引用本文
高亮, 赵闻强, 钟阳龙, 马超智, 殷浩. 轨道工程精细-均衡分析理论初探[J]. 北京交通大学学报, 2020,44(1): 1-11.
GAO Liang, ZHAO Wenqiang, ZHONG Yanglong, MA Chaozhi, YIN Hao. Preliminary study on Detailed & Equilibrium analysis theory in railway projects[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2020,44(1): 1-11.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.20190128  
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轨道工程精细-均衡分析理论初探
高亮, 赵闻强, 钟阳龙, 马超智, 殷浩
北京交通大学 轨道工程北京市重点实验室,北京 100044

第一作者:高亮(1968—),男,山东滕州人,教授,博士,博士生导师.研究方向为轨道工程与工务管理.email:lgao@bjtu.edu.cn.

收稿日期: 2019-11-15
基金: 国家重点研发计划(2017YFB1201104); 国家自然科学基金(51827813,U1734206); 中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2017G010-A); 天津市科技计划项目(17ZXGDGX00030)
摘要

铁路高安全、高平顺、高稳定的发展趋势对轨道工程提出了新的需求,仅靠单一强度变形指标控制已无法满足其全寿命周期稳定服役的需要,亟需更具系统性、适应性及协调性的理论对其设计、施工及运营进行指导.归纳总结了轨道工程在建设及服役过程中的共性问题,初步提出轨道工程在精细化设计的基础上应遵循均衡设计的理念,并系统梳理了轨道工程中符合该理念的工程实例.在剖析精细化和均衡性内涵的基础上,综合了全寿命周期服役参数分析、结构精细化建模、参数影响规律分析等内容,并引入了广义系统能构造均衡性评估方法,建立了一套适用于轨道工程的精细-均衡分析理论.综合来看,目前轨道工程在设计、服役时较少考虑全寿命周期下的结构整体均衡,所提出的精细-均衡分析理论将具有广阔的研究前景.

关键词: 轨道工程; 协调; 精细-均衡分析理论; 全寿命周期; 能量分析; 服役性能评估; 结构优化
中图分类号:U211.5;TP212 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2020)01-0001-011
Preliminary study on Detailed & Equilibrium analysis theory in railway projects
GAO Liang, ZHAO Wenqiang, ZHONG Yanglong, MA Chaozhi, YIN Hao
Beijing Key Laboratory of Track Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
Fund:National Key R&D Plan(2017YFB1201104); National Natural Science Foundation of China(51827813,U1734206); Science and Technology Research and Development Program of China Railway Corporation (2017G010-A); Tianjin of Science and Technology Project (17ZXGDGX00030)
Abstract

The continuous development of railway in high safety, high smoothness and high stability has put forward a new demand for track engineering, and using strength and deformation as the only controlling indexes would no longer satisfy the needs of stable service of the structure in the whole life cycle. It is urgent to have more systematic, adaptive and coordinated theories to guide its design, construction and operation.In this paper, the common problems in the construction and service of railway projects are summarized, and it is proposed that the Detailed & Equilibrium theory should be adopted in track engineering, then the engineering projects adopting Detailed & Equilibrium theory is systematically demonstrated. The definition and requirements of Detailed and Equilibrium in the theory are analyzed. A Detailed & Equilibrium analysis theory for track engineering is developed,and the theory includes service parameter analysis of whole life cycle,structure detailed modeling, analysis of parameter influence and other contents.Besides,the concept of generalized system energy is introduced to evaluate the structural equilibrium. To sum up, in the current designing and operating of track engineering, the equilibrium of structure in the whole life cycle is hardly considered, so the Detailed & Equilibrium analysis theory for track engineering proposed in this paper is prospective in future research.

Keyword: track engineering; coordination; detailed & equilibrium analysis theory; whole life cycle; energy analysis; service performance evaluation; structure optimization

作为铁路基础设施重要组成部分, 轨道结构性能与状况[1]直接决定了列车是否能够安全、平稳运行.自铁路诞生两百多年来, 轨道工程一直朝着强化自身结构、提供更平顺及更稳定承载能力的目标发展, 以适应更高速度、更大轴重下线路安全运营的要求[2].

