Page 125 - 《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 441

的受拉损伤情况。轨道板在余弦型沉降波脚处受轨 何不平顺密切相关，不同波长和幅值的路基不均匀
道结构的自重载荷及钢轨扣件的拉应力影响，当沉 沉降会导致轨道结构产生不同程度的变形，进而引
降幅值为 18.4 mm 时，在轨道板上表面扣件连接处 起轨道的不平顺。由 2.1 节可知，当路基沉降发生在
产生拉伸损伤；当沉降幅值为 23.6 mm 时，轨道板上 宽窄接缝处时钢轨位移最大，因此本文重点研究该
表面的损伤范围进一步向四周扩展；当沉降幅值为 位置处路基沉降参数对车辆动力学性能的影响规律。
25 mm 时，轨道板上表面的损伤在横向上由板两边 轨道不平顺是沉降区车辆-轨道-路基结构空间
向板中间逐步扩展；当沉降幅值为 27.2 mm 时，轨道 耦合系统的主要激励源，沉降区的轨道不平顺可表
板出现宏观裂纹；当沉降幅值为 30 mm 时，在波脚处 示为：
宏观裂纹已经贯穿轨道板；当沉降幅值为 35 mm 时，
δ irr (x) = δ irr_0 (x)+δ irr_1 (x) （12）
轨道板在横向上即将形成第二条贯通裂纹；当沉降
式中， δ irr_0 (x)为轨道随机不平顺，参考《高速铁路无
幅值为 40 mm 时，轨道板在波脚处承受较大拉应力，
砟轨道不平顺谱》 [24] 推荐值； δ irr_1 (x)为路基沉降引起
出现两条横向贯通裂纹。
的轨道附加不平顺。

图 12 为波长 20 m 时，不同沉降幅值下钢轨垂向
变形量。由图 12 可知，钢轨最大垂向变形随路基沉 3.1 沉降幅值的影响
降幅值的增大均呈现增大趋势。图 13 为波长 10 m
依据前文所建立的动力学模型，在仿真模拟时
时，不同沉降幅值下轨道结构层间离缝值。由图 13
预留 50 m 的运行距离，消除列车初始状态对轨道结
及前文分析可知，在波长小于 10 m 时，轨道结构层
构振动性能的影响。以车辆速度 250 km/h、沉降波长
间离缝峰值随路基沉降幅值的增大均呈现增大趋
20 m 为例，研究路基沉降幅值由 5 mm 增大到 40 mm
势，且离缝范围由沉降中心位置逐渐向两侧扩大。
过程中车辆的动力学指标变化规律。以车辆质心位
2
0 置为监测点，车体垂向加速度计算结果如图 14 所示。
幅值5 mm 幅值10 mm 幅值15 mm 幅值20 mm
钢轨垂向变形 / mm −20 幅值5 mm 幅值25 mm 幅值30 mm 幅值35 mm 幅值40 mm
−10
1.5
幅值10 mm
1.0
幅值15 mm
幅值20 mm
−30
幅值25 mm
幅值30 mm
幅值35 mm 0.5
−40 幅值40 mm 车体垂向加速度 / (m·s −2 ) 0
0 10 20 30 40
沿轨道结构纵向距离 / m −0.5

图 12 不同沉降幅值下钢轨垂向变形量 −1.0
−1.3
Fig. 12 Vertical deformation of rails under different settlement 125 150 175 200
amplitudes 纵向位置 / m

25 5 mm COPEN 图 14 波长 20 m 时车体垂向加速度
24 +2.276e+01
+2.086e+01
22 7.2 mm +1.896e+01 Fig. 14 Vertical acceleration of the vehicle body with settlement
+1.707e+01
8.8 mm +1.517e+01
20 10 mm +1.327e+01 wavelength of 20 m
层间离缝值 / mm 16 20 mm +3.793e+00 在非沉降区产生较小的垂向加速度，当车辆驶入沉降
+1.138e+01
+9.481e+00
18
+7.585e+00
15 mm
+5.689e+00
+1.896e+00
−6.606e−15
由图
14
可见，由于钢轨随机不平顺的影响，车辆
14
25 mm
12
30 mm
10
35 mm
4 8 6 40 mm 区时，随着车体质心位置的降低，车体向下的垂向加
2 速度逐渐增大，并在质心到达沉降波谷处时达到最大
0
5 10 15 20 25 30 35 40 值。当车辆通过沉降波谷位置时，车体质心处向上的
沉降幅值 / mm
垂向加速度逐渐增大，并在沉降区边缘出现峰值，当
图 13 不同沉降幅值下轨道结构层间离缝值
车辆驶出沉降区后，车体垂向加速度逐渐趋于平稳。
Fig. 13 Interlayer separation values of track structure under
车体垂向加速度随着路基沉降幅值的增大而增
different settlement amplitudes

加，当路基沉降幅值由 5 mm 变化至 40 mm 时，车体
2
向下的垂向加速度由 0.19 m/s 增大至 1.13m/s ，增幅
2
3 路 基 不 均 匀 沉 降 对 轮 轨 系 统 动 力 响 应 近 4.95 倍，车体向上的垂向加速度由 0.16 m/s 增大
2
的 影 响 规 律 至 1.25 m/s ， 增 幅 近 6.81 倍 ， 随 着 沉 降 幅 值 的 增 加 ，
2
车体垂向振动加速度显著增加，对沉降幅值的敏感
高速铁路轮轨系统的动力响应与轨道结构的几 程度较高。