng)態(tài)性能演化規(guī)律、傷損機(jī)理及疲勞破壞問題，建立了可考慮岔區(qū)復(fù)雜輪軌接觸關(guān)系、鋼軌接觸疲勞與磨損關(guān)系、道岔多種軌道不平順、道岔部件實(shí)際組合狀態(tài)、鋼軌件傷損程度的精細(xì)化列車-道岔耦合動(dòng)力學(xué)分析模型與瞬態(tài)接觸模型，如圖2、圖3所示。分析列車過岔時(shí)，輪軌動(dòng)力作用的隨機(jī)分布規(guī)律及輪軌接觸應(yīng)力、蠕滑力波動(dòng)對(duì)鋼軌接觸疲勞及磨損的影響規(guī)律，分析隨通過總重累積軌件接觸疲勞及磨損的發(fā)展規(guī)律。

借助現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和斷裂、疲勞理論，獲取道岔運(yùn)營(yíng)過程中的工作譜，用統(tǒng)計(jì)理論來處理工作譜子樣，編制道岔疲勞載荷譜，建立道岔疲勞累積損傷模型，對(duì)道岔主要部件的受力狀態(tài)和裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行分析，以期估算其裂紋形成及擴(kuò)展壽命，為道岔的服役壽命預(yù)測(cè)、制定合理的道岔檢修周期提供理論依據(jù)。

圖1 技術(shù)路線框圖

圖2 跨尺度耦合動(dòng)力學(xué)模型圖

圖3 瞬態(tài)接觸模型圖

列車-道岔耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)既是列車、道岔服役綜合性能的直觀表現(xiàn)，也是加劇道岔結(jié)構(gòu)服役性能演變的催化劑，二者之間相互影響。因此，應(yīng)研究道岔?yè)p傷及動(dòng)態(tài)性能惡化對(duì)岔區(qū)輪軌關(guān)系、岔區(qū)軌道剛度等軌道性能的影響，繼而研究岔區(qū)輪軌動(dòng)力作用下，輪軌關(guān)系、軌道剛度變化時(shí)，高速列車過岔時(shí)運(yùn)行品質(zhì)及對(duì)道岔結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用的變化規(guī)律。研究提出道岔結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)方法及技術(shù)體系，根據(jù)道岔傷損的發(fā)展規(guī)律，提出不同類型傷損的限值，科學(xué)評(píng)定高速道岔結(jié)構(gòu)運(yùn)用的安全性。

研究提出服役過程中道岔結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)損傷與安全監(jiān)控參數(shù)指標(biāo)，基于用戶平臺(tái)層級(jí)化、岔群監(jiān)測(cè)管理站段化與主機(jī)化、單組道岔監(jiān)測(cè)單元化、各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目模塊化、數(shù)據(jù)處理前端化、軟件硬件化及軟硬件一體化，構(gòu)建高速道岔的安全監(jiān)控系統(tǒng)方案。

2.2 無砟軌道結(jié)構(gòu)及材料傷損機(jī)理、服役狀態(tài)評(píng)估理論與修復(fù)技術(shù)研究

研究提出高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載與溫度力的耦合作用關(guān)系及表征方法，研究軌面?zhèn)麚p、膠墊老化、基礎(chǔ)局部沉陷、關(guān)鍵材料在動(dòng)荷載和溫度長(zhǎng)期作用下的性能劣化等對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)的損傷特性及動(dòng)態(tài)性能演變的影響規(guī)律，建立高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)損傷累積預(yù)測(cè)模型，分析列車荷載和溫度荷載耦合作用下的無砟軌道傷損的發(fā)生、發(fā)展過程；研究裂紋擴(kuò)展速率及影響裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵參數(shù)，研究無砟軌道結(jié)構(gòu)的開裂機(jī)理、開裂過程及破壞形態(tài)[13-14]。

