朱胜阳—满腔热血犹未冷

高铁大跨度桥梁铺设无砟轨道关键动力学技术研究 

大跨度桥上铺设无砟轨道一直是困扰轨道和桥梁工程的技术难题，目前国内大跨度桥上尚未有铺设无砟轨道成功的案例。大跨度桥梁在温度荷载作用变形较大，影响轨道的几何状态，也难以满足常规的高速铁路静动态轨道验收标准，如何确保列车高速过桥安全性与舒适性成为重大关键技术问题。因此需要基于列车-线路-桥梁系统的动力学理论分析方法来对大跨度桥梁复杂变形条件下的车-轨-桥系统动力学性能进行科学评估分析，并针对较为敏感的波长给出管理建议值，解决制约大跨度桥上铺设无砟轨道关键动力学技术问题。

为此，被托举人朱胜阳在导师翟婉明院士的指导下，基于商合杭铁路裕溪河特大桥的工程背景，系统开展了以下研究工作：

1. 针对商合杭铁路裕溪河（60+120+324+120+60）m双塔钢桁梁斜拉桥，建立了高速列车-轨道-大跨度桥梁系统动力学模型（图1）；

2. 优化分析了大跨度桥上无砟轨道结构关键设计参数；

3. 确定了合理的车辆动力学性能指标（安全性和舒适性）；

4. 考虑温度荷载作用的大跨度桥上轨道变形（桥梁成桥线型、极端温度线型以及几种典型的温度变形）和轨道几何不平顺，分析评估了高速列车过桥动力学性能；

5. 研究给出了商合杭铁路裕溪河大跨度桥上轨道几何不平顺的动态管理值建议；

6. 研究提出了商合杭铁路裕溪河大跨度桥上轨道几何不平顺的静态管理值建议。

图1 高铁大跨度桥梁铺设无砟轨道关键动力学分析模型

被托举人通过大量的现场调研、理论分析、仿真计算等研究工作，很好地回答了设计院与施工单位关心的问题（图2），得到的主要结论如下：

1. 在250km/h~400km/h的行车速度范围内车辆运行安全性、平稳性、轨道轨距动态变化、桥梁跨中位移及加速度等各种指标多为较优的级别，个别指标为良好，所有指标均没有明显超标的现象。

2. 通过对桥梁的成桥线型以及各种温度作用下的变形分析发现在“矢距法”基线较长（尤其是300m基线长）的情况下，桥梁的无砟轨道静态铺设偏差会超出限值。

3. 将该桥梁温度变形等因素考虑进车线桥系统进行动力学分析，可知分析的各线型对该大系统均没有产生显著的影响，这与该桥梁大跨度有关，在环境因素的作用下所产生的线型实际上均是较单一的长波，而且此类长波的波长为非敏感波长，建议不予以考虑。

4. 轨道随机不平顺动态管理建议值：关于高低随机不平顺，建议针对1.5-42m、1.5~70m、1.5~120m波长范围，不平顺幅值分别控制在3.5mm、 4 mm、5.5 mm以内。关于轨向不平顺，建议针对在1.5-42m、1.5~70m、1.5~120m波长范围，不平顺幅值分别控制在为3.5mm、4.5mm、6mm以内。

5. 长波高低不平顺静态管理建议值：长波高低不平顺的动力学敏感波长为150m, 敏感波长区间为120m~160m，该区间的不平顺成分对动力学影响也较为显著，需要对其进行严格的线型控制，而大于160m的长波成分则不需要严格的控制。建议基于中点弦测法对敏感波长区间的不平顺进行控制，采用60m弦长，将不平顺弦测偏差控制在8mm以内。

图2 高铁大跨度桥梁铺设无砟轨道主要动力学分析结果

图3 为商合杭高铁裕溪河大桥建成通车实况，本项目配合设计与施工单位首次解决了在跨度324m、时速350km/h高铁特大桥上铺设无砟轨道这一世界级技术难题，项目研究为我国高铁大跨度桥上铺设无砟轨道提供了重要的理论和技术支撑。

本项目研究工作是在国家自然科学基金重大项目和面上项目、中铁四院科技项目等支持下完成的，相关成果已在国内外知名期刊发表了多篇高水平学术论文，被托举人也因此获得2020年全国铁路青年科技创新奖。同时，通过此类面向国家重点工程的科研项目的锻炼，被托举人提高了解决实际工程科技难题的能力、提升了科研成果的质量、拓展了科研工作的方向等，对被托举人成才成长产生了重要的积极影响。在此之后，导师翟婉明院士不断提供被托举人负责或参与国家级重大科研项目的机会，推荐被托举人担任国际SCI期刊《International Journal of Rail Transportation》编委、国际轨道交通会议（规模350余人）常任学术秘书，将被托举人列为国家“111 计划”轨道交通工程动力学创新引智基地以及教育部国际合作联合实验室的核心成员，给予被托举人大量的与国际知名专家学者交流合作的机会和平台。导师翟婉明与被托举人完成的成果还获得了2020年教育部自然科学一等奖（被托举人排名第2）。 

图3 商合杭高铁裕溪河大桥建成通车