轨道工程自身结构组成复杂, 并在服役过程中承受各类外部荷载, 同时还存在和上部走行车辆、下部基础间的相互作用.这些因素都使得轨道工程整体更具复杂性、系统性[3].在铁路高安全、高平顺的运营要求下, 轨道工程这种复杂结构的精细化设计已是当前发展的必然趋势[4, 5].但目前轨道工程在设计方法上并未超脱由极限状态法和容许应力法构成的强度设计范畴[6], 对结构整体设计、施工、维护的系统性关注不够, 尽管能满足基本的强度变形要求, 但轨道结构整体不均衡的应力状态、不协调的变形条件仍会给轨道工程长期服役性能造成影响[7], 大大降低其使用寿命, 甚至影响列车运行安全.在高速铁路、城市轨道交通线路上出现的一些群发性病害, 也说明了轨道结构未能在长期状态下保持与服役环境的和谐相处, 需要寻求更系统、更合理的理论指导轨道全寿命周期下的设计、施工、养护维修.

保持轨道结构部件及整体服役状态, 除了从细观角度关注结构部件的“ 精细化” 设计, 还需从宏观角度关注整体结构与服役环境的协调及平衡[8], 即追求轨道工程的整体“ 均衡” 设计.轨道工程的均衡, 体现在全寿命周期内自身结构间的和谐匹配、“ 张弛有度” , 以及与外部服役环境的协调适应, 这也与轨道工程的发展目标相一致.

复杂的外部自然环境、特殊的自身结构性质、与周边结构的相互作用等问题也为轨道工程长期安全可靠服役带来了更大的挑战.基于此, 本文作者提出了轨道工程精细-均衡分析理论, 不仅在服役因素、理论模型等方面考虑得更为精细, 同时也在原有力学指标的基础上提出了更高层次的均衡性要求, 更有助于实现轨道工程的全寿命周期管理.

1 轨道工程面临的共性问题

为建立轨道工程精细-均衡理论体系, 首先需要明确轨道工程设计、建造及服役过程中所面临的各类共性问题及关键影响因素.

1.1 外部自然环境问题

轨道工程暴露在自然环境中, 直接受到水文地质条件、气候及极端自然灾害等条件影响.产生如湿陷性黄土[9, 10]、季节性冻土区[11]等不良地质条件为轨道工程带来的基础变形问题[12, 13], 富水地区引起轨道基础承载削弱、基底翻浆冒泥[14]等病害(见图1); 复杂温度条件造成轨道结构大温度应力[15]及温度梯度问题[16, 17](见图2), 雨水侵入结构内部粉化冲蚀[14]、冻融[18]等引起结构变形等问题; 寒潮[19]、地震、泥石流等其他极端恶劣气候及强烈地质灾害对轨道结构产生的破坏[20].这些外部环境的复杂性, 给轨道工程的建造与安全运营带来了挑战.

图1 雨水侵入有砟道床产生翻浆冒泥Fig.1 Mud-pumping caused by water intrusion in ballast track

图2 温度力过大导致的无缝线路断轨病害Fig.2 Broken Continuously Welded Rail (CWR) caused by excessive thermal tensile stress

1.2 自身结构复杂性问题

1.2.1 多种结构、材料的复合协调问题

轨道工程自身是一个竖向多层、纵向异性的带状结构体系, 仅以我国高速铁路无砟轨道结构为例, 其主体由钢轨、扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层(CA砂浆)/自密实混凝土充填层、支承层等组成, 还配有传力杆、隔离层、凹槽等细部结构, 具有结构多层、材料复杂的自身工程性质.各材料、结构间的协调配合工作, 是轨道工程提供承载能力的基础.