基于損傷力學(xué)及斷裂力學(xué)理論，建立高速車輛與損傷狀態(tài)下的無砟軌道耦合作用模型，研究高速鐵路無砟軌道支承狀態(tài)在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中發(fā)生劣化以后輪軌系統(tǒng)動(dòng)力性能的變化特征，包括鋼軌扣件失效、水泥乳化瀝青砂漿充填層劣化等對(duì)高速輪軌動(dòng)力作用的影響規(guī)律，研究主要軌道結(jié)構(gòu)部件在服役期間不同損傷狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)行為，分析提出結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)方法及技術(shù)體系。根據(jù)無砟軌道傷損發(fā)展規(guī)律，提出無砟軌道不同類型傷損的限值，科學(xué)評(píng)定無砟軌道結(jié)構(gòu)的運(yùn)用安全性。

針對(duì)無砟軌道病害類型多、尺寸小、隱蔽性強(qiáng)等檢測(cè)難題，開展高速鐵路線路多層復(fù)合結(jié)構(gòu)缺陷模型試驗(yàn)，其重復(fù)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。建立無砟軌道典型病害的隨機(jī)介電特性及應(yīng)力波波場(chǎng)傳播模型，開展檢測(cè)特征提取及缺陷識(shí)別研究，研究傳導(dǎo)類及波動(dòng)類無損檢測(cè)方法在無砟軌道檢測(cè)中應(yīng)用的適應(yīng)性，研究典型傷損無砟軌道的修復(fù)材料、修復(fù)方法及修補(bǔ)復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性(如圖5所示)，為提升無砟軌道服役性能提供技術(shù)支撐。

2.3 高速鐵路無縫線路狀態(tài)演變機(jī)理、服役狀態(tài)評(píng)估理論與診控技術(shù)研究

考慮支座摩阻力、樁-土非線性作用、加載歷史引起的扣件塑性變形以及端刺和摩擦板的非線性剛度，建立無縫線路與多跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)梁橋相互作用的軌-枕(軌排)-梁-墩一體化計(jì)算模型，如圖5、圖6所示。研究軌道結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)演變對(duì)梁軌系統(tǒng)受力特性的影響，提出典型地區(qū)多跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)梁橋極限溫度跨度、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置條件和方法以及橋梁墩臺(tái)縱向剛度限值。

圖4 重復(fù)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖5 軌-枕(框架)-梁-墩一體化計(jì)算模型主視圖

圖6 軌-枕(框架)-梁-墩一體化計(jì)算模型Ⅰ-Ⅰ斷面圖

建立復(fù)雜條件下路基或橋上無縫道岔狀態(tài)演變預(yù)測(cè)模型，構(gòu)建考慮溫度循環(huán)變化條件下的無縫道岔結(jié)構(gòu)受力與變形的求解方法，探究路基/橋上無縫道岔服役狀態(tài)對(duì)行車安全性和平穩(wěn)性的影響規(guī)律，提出其各項(xiàng)性能劣化指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及允許限值[15]。

運(yùn)用輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)分析方法和結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠度理論，建立考慮溫度荷載作用的車輛與不同軌道結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)的計(jì)算模型，揭示高速鐵路不同軌道結(jié)構(gòu)無縫線路長(zhǎng)鋼軌橫向、豎向變形機(jī)理及演化規(guī)律，提出相應(yīng)的長(zhǎng)鋼軌橫向、豎向變形評(píng)判指標(biāo)及允許限值，研究在各種隨機(jī)因素作用下，不同鋼軌溫升幅度所對(duì)應(yīng)的無縫線路長(zhǎng)鋼軌橫向、豎向變形規(guī)律，提出控制無縫線路長(zhǎng)鋼軌橫向、豎向變形的有效方法。

2.4 高速鐵路軌道不平順狀態(tài)演化機(jī)理、評(píng)價(jià)理論與高效檢測(cè)技術(shù)研究

研究高速行車條件下鋼軌表面短波不平順引起的輪軌動(dòng)力響應(yīng)特征及其演化規(guī)律，研究高速列車動(dòng)荷載反復(fù)作用下軌道結(jié)構(gòu)傷損與軌道不平順累積變化機(jī)制，確立動(dòng)荷載作用與線路幾何狀態(tài)演化之關(guān)系，根據(jù)實(shí)際軌道不平順變化規(guī)律及其綜合影響因素，研究建立軌道幾何狀態(tài)演變模型，預(yù)測(cè)軌道不平順的變化規(guī)律[16]。

