《Alexandria Engineering Journal》：Research on zoning of soft rock large deformation considering state of ballastless track and train comprehensively based on FEM-MBD
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隧道开挖及运营期普遍发生严重基底隆起，尤其在软岩区段表现更为显著，对轨道服役性能与列车运行安全构成不利影响。为阐明基底隆起影响轨道结构与车辆动力学的机制，实现隆起影响段无砟轨道的精细化管理，研究人员提出一种基于有限元法-多体动力学（Finite Element
隧道开挖及运营期普遍发生严重基底隆起，尤其在软岩区段表现更为显著，对轨道服役性能与列车运行安全构成不利影响。为阐明基底隆起影响轨道结构与车辆动力学的机制，实现隆起影响段无砟轨道的精细化管理，研究人员提出一种基于有限元法-多体动力学（Finite Element Method-Multi-Body Dynamics, FEM-MBD）的基底变形分区方法。通过建立CRTS Ⅲ型板式无砟轨道精细化失效分析模型与车辆-轨道-基底隆起刚柔耦合动力学模型，研究人员揭示了“基底变形-无砟轨道状态-列车运营性能”链式传递规律，涵盖变形传递机制、结构损伤演化、层间接触损伤发展及基底隆起条件下的车辆动力响应特征。基于建立的静-动映射关系，综合多项控制指标完成基底隆起分区。结果表明：基底隆起向上传递至轨道各结构层，在“短波长+大振幅”组合工况下，结构损伤、层间接触损伤及车辆动力响应指标均呈现劣化趋势。研究人员将基底隆起划分为4个典型区域，并针对各区域提出差异化管控建议。本研究为基底隆起条件下无砟轨道的安全保障提供了科学支撑。
论文解读：《基于FEM-MBD的软岩大变形分区研究》
研究背景与意义
中国复杂地质条件下软岩分布广泛，铁路建设面临显著的基底变形挑战。软岩基底大变形具有显著的时间效应，短期变形量可达10–20 cm，易引发隧道断面收敛、钢拱架扭曲等问题，直接威胁下部轨道结构的服役状态。基底变形主要通过三个途径影响无砟轨道：一是导致轨面几何不平顺；二是引发轨道体系结构损伤；三是因各结构层刚度与几何尺寸差异产生层间接触损伤。同时，基底变形通过改变轨面几何形态与基础刚度，共同作用于列车运行性能。现有研究多将基底变形对轨道与车辆的影响视为独立部分，缺乏静-动关联分析；既有变形限值研究未针对软岩大变形区段，且多为单一阈值，未考虑工程实践的差异化需求；传统分析常忽略混凝土材料非线性，或因非线性建模导致动力学计算效率过低，难以兼顾精度与效率。针对上述不足，北京交通大学马帅、肖宏、魏少磊、赵伟泽、陈广生、李云鹏等研究人员以CRTS Ⅲ型板式无砟轨道和200 km/h客货混运线路为对象，开展软岩大变形下的轨道-车辆系统耦合研究，成果发表于《Alexandria Engineering Journal》。
关键技术方法
研究人员构建了双模型耦合分析体系：采用ABAQUS建立考虑混凝土塑性损伤（Concrete Damaged Plasticity, CDP）与内聚力区模型（Cohesive Zone Model, CZM）的CRTS Ⅲ型板式无砟轨道精细化失效分析模型，模拟基底隆起下的结构响应；基于多体动力学理论建立车辆-轨道-基底隆起刚柔耦合动力学模型，通过模态综合法实现有限元软件与多体动力学软件的联合仿真。基底隆起采用余弦曲线模拟，波长范围0–40 m，振幅0–40 mm。车辆模型简化为包含车体、构架、轮对的多刚体系统，轮轨法向力基于赫兹非线性弹性接触理论计算，切向力采用FASTSIM算法求解。模型验证通过与魏闫高铁200 km/h现场实测数据对比，竖向轮轨力误差1.4%，横向轮轨力误差2.3%，验证了模型准确性。