1.2.2 自身结构、材料的经时劣化问题

轨道工程作为典型的土工结构, 其材料、结构的服役性能随着时间的增长动态变化[21], 即轨道工程自身材料、结构的性能随时间劣化不可避免.这种劣化不仅是结构性能的长期劣化, 还包括在特殊情况下的局部瞬时突变.从影响机制上看, 结构材料及部件的细部状态劣化必然导致整体系统性能的劣化, 而整体系统性能劣化导致的动态冲击增大等问题又可能进一步加剧细部结构材料的损伤[22], 从而减少了轨道结构的工程寿命.

1.3 与周边结构的相互作用问题

轨道工程与周边结构存在多种相互作用问题, 如轨道与上下结构的连接问题:轨道工程主要是为上部车辆提供一个平稳安全的运营条件, 须考虑轨道与上部车辆走行部的匹配性问题; 轨道下部存在路基、桥梁、隧道等不同下部基础结构, 与复杂下部基础的适应性问题不可忽略[23]; 另外, 轨道工程是典型的带状结构, 其纵向沿线路不断延伸, 其分布在空间上呈现出典型的各向异性, 如在多条线路交汇处出现的道岔区、不同下部基础过渡段以及曲线地段出现的线路平纵断面差异[24]等, 都对结构性能提出了更多的要求; 此外, 轨道结构设计时还需要考虑排水、信号等繁杂的接口设计[25, 26].

由上述分析可知, 自然环境、自身结构性质及与周边结构相互作用导致的问题极为复杂, 多方面作用的结果最终在微观及宏观上表现为轨道工程与服役环境的矛盾激化.细微的变化、微小的设计偏差都可能导致结构服役性能劣化、恶化, 产生均衡性问题, 影响轨道工程的长期安全稳定服役.在线路高安全、高平顺运营要求背景下, 为保证轨道工程与复杂服役环境的适应性, 必须在精细化的基础上追求结构的细部及整体均衡设计.精细化与均衡性二者缺一不可, 采用精细-均衡的理念是必然的.

2 轨道工程现存的精细-均衡理念

对轨道工程, 精细化已被研究人员认可并在实际工程中进行了广泛应用; 而在均衡性方面, 实践中已经有部分案例不自觉地使用了该理念来应对各类结构或服役环境引发的问题.

2.1 无缝线路方面

为解决无缝线路与外部复杂气候环境的适应性问题及与下部复杂基础的协调性问题, 现行的无缝线路设计方案已采用了类似精细-均衡的理念进行设计.以高速铁路长大桥上无砟轨道铺设无缝线路为例[27], 为克服温度效应引起的梁-轨相互作用复杂、桥梁伸缩挠曲变形大等问题, 研究人员从改善轨道与长大桥梁的适应性入手[28], 采用减小梁-轨间相互作用[29, 30, 31]的方式实现整体系统均衡受力.通过对梁-轨相互作用的精细模拟与分析, 采用小阻力扣件和“ 两布一膜” 滑动层等无缝线路设计方案, 既能为无缝线路提供一定的约束力, 又不致梁-轨相互作用过大, 有效解决了长大桥梁无砟轨道无缝线路在复杂温度环境下与下部基础的协调问题, 也体现了精细-均衡理念中对“ 度” 的把握.

同样, 精细-均衡理念也体现在无缝道岔的结构设计中.无缝道岔是跨区间无缝线路的关键技术, 由于道岔前端和后端的轨条数量不同, 其温度力的不平衡和位移的改变直接影响高速道岔的安全使用.为避免过大的温度力及相对变形, 避免结构失稳、强度破坏、转换卡阻等安全问题, 大号码无缝道岔采用了尖轨及其跟部基本轨处设置限位器的结构.限位器由子母块结构组成, 子母块间存在一定间隙, 见图3.当温度力较大时, 既可以通过一定的伸缩降低温度力来保持结构的强度及稳定性, 又可以避免位移过大影响道岔结构的平顺性[32].这种更为均衡的设计, 大大提高了道岔对复杂气候的适应性, 彻底解决了道岔无缝化的技术瓶颈, 保障了高速铁路的高平顺性.