研究我國(guó)高速鐵路軌道不平順檢測(cè)數(shù)據(jù)基本特性，分析關(guān)鍵點(diǎn)局部軌道不平順特征及其描述方法，分析單元軌道不平順譜的概率分布特征及時(shí)頻域特征，提出高速鐵路軌道不平順的評(píng)價(jià)方法，如軌道質(zhì)量指數(shù)、軌道譜、三維譜、車體響應(yīng)譜法等，研究高速鐵路運(yùn)營(yíng)過程中軌道幾何不平順變化對(duì)高速列車運(yùn)行安全性和乘車舒適性的影響規(guī)律，提出相應(yīng)的幅值控制準(zhǔn)則，研究鋼軌表面局部幾何狀態(tài)惡化對(duì)輪軌動(dòng)力作用及高速行車品質(zhì)的影響，提出相應(yīng)的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)建議。

建立了精細(xì)化的車輛-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型，結(jié)合虛擬軌檢理論，對(duì)大跨度橋梁軌道幾何形位進(jìn)行虛擬檢測(cè)，如圖7～圖9所示。研究軌道剛度限值及變化率對(duì)輪軌動(dòng)力行為的影響，提出其控制指標(biāo)；研究寬頻動(dòng)剛度反演的軌道剛度綜合評(píng)價(jià)體系，建立軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析模型及評(píng)判機(jī)制；研究扣件動(dòng)剛度與鋼軌振動(dòng)模態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，揭示非均勻支撐剛度影響結(jié)構(gòu)模態(tài)的機(jī)理；研究鋼軌振動(dòng)的縱向及豎向傳遞規(guī)律，提出鋼軌激振點(diǎn)及傳感器布置方法；研究鋼軌人工激振檢測(cè)軌道動(dòng)剛度的方法，研究基于檢測(cè)信息的軌道剛度反演求解理論與方法，實(shí)現(xiàn)軌道動(dòng)剛度的在線檢測(cè)。

圖7 慣性基準(zhǔn)法原理圖

圖8 軌道高低不平順圖

圖9 動(dòng)靜態(tài)高低不平順軌道譜對(duì)比圖

2.5 高速鐵路軌道部件高頻振動(dòng)特性及共振疲勞研究

輪軌高頻激振力會(huì)激起輪軸的高頻彎曲和車輪節(jié)徑、扇形模態(tài)等高頻柔性變形，同時(shí)輪對(duì)的高速旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和慣性效應(yīng)還會(huì)影響輪軌相互作用和輪軌滾動(dòng)接觸行為，需發(fā)展能考慮輪軌結(jié)構(gòu)高頻柔性變形的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)，甚至是多柔性或多彈性體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，從而得到列車系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)及橋隧等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在時(shí)域、頻域內(nèi)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并根據(jù)相應(yīng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)來判定列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，軌道結(jié)構(gòu)的承載能力、變形特性、荷載傳遞特性以及輪軌系統(tǒng)各部件的疲勞特性、使用可靠性等，為確保列車安全、平穩(wěn)以規(guī)定速度不間斷運(yùn)行提供理論支撐[17]。

列車高速運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致軌道不平順激振頻率提高，由低頻段逐漸拓寬到中高頻段，外部激擾頻率增大至接近或超過輪軌系統(tǒng)固有頻率時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生諧振或局部共振(或顫振)。一方面導(dǎo)致鋼軌波磨和車輪多邊形磨損朝著與共振頻率相對(duì)應(yīng)的固定波長(zhǎng)發(fā)展，另一方面加劇輪軌系統(tǒng)各部件的振動(dòng)及疲勞傷損，大幅降低這些關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和服役壽命。因此需探究輪軌系統(tǒng)共振對(duì)鋼軌波磨、車輪多邊形發(fā)展及部件疲勞損傷的影響機(jī)制。