研究结果
4.1 软岩隧道基底隆起对无砟轨道服役状态的影响
4.1.1 基底隆起最不利位置：通过对比隆起峰值位于底板中心（A）、轨道板伸缩缝（B）、底板伸缩缝（C）三种工况，发现峰值位于底板中心时，层间间隙达5.27 mm，混凝土损伤因子达0.98，为最不利受力状态。
4.1.2 轨道结构变形传递机制：底板变形与基底隆起高度一致；长波长下钢轨与轨道板变形与基底隆起吻合良好，短波长（如5 m）下二者波长特性显著偏离。引入位移传递率（Displacement Transfer Ratio, DTR）量化传递效应，DTR随波长与振幅增大而升高。
4.1.3 轨面不平顺：采用10 m弦测法评估，波长小于20 m时，不平顺值随波长增加而增大；波长大于20 m时，随波长增加而减小，呈现分段特征。
4.1.4 轨道结构损伤演化规律：底板为最易损构件，纵向损伤始于隆起峰值区并向两侧对称扩展，横向损伤初始于凹槽附近，最终发展为贯穿性破坏。损伤因子随振幅增大、波长减小而升高。
4.1.5 层间接触损伤演化规律：最大层间间隙出现在自密实混凝土（Self-Compacting Concrete, SCC）层与底板之间。波长小于单块底板长度时间隙位于隆起曲线坡脚，波长大于单块底板时间隙位于轨道板中部边缘；间隙值随振幅线性增长，随波长增加面积扩大但数值减小。
4.2 软岩区段基底隆起对列车运行的影响
4.2.1 对列车安全性的影响
4.2.1.1 竖向轮轨力：呈现“爬坡-卸载-二次冲击”三阶段变化，最大值随振幅增大、波长减小而升高。
4.2.1.2 横向轴力：主要受轨道不平顺控制，除脱轨工况外，基本稳定在3.0 kN左右，受基底隆起影响较小。
4.2.1.3 脱轨系数：在第二阶段（卸载期）显著增大，波长小于20 m时，随振幅增大、波长减小而升高。
4.2.1.4 轮重减载率：变化呈“下降-上升-下降”趋势，与竖向力三阶段相反，最大值随振幅增大、波长减小而升高。
4.2.2 对乘坐舒适性的影响
4.2.2.1 车体加速度：波长5–20 m时呈现明显双周期特性；波长30 m时周期性减弱；波长40 m时呈单周期特性。最大值随振幅增大、波长减小而升高，10–15 m波长区间因波长敏感性略有上升。
4.2.2.2 斯佩林指标（Sperling Index）：随振幅增大、波长减小而升高。
4.3 软岩隧道基底隆起传递规律与分区
基于《高速铁路轨道维护规则》（TG/GW115–2023）、《机车车辆动态性能评定及试验鉴定规范》（GB/T 5599–2019）等标准，确定各指标限值：轨面不平顺±11 mm，层间间隙0.1 mm，混凝土无损伤，车体加速度≤2.5 m/s2，斯佩林指数≤2.5，竖向轮轨力≤170 kN，横向轮轨力≤15+P/3 kN，脱轨系数≤0.8，轮重减载率≤0.8。将多维指标整合为轨道服役状态、乘坐舒适性、列车运行安全三项控制指标，将基底隆起划分为四个区域：Ⅰ区为最优运营状态；Ⅱ区轨道服役状态受影响，需加强监测；Ⅲ区乘坐舒适性不达标，需限速并加强监测；Ⅳ区安全性不达标，需禁止行车并整治。
讨论与结论
研究人员首次建立了基于FEM-MBD的基底变形分区方法，解决了传统分析中“精度与效率难以平衡”的核心痛点。揭示了“基底变形-轨道结构状态-列车运营性能”链式传递规律，并通过指标反演实现了该规律的工程化表达。将基底隆起划分为四级管控区，提出了差异化管控措施，明确了最佳运营状态下的隆起控制阈值：5 m波长≤1.00 mm，10 m≤3.00 mm，15 m≤6.00 mm，20 m≤10.41 mm，30 m≤12.14 mm，40 m≤15.38 mm。该研究为软岩隧道基底隆起的监测、评估与维护提供了科学依据，对保障轨道结构服役性能与列车运行安全具有重要意义。