图3 无缝道岔限位器子母块结构Fig.3 Child-mother structure of restrainer in seamless turnout

2.2 无砟轨道方面

无砟轨道利用混凝土等水泥基材代替了碎石道砟, 具备了更强的稳定性, 但在服役过程中与外部复杂气候条件(尤其是温度)的适应性以及与复杂下部基础(路、桥、隧)的协调性问题更为突出.

围绕结构与复杂温度环境的适应性问题, 目前无砟轨道开展了许多针对性的设计, 尤其在结构精细化设计方面做了大量工作, 同时部分设计也与均衡的理念不谋而合.如在我国研发具有自主知识产权的CRTSⅢ 型板式无砟轨道, 选择在底座上方铺设如图4所示的土工隔离层, 改变了上下结构间的“ 硬性” 黏结, 既对结构的温度梯度效应有一定的放散作用, 又减少了因层间结构应力过大导致的损伤破坏, 也易于维修, 增强了整体结构的协调性[33, 34]; 同样地, 考虑到无砟轨道底座温度效应较轨道板低, CRTSⅢ 型板式无砟轨道在设计时选择了轨道板单元, 底座则按一定长度纵连的结构形式, 既保证了结构的稳定性, 又能够适应复杂温度环境, 体现了对“ 度” 的把握, 保证了无砟轨道整体在复杂温度下的均衡稳定[35].

图4 CRTSⅢ 型板式无砟轨道设置隔离层Fig.4 Isolation layer in CRTSⅢ slab track

在实际工程中也有未遵循精细-均衡分析理念的案例.如在无砟轨道应用之初, CRTSⅡ 型板式无砟轨道采用了板间相互纵连成整体的全纵连结构.在夏季持续高温下, CRTSⅡ 型板式无砟轨道内部温度力无法得到释放, 并集中在结构薄弱或突变位置, 破坏了结构受力的均衡性, 最终轨道整体出现受压并随之拱起, 如图5所示.轨道板上拱病害严重影响了高铁线路的安全平稳运营, 部分线路不得不进行限速处理[36].

图5 温度等多方面因素作用下纵连式轨道结构发生上拱病害Fig.5 Buckling disease of longitudinal slab track caused by temperature and multiple factors

目前针对轨道板上拱问题, 主要采用植筋[37]、注浆[38]等维护措施, 旨在加强轨道板垂向上的约束, 但这类“ 捆绑” 式的维护方式, 是以“ 堵” 为主, 而不是以“ 疏” 和“ 堵” 相结合的均衡处理, 对整体结构长期稳定性的影响还有待商榷[39, 40].

2.3 有砟轨道方面

有砟轨道是由道砟组成的散体结构, 在服役过程中, 有砟轨道主要应关注结构自身均衡性问题以及与周边结构(下部基础)的适应性问题.如车辆等动载作用下, 有砟道床的道砟颗粒间相互错动挤压, 道砟破碎粉化现象时有发生[41].这种现象在桥上、隧道内及过渡段更易出现, 路桥、桥隧过渡段的刚度改变, 桥梁本身基础刚度的增大以及道砟颗粒与基础的刚性接触等都使得道砟破碎、粉化现象更为显著, 最终反映为道床的整体劣化和车辆运行品质下降, 形成恶性循环.为解决这一问题, 研究人员在道床内引入包括道砟垫、聚氨酯道床等结构以提高弹性[42], 在有砟道床结构内部缓和了颗粒间的相互作用, 外部减小了道床与下部基础间的刚度差异及刚性接触[43], 提高了道床与基础间的协调性[44, 45], 最终达到有砟轨道整体在复杂服役环境中的受力均衡.