過去，在車輛軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，一般只注意其強(qiáng)度和可靠性問題，很少關(guān)注輪軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身的高頻振動(dòng)特性[18-19]，在某些條件下被激發(fā)出來后，可能會(huì)導(dǎo)致難以預(yù)測(cè)的輪軌傷損，如車輪多邊形和高速鐵路鋼軌短波長(zhǎng)波磨問題。因此，需要從控制高頻振動(dòng)的激勵(lì)源、減緩高頻振動(dòng)向探究列車及軌道結(jié)構(gòu)傳遞、優(yōu)化列車及軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避開共振模態(tài)等途徑來綜合調(diào)控輪軌系統(tǒng)的高頻振動(dòng)及其影響。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)線型，可提高彈條的固有頻率并延長(zhǎng)其疲勞壽命。優(yōu)化前后彈條的性能參數(shù)對(duì)比如圖10～圖12所示。

圖10 彈條加速度頻響函數(shù)圖

圖11 彈條振動(dòng)加速度時(shí)域?qū)Ρ葓D

2.6 高速鐵路輪軌振動(dòng)與噪聲預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)理論與控制技術(shù)研究

建立高速列車與不同狀態(tài)下無砟軌道、高速列車與不同狀態(tài)下道岔系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相互作用模型，研究軌道幾何狀態(tài)演化、軌道結(jié)構(gòu)傷損及性能劣化等實(shí)際演化因素對(duì)高速行車安全性與旅客乘坐舒適性的影響規(guī)律，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)服役性能演化的影響規(guī)律，繼而提出確保高速列車安全、平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)的軌道結(jié)構(gòu)性能演變與狀態(tài)控制準(zhǔn)則和方法，完善高速鐵路運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)和保障體系[20]。

圖12 彈條振動(dòng)加速度頻域?qū)Ρ葓D

建立列車、軌道(道岔)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(橋梁、隧道、路基等)大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型，研究不同軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)及軌道不平順對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響、不同基礎(chǔ)及其過渡結(jié)構(gòu)對(duì)軌道動(dòng)態(tài)性能演化的影響以及對(duì)行車品質(zhì)的影響規(guī)律，研究輪軌振動(dòng)向基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的傳遞規(guī)律(無砟軌道振動(dòng)傳遞特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖13所示)，從確保行車安全性及乘客舒適性角度，提出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)變形及動(dòng)強(qiáng)度等控制指標(biāo)與限值[21]。

圖13 無砟軌道振動(dòng)傳遞特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

建立高速鐵路輪軌系統(tǒng)幅頻交變動(dòng)力學(xué)模型，基于分段線性化的虛擬激勵(lì)求解方法，研究減振材料性能隨振幅、頻率、環(huán)境溫度而衰減、地質(zhì)條件與建筑環(huán)境變化、軌道不平順及軌道結(jié)構(gòu)損傷等因素對(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)、噪聲產(chǎn)生及傳播規(guī)律的影響(如圖14、圖15所示)，研究輪軌共振對(duì)鋼軌波磨、輪軌沖擊對(duì)鋼軌傷損的影響，提出高速鐵路輪軌系統(tǒng)振動(dòng)及噪聲水平預(yù)測(cè)與評(píng)估方法。

圖14 垂向彎曲波傳遞系數(shù)圖

圖15 橫向彎曲波/扭轉(zhuǎn)波傳遞系數(shù)圖

深入探索高速鐵路輪軌系統(tǒng)減振、隔振、吸振、消振機(jī)理，基于高速鐵路輪軌系統(tǒng)振動(dòng)及噪聲控制指標(biāo)及限值，提出適合于高速鐵路軌道高平順性要求的吸振、吸聲策略，研發(fā)吸振鋼軌、吸振無砟軌道板、吸音覆蓋板等新型減振降噪軌道結(jié)構(gòu)，并細(xì)致探討各種減振降噪技術(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)自身服役性能的影響，形成符合高速鐵路線路運(yùn)營(yíng)安全要求的軌道結(jié)構(gòu)減振降噪技術(shù)體系。

