Page 119 - 《振动工程学报》2026年第2期

第 2 期 李国芳，等：路基不均匀沉降引起的轨道损伤变形及其对车轨动力响应的影响分析 435

时，会导致轮轨作用力激增，影响高速列车运行的平 种载荷循环作用下，轨道结构不可避免地会产生微
顺性与乘坐舒适性，甚至会危及列车运行安全。鉴 裂 纹 和 微 孔 隙 等 损 伤 。 因 此， 需 进 一 步 考 虑 轨 道
于此，研究路基不均匀沉降下无砟轨道结构变形损 板、宽窄接缝及底座板等损伤的发生和积累导致的
伤对保证高速列车安全运营具有重要意义。 材料刚度劣化和强度部分损失；同时 CRTSⅡ 型板式
现场调研表明，路基沉降已经成为限制车辆提 无砟轨道结构的粘接界面在外载荷作用下易发生失
速的首要难题，如武广线沉降严重导致车辆长期降 效开裂等损伤，传统的绑定约束难以体现轨道层间
速运行。由于路基沉降具有不可逆性与累进性，对 复杂的力学行为。
高速铁路的安全运营有不利影响，因此，需对路基沉 鉴于此，本文基于有限元方法建立考虑结构配
降问题展开系统研究。涂仁盼等 [2] 利用水平梁式倾 筋的路基-轨道精细化模型，采用内聚力模型模拟轨
斜仪长期观测重载铁路的差异性沉降，并对检测结 道结构层间粘接状态，同时考虑轨道结构的混凝土
果进行预测分析；赵国堂等 [3] 研究发现地基深处不 塑性损伤。在现有研究的基础上，针对不同沉降发
均匀沉降变形向轨面传递时，会受到刚性桩遮帘效 生的位置分别考虑不同沉降波长与沉降幅值，探究
应的影响，并依据此提出改善轨道不平顺的方法；颜 路基沉降区段无砟轨道结构变形损伤规律。基于有
建伟等 [4] 研究了 Winkler 地基叠合梁在不均匀沉降 限元-多体系统动力学方法（finite element-multi-body
下的变形规律；郭宇等 [5] 对比分析了路基沉降状态 dynamics, FE-MBD），在 UM 中建立车辆-轨道-路基耦
下纵连式与单元式轨道的轨面变形规律；崔旭浩等 [6] 合系统动力学模型，将路基沉降区段基础结构病害
基 于 有 限 元 方 法， 建 立 了 考 虑 混 凝 土 塑 性 损 伤 的 引起的钢轨变形作为附加轨道不平顺，研究不同沉
CRTSⅡ 型无砟轨道有限元模型，研究了路基不均匀 降位置、波长、幅值下高速铁路车-线-路基耦合系统
沉降下无砟轨道的结构变形损伤规律；CUI 等 [7] 建 动力响应，以期为路基沉降区段高速铁路基础结构
立了考虑普通钢筋与预应力钢筋的板式无砟轨道精 动态性能演变及服役安全提供参考。

细化模型，研究了不同沉降工况下轨道损伤分布及
其变形规律。 1 计 算 模 型
铁路系统是列车与轨下基础结构的统一，轨道

变形损伤会恶化车辆动力学性能。蒋红光等 [8] 基于
1.1 车辆-轨道-路基耦合模型
时域、频域方法研究了高速列车与路基不均匀沉降
耦合作用对地基振动传播的影响规律，探究了列车 基于有限元软件 ABAQUS 建立路基-无砟轨道
进一步提速的可行性；张克平等 [9] 研究发现车辆动 精细化非线性分析模型。由于纵连板式无砟轨道在
力学响应对 30 mm 沉降幅值较为敏感，20~30 m 沉降 路基不均匀沉降下所产生的应力与弯矩无法在伸缩
波长对车辆动力学特性影响明显；唐进锋等 [10] 研究 缝处释放，对不均匀沉降较为敏感，故本文针对纵连
表明随着路基不均匀沉降波长的增大，车辆系统的 CRTSⅡ 型板式无砟轨道进行研究。为反映轨道的实
动力响应呈现先增大后减少的趋势；GUO 等 [11] 研究 际结构特点，路基、底座板、水泥沥青砂浆层、轨道
发现相较于列车运行安全性，乘坐舒适性与轨道结 板、钢轨均采用 C3D8R 单元模拟，其中轨道板、宽窄
构动力学性能更易受到路基不均匀沉降的影响；肖 接缝、底座板考虑混凝土塑性损伤本构。扣件系统
源杰等 [12] 基于有限元法和多体动力学法建立了车辆-有 采用弹簧阻尼单元模拟，扣件间距为 0.65 m，为避免
砟轨道-路基数值模型，研究了路基不均匀沉降下车 扣件位置应力集中，单个扣件采用九根弹簧阻尼单
轨 动 力 响 应， 并 提 出 一 种 迭 代 方 法 ； 钟 阳 龙 等 [13] 元模拟。轨道板内配置三层钢筋网及单层预应力钢
基于多体动力学方法建立了车-线-路基耦合动力学 筋，钢筋采用 T3D2 单元模拟并通过 Embed 功能嵌入
模型，探究了路基沉降波长、幅值、车辆运营速度对 轨道板。
列车动力学响应的影响规律，并提出以沉降时变率 底座板和路基两端采用对称约束，路基底部为
指标评价路基不均匀沉降；张乾等 [14] 在考虑混凝土 完全固定约束。参考现场实际情况，水泥沥青砂浆
塑性损伤的前提下，分析路基不均匀沉降对高速列 层与底座板之间的相对滑移较小，故将两者之间接
车动力特性的影响规律。 触关系设置为绑定约束，CRTSⅡ 型板式无砟轨道在
综上可知，对轨道变形损伤及车-轨动力响应进 服役期间易在轨道板与砂浆层之间出现离缝，本文
行研究时，考虑车辆-轨道-基础结构相互作用的系统 选用内聚力模型模拟两者间的粘接行为。综上所
模型十分必要，但现有研究仅考虑了轨道结构的层 述，建立如图 1 所示的有限元模型，路基模型参数如
间接触关系，对混凝土塑性损伤、预应力钢筋和轨 表 1 所示，轨道结构模型参数如表 2 所示。
道结构的层间粘接关系考虑较少。在长期服役和多 车辆模型参考 CRH3 型高速动车组，车轮踏面选