2.4 轮轨关系方面

轮轨关系, 又称轮轨动态接触关系.它反映了车轮与钢轨之间的动力相互作用, 是车辆-轨道耦合动力学研究的核心问题[46, 47].若轮轨关系在实际中得不到一个较为合理的匹配, 将导致车轮/钢轨异常磨耗、使用寿命降低, 严重时还易导致安全事故[48].

为解决轨道工程与上部车辆间的匹配问题, 研究者在轮轨硬度、廓形等匹配问题[49, 50]上进行了大量的研究.如在我国重载铁路运营早期, 为改善钢轨磨耗问题, 增强了轨头硬度[51, 52], 但过高钢轨硬度又导致了严重的车轮凹磨[53].

研究表明, 当轮轨硬度比过小时, 即车轮硬度较低、钢轨硬度较高时, 车轮易出现较为严重的凹磨或多边形病害, 钢轨更易倾向于接触疲劳损伤, 表现为鱼鳞纹、擦伤等伤损形式, 影响列车运行安全[54].当轮轨硬度比过高时, 即车轮硬度较高、钢轨硬度较低时, 车轮会出现剥离等伤损形式[55], 而钢轨倾向表现为侧磨或波磨.良好的轮轨硬度匹配是在磨耗和接触疲劳伤损之间找到一个均衡的“ 度” [56], 使其自身更好地适应运营环境, 这也与均衡理念所提倡的做法相吻合.

同样的问题也出现在轮轨的型面匹配中.如在实际工程中, 通过等效锥度等指标[57]调整廓形.但等效锥度调整得过大时, 钢轨光带变宽, 构架横向加速度报警[58, 59], 而等效锥度调整得过小后又带来车体横向加速度报警、钢轨光带过小等问题, 见图6.因此, 廓形匹配也同样需遵循一个合适的“ 度” , 保证轮与轨在接触状态上的平衡, 过大或过小的调整都会造成不良的匹配关系[60].

图6 轮轨等效锥度过大过小可能导致的不均衡问题Fig.6 Possible disequilibrium caused by over large/small equivalent conicity

2.5 轨道减振降噪方面

列车运行时, 轮轨间的刚性滚动接触势必将产生较大的振动与噪声并通过轨道结构传递至周围环境中, 为铁路带来减振降噪问题.

目前, 从轨道结构自身角度开展减振设计已成为主流减振手段之一.在实际工程中, 逐渐发展出阻尼钢轨、静音钢轨、减振扣件[61]、减振垫、钢弹簧浮置板等多种类型的减振轨道.但部分工程对均衡思想下的减振设计考虑不周, 反而给轨道工程带来新的问题.如部分线路为了减振, 过多采用降低扣件刚度的方式, 导致整体系统刚度匹配不合理, 且自身固有振动特性[62]也发生了改变, 从而造成线路出现了不同程度的异常波磨[63], 车辆行经波磨区段后出现异常振动、啸叫, 反而恶化了运营环境.调和扣件减振性能和轨道整体服役性能之间的矛盾, 把握两者的平衡, 是本文所提出的精细-均衡理念所重点关注的问题.

综上所述, 在轨道工程的现场实践中, 精细化已为大家所接受并广泛采用; 在均衡分析方面, 已有许多案例有意识或无意识地应用了该理念去解决各类服役问题, 并取得了良好的效果.现场的经验及教训也表明, 解决问题时忽视系统内各因素的均衡性, 仅采用“ 头痛医头” 策略或机理不清的条件下开展盲目设计与维修, 反而会为整体系统引入新的问题.未来轨道工程的发展, 必须在精细化设计的基础上追求系统的均衡性.

3 精细-均衡分析理论的具体内涵

对未来的轨道工程, 要保证轨道工程全寿命周期下长期稳定的服役性能, 需要一个更为科学、系统的分析理论, 加大轨道工程精细-均衡理论的研究具有重要的理论及现实意义.

将精细均衡的理念转变为具体的轨道工程精细-均衡分析理论, 首先需要明确“ 精细化” 与“ 均衡性” 的涵义.

3.1 理论中的“ 精细化” 内涵

1)荷载、结构参数更加精细.

