自然环境下CRTS Ⅲ型板式无砟轨道温度效应及其对400 km/h车辆-轨道动态相互作用的影响

本文针对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道在自然温度场下的翘曲变形问题，创新性地建立了热-力耦合有限元模型与车辆-轨道实时协同仿真体系。研究发现：轨道结构温度场呈现深度方向非线性相变特征，正温度梯度导致钢轨周期性不平顺和轨道板翘曲，使整体支撑刚度降低9.05%、层间接触面积减少83.5%；温度与列车荷载耦合会激发40-50 Hz共振现象，当列车速度提升时，轨道板特征频率与轮轨耦合共振产生叠加放大效应。研究为400 km/h运营条件下无砟轨道设计维护提供了重要理论支撑。

　　

Highlight

基于热-力耦合理论的精细化有限元模型成功揭示了轨道结构随时间变化的温度场分布及相应热变形规律。通过ABAQUS二次开发与MATLAB实时数据交互，构建了多时间步显隐式求解的车辆-轨道协同仿真平台，实现了温度场与列车荷载耦合作用下结构振动空间演化及层间接触状态动态演变的精准捕捉。

Vehicle-track dynamic interaction

研究显示：在300-450 km/h速度范围内，温度变形会显著改变车辆-轨道系统振动能量分布。当速度达到400 km/h时，轨道板角部应力集中现象尤为突出，层间接触面积波动幅度达83.5%。特别值得注意的是，温度荷载与列车动载耦合会引发40-50 Hz频段的特征共振，该现象在传统单一荷载分析中未被发现。

Conclusion

本研究创新性地建立了考虑环境温度时变特性的车辆-轨道全耦合动力学模型，首次量化了CRTS Ⅲ型轨道在400 km/h运营条件下的刚度退化规律（最高达9.05%）和层间接触失效机制。发现轨道板特征频率与轮轨系统共振的耦合放大效应，为新一代高速铁路无砟轨道的抗热设计提供了关键理论依据。