3 高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)安全服役性能研究關(guān)鍵科學(xué)問題

針對(duì)高速鐵路軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能演變及服役安全研究，筆者提出以下關(guān)鍵科學(xué)問題，擬通過探明復(fù)雜環(huán)境因素與動(dòng)荷載耦合作用下關(guān)鍵工程材料與高速道岔、無砟軌道、無縫線路等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能演化規(guī)律，掌握高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)累積變形及軌道幾何不平順的演化規(guī)律，揭示高速車輛與固定軌道系統(tǒng)及其下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)間的動(dòng)態(tài)相互作用演變機(jī)制，推動(dòng)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)管理與維護(hù)技術(shù)變革。

3.1 揭示環(huán)境與動(dòng)荷載耦合重復(fù)作用下軌道關(guān)鍵工程材料與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的演變機(jī)制

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的水泥乳化瀝青砂漿、現(xiàn)澆混凝土和蒸養(yǎng)混凝土等關(guān)鍵材料均屬于水泥基復(fù)合材料，其成分較為復(fù)雜，同時(shí)具有多孔性、勻質(zhì)性差、極限應(yīng)變小等特點(diǎn)。在列車動(dòng)荷載循環(huán)作用下，該類材料內(nèi)部的界面區(qū)和孔縫會(huì)逐漸演變，微空洞、微裂隙等傷損的產(chǎn)生和演變會(huì)軟化結(jié)構(gòu)材料，從而劣化結(jié)構(gòu)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。此外，該類材料親水性較強(qiáng)，在軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役過程中，外界水分會(huì)滲透進(jìn)入內(nèi)部孔縫中，可能導(dǎo)致水泥基復(fù)合材料長(zhǎng)期處于含水狀態(tài)條件下，并同時(shí)承受列車動(dòng)荷載作用，因此需考慮材料含水量對(duì)孔縫演化的影響。需要解決以下兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是動(dòng)荷載作用下水泥基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能本構(gòu)關(guān)系和材料破壞臨界值的確定；二是在列車動(dòng)荷載與溫度、水等環(huán)境因素耦合重復(fù)作用下，水泥基復(fù)合材料性能的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變和劣化行為。

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的另一類關(guān)鍵工程材料為制作車輪與鋼軌的金屬材料。在高速運(yùn)行條件下，輪軌材料服役時(shí)存在交變的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力、濕空氣和氫環(huán)境以及接觸表面的“第三介質(zhì)”。另外，服役時(shí)輪軌表層由珠光體變?yōu)轳R氏體會(huì)使失效加速。因此，需要解決多場(chǎng)耦合下輪軌磨損疲勞機(jī)制以及低接觸應(yīng)力、低磨耗、良好曲線通過性能和高蛇行失穩(wěn)臨界速度等條件的最優(yōu)綜合控制等關(guān)鍵問題。

對(duì)于高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)而言，其構(gòu)成材料性能的劣化勢(shì)必會(huì)弱化相應(yīng)結(jié)構(gòu)或部件的動(dòng)態(tài)性能，而軌道結(jié)構(gòu)在宏觀上服役性能的動(dòng)態(tài)演變不單是材料微觀層面演化的簡(jiǎn)單線性疊加，還與軌道結(jié)構(gòu)形式及其組合方式、外界荷載特性等因素密切相關(guān)。因此，由于結(jié)構(gòu)的多尺度效應(yīng)，即使獲得了其組成材料的性能劣化規(guī)律，還不能直接由此獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能演變規(guī)律。為了能由定性到定量地具體表征高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能演化機(jī)制，至少需要從軌道結(jié)構(gòu)層面上開展相關(guān)研究，因此需要解決高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載與溫度荷載的耦合作用機(jī)制、無砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能演化及失效機(jī)理等關(guān)鍵問題。