进行荷载、结构参数的精细化是轨道工程精细化分析的前提.轨道工程在服役过程中受到气候、地质等因素的影响, 因此在分析时首先需要明确这些外部因素的影响, 具体而言, 就是明确轨道工程在全寿命周期内承受的各类荷载.选取准确及详尽的荷载参数是明确轨道工程外因影响的基础.在确保荷载参数真实、可靠的同时, 还应区分荷载对轨道结构服役状态的影响程度.此外, 轨道工程是由多种材料结构组成的复合土工构筑物, 在分析时需要明确主体结构、细部结构及其他附属结构, 在结构及部件参数的细节上更为精细化.

2)理论模型与分析方法更为精细.

轨道工程更为细致的分析需要更精细的理论模型来进行支撑.实际上, 在轨道工程的发展过程中, 轨道结构设计理论也向着精细化趋势不断发展.如无砟轨道设计理论模型经历了最初的弹性地基梁模型— 梁-板-板分析模型— 空间精细化分析模型[33]; 设计模式由单一的静力设计转变为既考虑静力设计, 又包含考虑运营不平顺的联合动力设计模式; 随着轨道结构中更多特殊部件的加入, 设计内容也越来越关注各类细部结构的设计.

3)评估方法、指标更加精细.

在轨道结构设计、建造并转入服役期的过程中, 结构性能评估是十分重要的.整体系统的服役状态受到各方面的影响, 这就需要研究人员考虑多方面因素, 寻求综合性的方法及指标来评价轨道工程在全寿命周期下的真实服役状态; 而评估范围也不仅仅局限于轨道结构的受力变形等力学性能, 经济性、可维修性等同样值得人们关注.发展精细化的评估方法与指标, 可以保证研究人员实时掌握轨道工程的近远期服役状态, 还可反演优化既有轨道工程结构, 实现全寿命周期下的轨道工程服役性能最优.评估方法、指标的精细化是确保轨道工程精细化分析结果最优化的有效手段.

综上所述, 轨道工程精细-均衡分析理论中的“ 精细化” , 是指对轨道工程进行全面而细致的分析, 使得设计过程最大限度地还原现场真实情况, 最优地适应运营环境, 具体应用时也不致出现过大偏差.

3.2 理论中的“ 均衡性” 内涵

由轨道工程的现场应用情况可看出, 在解决问题时简单的“ 头痛医头” 、“ 脚痛医脚” 并不能带来良好的效果, 需要从全局、协调的视角去看待轨道工程的服役性能.因此, 仅依靠精细化分析还无法满足轨道工程全寿命周期下长期服役需求, 还需结合轨道工程所面临的共性问题, 从均衡的角度展开分析.

1)轨道工程与外部环境的均衡性.

轨道工程与外部自然环境的均衡性, 是指轨道工程在全寿命周期需要具有适应复杂外部自然条件的能力.如能够适应长期温度循环变化, 能够抵抗较弱泥石流、地震等自然灾害不致出现重大破坏.促进轨道工程与外部自然环境的均衡, 也与3.3.1节所述的荷载参数精细化息息相关.

2)自身结构、材料间的均衡性.

轨道工程从自身性质上来说是一个多种材料复合、多层结构互相协调的工程构筑物.轨道结构多种结构、材料间的均衡性, 指的是内部不同属性的土工材料之间能够协同工作, 既有微观的因素, 也要考虑宏观的角度, 如钢筋与混凝土间的紧密黏合, 限位凸台与树脂垫层的缓冲配合等.通过自身结构的均衡设计.最终达到工程结构自身在刚度、硬度、变形等服役属性上的协调过渡, 实现结构的安全稳定.

3)结构在全寿命周期下的均衡性.

