轮-齿啮合牵引下齿轨铁路轨道-路基力学响应研究.pdfVIP

西华大学硕士学位论文

摘要

作为新兴引入的山地轨道交通模式，齿轨铁路以其卓越的地形适应性，为改善我国

山区交通滞后的现状提供了一种有效的解决方案。国内对齿轨铁路的理论研究尚处于初

期阶段，且多对线上结构动力特性进行探讨，针对线下基础力学响应特性的研究却鲜有

涉足。本研究利用有限元分析软件，构建了融合隐式与显式时间积分算法的三维齿轨轮

对-轨道-路基一体化分析模型，通过静态和动态有限元计算，揭示了齿轨列车荷载的传

递扩散规律，以及轨道-路基系统的动力响应特性，并深入探讨了轴重、线路坡度和行

驶速度等参数对齿轨铁路线下基础力学响应的影响。研究得出的主要结论概述如下：

（1）齿轨列车竖向荷载由7根轨枕承担，承担比例依次为2%、8%、21.5%、37%、

21.5%、8%、2%，且轨枕分担比例受坡度和轴重影响较小。传递至路基面的竖向应力以

线路中心为基准沿纵向呈对称分布，扩散范围受坡度轴重影响较小，约为4.34m。路基

面纵向应力随坡度和轴重增加而逐渐偏向于线路中心左侧分布，扩散范围约为3.7m。

（2）无坡度时，路基面竖向应力沿横向呈马鞍型分布，不随轴重变化而改变。有

坡度时，路基面竖向应力沿横向呈抛物线型分布，线路中心应力比超过1，且随坡度和

轴重增加而增加。路基面纵向应力沿横向呈抛物线型分布，几乎不受轴重影响。

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（）路基面横向不同位置竖向应力和纵向应力沿深度衰减趋势一致，受到到坡度

和轴重影响较小。竖向应力传递至路基面下2.7m时，竖向应力衰减超过80%，计算确

3m0.5m80%

定竖向应力的扩散范围为路基面下。纵向应力在路基面下已衰减，最大

1m

传递深度为路基面下。

（4）轮-齿啮合牵引下，路基面竖向应力沿纵向影响范围为4.34m，不受坡度和速

度影响。路基面竖向动应力最大波动幅值和最大竖向动应力随坡度和速度增大而增大，

竖向动应力最大波动幅值在不同坡度和速度工况下的最大值分别为22.37kPa、58.92

kPa，最大竖向动应力分别为47.12kPa、80.11kPa。路基面纵向动应力沿纵向影响范围

为3.8m，受坡度和速度影响较小。路基面纵向动应力最大波动幅值随坡度和速度增大

而增大，最大纵向动应力随速度增大而增大且伴随有一定波动，纵向动应力最大波动幅

5.30kPa23.59kPa

值在不同坡度和速度工况下的最大值分别为、，最大纵向动应力最大

值分别为47.12kPa、83.88kPa。

（5）速度一定，基床表层以上竖向动变形随坡度增加略有降低。坡度一定，20

km/h~40km/h速度下竖向动变形较5km/h速度下更大，但相互之间无明显差异。纵向

动变形时程曲线存在先增后减型、先减后增型以及线性增长型三种发展模式。速度一定，

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轮-齿啮合牵引下齿轨铁路轨道-路基力学响应研究

钢轨、齿轨和道床顶面纵向动变形随坡度增加而增加。坡度一定，不同速度下纵向动变

形发展趋势一致。

（6）速度为5km/h，最大竖向加速度和速度位于钢轨顶面，随坡度增加而增加。

速度提升至20km/h~40km/h，最大竖向加速度和速度出现在齿轨槽顶面，远远大于钢

轨。速度为5km/h，最大纵向加速度和速度位于齿轨槽顶面，加速度随坡度增加而增加，

速度随坡度增加略有减小。速度提升至20km/h~40km/h，最大纵向加速度和速度位于

齿轨槽顶面，随速度增大而显著增长。

关键词：齿轨铁路；线下基础；有限元；数值模拟；荷载传递；力学响应

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