3.2 探明復(fù)雜服役環(huán)境下軌道材料劣化、部件損傷、結(jié)構(gòu)不均勻累積變形與軌道幾何狀態(tài)演變機(jī)制

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的服役環(huán)境下，其材料會(huì)不斷劣化，部件結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能也會(huì)不斷演化，在長(zhǎng)時(shí)間的疲勞荷載累積作用或偶然荷載作用下會(huì)發(fā)生部件的損傷，這種累積變形和傷損，都會(huì)以某種方式、從不同程度表現(xiàn)為軌面動(dòng)靜態(tài)的幾何形態(tài)變化，從而進(jìn)一步增大輪軌系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)又影響軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的演變。研究高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)及材料性能劣化、部件損傷、結(jié)構(gòu)累積變形與軌面動(dòng)靜態(tài)幾何形態(tài)之間的演化與映射關(guān)系需要解決以下關(guān)鍵問題：(1)列車動(dòng)荷載和環(huán)境荷載反復(fù)耦合，軌道結(jié)構(gòu)多尺度累積損傷機(jī)理及對(duì)軌道動(dòng)靜態(tài)不平順的作用機(jī)制；(2)豎向多層、縱向異性的高速鐵路軌道多層結(jié)構(gòu)之間幾何形態(tài)、動(dòng)態(tài)服役性能的交互協(xié)調(diào)與影響機(jī)制；(3)高速鐵路軌道及基礎(chǔ)各層結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)空演化特征、結(jié)構(gòu)狀態(tài)協(xié)調(diào)變形以及長(zhǎng)期變形傳遞機(jī)制[22]。

3.3 軌道結(jié)構(gòu)服役性能與高速列車-軌道結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的相互影響及演化機(jī)制

高速鐵路服役過程中，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵材料劣化、部件傷損以及軌道結(jié)構(gòu)不均勻變形等持續(xù)變化，將使列車、軌道、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題復(fù)雜多變，甚至隨著損傷程度的加深，還有可能改變?cè)搫?dòng)力系統(tǒng)的耦合作用關(guān)系，加劇工程材料、關(guān)鍵部件和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的性能劣化甚至失效，除此之外，還會(huì)促使軌道不平順發(fā)生演變與惡化。作為車輛-軌道耦合大系統(tǒng)的主要激擾源，軌道不平順惡化會(huì)明顯加劇系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用，從而加速關(guān)鍵部件、工程材料的劣化進(jìn)程以及軌道結(jié)構(gòu)累積變形的持續(xù)增長(zhǎng)。要準(zhǔn)確分析、把握這種相互作用機(jī)制需要解決以下關(guān)鍵問題：(1)不同服役條件下高速列車與軌道結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力分析理論與方法；(2)軌道結(jié)構(gòu)服役性能劣化對(duì)層間及承載基礎(chǔ)層耦合作用機(jī)制的影響及動(dòng)力響應(yīng)傳遞與衰減規(guī)律等。

4 結(jié)束語

本文以國(guó)家交通發(fā)展戰(zhàn)略的重大需求和相關(guān)學(xué)科前沿為導(dǎo)向，以高速道岔、無砟軌道、無縫線路三大關(guān)鍵軌道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，圍繞復(fù)雜環(huán)境因素與動(dòng)荷載耦合、重復(fù)作用下工程結(jié)構(gòu)與材料動(dòng)態(tài)性能演化、高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)損傷及累積變形、高速車輛系統(tǒng)與固定軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)相互作用演變機(jī)制等關(guān)鍵問題，采用理論分析、數(shù)值仿真、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等多種研究方法，開展其動(dòng)態(tài)性能演變及服役安全基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)方面的研究，探明軌道結(jié)構(gòu)在復(fù)雜條件下的動(dòng)態(tài)性能演化規(guī)律、累積損傷變形與軌道不平順的演變機(jī)制以及對(duì)輪軌系統(tǒng)的動(dòng)力相互作用規(guī)律，提出關(guān)鍵工程結(jié)構(gòu)及材料服役性能評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)方法，研發(fā)軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)檢測(cè)及監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出軌道結(jié)構(gòu)維修控制策略和方法，為我國(guó)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)服役安全與高效維護(hù)提供了基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)支撐。