轨道工程自身结构与材料随着时间增长其劣化效应不可避免.以无砟轨道为例, 设计使用年限为60年, 但在外部多荷载场作用下, 组成其结构的水泥基复合材料自身及界面区性能随时间不断演变, 微裂纹、微缺陷等不断发展, 最终反映到结构在宏观层面的整体性能劣化, 大大影响到结构寿命.在此基础上, 系统研究多场耦合作用下轨道工程关键材料与结构性能随时间的演变规律, 分析并建立材料、结构在全寿命周期下的均衡保障方法, 可以最大限度地提升轨道结构的长期安全服役性能.

4)与周边结构相互作用的均衡性.

轨道工程与周边结构存在着一些界面, 如支承层与基床层间、轮轨接触界面等.轨道工程在服役过程中通过这些界面与周边结构进行交互.轨道工程与周边结构相互作用的均衡要求有:与上部车辆间注重轮轨关系的匹配; 与复杂下部基础间协调适应; 曲线、道岔等纵向线形或特殊结构能合理过渡等.

综上, 轨道工程精细-均衡分析理论中的“ 均衡性” , 是指全寿命周期下轨道在复杂服役环境中自身结构服役性能均衡稳定、与周边结构能够和谐相处.

总之, 轨道工程精细-均衡分析理论, 是在精细化设计的基础上, 克服内外共性问题对轨道服役状态的不利影响, 保障全寿命周期下轨道工程协调、稳定服役, 达到轨道工程与整体服役环境的和谐相处.精细化是该理论的必要手段及实施基础, 均衡则是轨道工程最优状态的保障及发展最终目的, 是更高需求下的新设计理念.

4 精细-均衡分析理论应用初探

在具体实施轨道工程精细-均衡分析理论时, 需根据轨道工程全寿命周期下的设计服役过程, 系统考虑参数研究、建模分析、结构评估等环节, 建立起一个统一的分析、检算理论分析体系, 发展合理科学的评估方法及设计、检算指标, 使得理论具有良好的可操作性.

结合精细化与均衡性的内涵, 提出了精细-均衡分析理论.首先详尽分析轨道工程全寿命周期内所涉及的服役因素; 在此基础上建立精细化的分析模型, 通过模型对结构强度及变形进行检算; 检算合格后, 获取结构广义系统能量特征, 结合统计方法提出合理的评估指标; 最后通过各种因素的影响规律分析, 对方案均衡性进行评估, 输出最优的轨道结构方案.

根据图7流程, 可将理论的建立分为以下阶段.

图7 轨道工程精细-均衡分析理论的实施流程Fig.7 Implementation process of detailed & equilibrium analysis theory in track projects

4.1 结构服役因素分析

首先明确全寿命周期下轨道结构与服役环境的影响因素, 包括:轨道工程全寿命周期的外部自然环境因素; 轨道工程自身材料、尺寸、层间复合关系等结构因素; 轨道工程与周围结构的相互作用关系.外部自然环境因素具体体现为温度、基础变形等外界荷载; 后两者则具体表现为建模时对结构方案的精细化还原.通过对各类因素的相关性分析, 确定各因素对轨道工程整体服役性能的影响程度, 划分相应的层次及权重.如当自身某一结构部位的精细化程度在力学分析过程中对主要研究对象的影响很小时(不超过5%), 可有选择地降低其在模型中的精细化权重, 采用相对简洁的建模方式提高计算效率.

4.2 研究对象的建模及边界的确定

在明确轨道结构与服役环境的影响因素后, 需要对轨道工程进行精细化建模.但建模的精细化并不意味着建立一个庞大而繁琐的模型, 而是根据研究对象以及荷载效应影响范围, 对结构进行适度地精细化, 即对研究对象主体精细化建模, 对耦合关系较弱的因素进行简化.而这种适度的精细化会带来各研究对象与整体模型间的连接问题, 因此需要寻找合适的边界界面和连接条件, 为整体系统建模的进一步融合奠定基础.在确定建模范围及界面条件后, 需要对整体及部件系统进行精细化建模, 建模既包含静、动态模型, 也包含瞬时与长期演变过程, 以满足全寿命周期的分析要求.

