摘要
铁路道岔的维护成本异常高昂，部分原因是由于枕木在受到不对称载荷时会导致道砟出现空洞。现有的道岔模型依赖于详细的三维有限元轨道模型，无法方便地支持对整个道岔几何结构进行长期的迭代分析。本文提出了一种基于物理原理的车辆-轨道相互作用（VTI）框架，并将其应用于铁路道岔，该框架包含双轨模型（具有等效的基础刚度）、轨垫层以及道岔尖端冲击模型。将一个模块化的枕木动力学模型（该模型被构建为在无应力Winkler基础上的欧拉-伯努利梁）与VTI框架相结合，可以计算出各个枕木上的道砟压力分布。随后，通过基于局部压力的沉降模型，可以研究在车辆多次通过时枕木与道砟之间的空洞形成情况。该框架作为概念验证，被应用于两个实际使用的铁路道岔：一个装有枕木垫，另一个未装有枕木垫；同时还通过参数研究来改变列车速度、车辆类型和轨垫的刚度。实验测量和粒子级模拟均表明，道岔尖端区域容易出现空洞形成。装有枕木垫的道岔可将道砟峰值压力降低38%至44%，并显著减少道岔区域的空洞形成，从而降低轨道的整体沉降，并在运行过程中保持道岔几何结构的稳定性。车辆类型是影响道岔维护成本的主要因素，其中机车的道砟峰值压力比客车模型高出多达83%。所提出的框架为道岔的设计提供了有效的工具，有助于深入了解铁路道岔中的力传递和沉降机制。