4.3 基于系统能量的结构均衡性分析

为满足轨道工程服役性能在全寿命周期内的整体均衡这一更高目标、更高层次的要求, 还需对结构方案的均衡性进行分析.建模完成及参数分析后, 在满足强度及变形要求的前提下, 引入广义系统能的概念, 综合考虑应力-应变、力-位移、内部-外部、静力-动力等能量的组成关系, 利用系统总能、能密度等构造相应的能量表征; 之后分别从轨道主体部件自身(包括材料、结构属性等)和特殊位置(结构的尺寸过渡区、不同结构层连接区、复杂荷载作用敏感区等)两个方面分析结构广义系统能的空间分布特征, 并结合一定的统计分析方法, 对结构系统能进行空间分布差异程度及趋势分析, 研究能量分布的均衡性.在此基础上, 基于一定原则(如全寿命周期下的整体系统能量最小)对轨道工程开展最优化设计.

4.4 结构综合检算、评估方法研究

对于轨道结构设计或维修方案, 首先利用上述建立的精细化分析模型与均衡性分析方法, 对结构进行精细-均衡分析, 并研究各种影响因素改变后的均衡性变化规律; 在此基础上, 提出相应的能量检算指标及评估阈值, 从而检算、评估并优化方案.如为保障无砟轨道结构配筋更好地适应车辆、温度等复杂服役环境, 笔者在满足配筋率等基本设计要求下, 对配筋方案精细建模, 通过对钢筋直径、间距等细部参数的调整, 提出了多种轨道板配筋方案; 在此基础上基于应变能密度变化特征, 构造了综合指数作为配筋方案评价指标, 通过对综合指数峰值、标准差、变异系数等量化指标的计算对无砟轨道纵横垂空间受力变形的均衡性、传递性、动态演变规律等进行校核, 得到了更优的配筋布设方案.

综合来看, 相对容许应力法等传统设计理论、方法, 精细-均衡分析理论在服役因素的考量上更为系统全面; 对模型的系统程度和精细化水平也提出了更高的要求; 评估手段也不局限于原有的变形强度指标, 而是追求更高层次的均衡性目标.相信在轨道工程的全寿命周期管理中, 本文提出的精细-均衡分析理论将会具备更大的优势.5 结论

基于轨道工程的发展趋势及所面临的共性问题, 结合工程实际需求提出了面向轨道工程的精细-均衡理念, 并初步探索了精细-均衡分析理论及其应用, 主要结论如下:

1)轨道工程在精细化设计的基础上, 更应注重均衡的设计理念, 实现自身与服役环境结构间的和谐匹配、协调适应等目标.

2)轨道工程已在部分案例中不自觉地应用了精细-均衡的理念, 均取得了良好的效果.在实际工程中也存在未注重均衡性而导致的教训.

3)轨道工程精细-均衡分析理论中, 精细化是理论的必要手段及实施基础, 均衡则是轨道工程发展最终目的.

4)在轨道工程服役因素全面分析和结构精细建模的基础上, 可引入广义系统能的概念对结构进行均衡性分析及性能评估, 从而优化轨道结构.

综上所述, 本文提出的轨道工程精细-均衡分析理论, 旨在促进轨道工程整体与细部、上部车辆与下部基础、周边服役环境的和谐统一, 为轨道工程长期安全服役性能提供重要保障.但目前轨道工程精细-均衡分析理论体系的相关研究还属于起步阶段, 在具体的分析指标参数、分析方法等方面, 都值得进一步地研究.随着理论的深入开展, 势必会促进轨道工程由单一强度、变形控制向精细-均衡分析模式进行转变, 推动轨道工程分析理论体系向更高层次发展, 为我国高铁、城轨及重载领域的发展提供保障, 从而实现科学的设计及维护, 避免过度设计、过度维修和盲目维修.同时, 笔者也希冀未来这种“ 精细-均衡” 的理念能在更多领域、更多结构中有所发展, 发挥其应有的积极作用.

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