王 平 徐井芒 方嘉晟 陳 嶸

(西南交通大學， 成都 610031)

隨著高速鐵路技術的大力發(fā)展，截止2019年底，中國高速鐵路運營總里程已達3.5萬km，占世界高速鐵路總里程的2/3以上，遠超世界其他國家總和。目前，鐵路科技工作者們均在將研究重點由建設向運營維護轉變，高速鐵路技術創(chuàng)新的主旨正在由軌道結構、功能的設計和建造逐步轉向線路運營的安全保障、品質提升、優(yōu)化與維護[1]。我國高速鐵路經(jīng)過多年技術積累與自主創(chuàng)新，已形成了一套涵蓋各領域的高速鐵路產(chǎn)業(yè)體系，但在高速鐵路安全運營及維護方面，還缺乏持續(xù)且卓有成效的基礎理論研究。

在高速鐵路蓬勃發(fā)展的環(huán)境下,如何科學高效地維護我國規(guī)模龐大的運營線路，實現(xiàn)高速鐵路在全生命周期內的穩(wěn)定、安全運營，是目前我國高速鐵路面臨的一個至關重要且亟待解決的問題[2]，而探明高速鐵路軌道結構在長期運營過程中動態(tài)性能演變及服役安全控制機制則是解決這一問題的關鍵。安全是鐵路運輸永恒的主題，更是高速鐵路的核心要求。深入研究保障高速鐵路軌道結構安全服役的關鍵理論，揭示其長效工作的科學規(guī)律，成為確保我國大規(guī)模高速鐵路路網(wǎng)高效運營的重大基礎性工作，其迫切性和必要性不言而喻。

1 高速鐵路軌道結構研究現(xiàn)狀分析

自1964年世界首條高速鐵路在日本東海道新干線開通以來，高速鐵路技術已歷經(jīng)了五十多年的發(fā)展，但其運營安全問題仍未得到全面徹底的解決，危及高速列車運行安全的故障和事故在德國、韓國、日本等地仍時有發(fā)生[3]。出現(xiàn)此類問題的原因，除了對車輛結構關鍵工程材料失效機理、高速列車脫軌機制等問題認識不足之外，未系統(tǒng)研究作為固定設備之一的高速鐵路軌道結構服役性能的時空演變機制，未深入了解高速鐵路軌道結構初始損傷演變、動態(tài)性能劣化、特殊條件下狀態(tài)突變對行車安全的影響，以及對高速鐵路運營安全保障和長效服役能力關鍵支撐理論的研究和認識不足，也是極其重要原因[4-5]。

國內外相關研究成果表明，在動荷載和環(huán)境因素耦合循環(huán)作用下，高速鐵路軌道結構在長期服役過程中，其各項構成材料(如水泥乳化瀝青砂漿、混凝土等)的微觀結構會發(fā)生變化，從而導致關鍵部件出現(xiàn)傷損甚至失效(如軌道板裂紋、水泥乳化瀝青砂漿劣化、扣件折斷、鋼軌波磨等)，而軌道結構與關鍵部件材料初始損傷的動態(tài)演化，軌道結構與關鍵部件的持續(xù)劣化以及特殊條件下結構局部狀態(tài)的瞬時突變等，勢必會引起軌道服役狀態(tài)與結構動態(tài)性能的持續(xù)劣化，導致軌道結構與高速車輛系統(tǒng)不匹配，從而加劇高速鐵路線路服役狀態(tài)的惡化，耐久性和經(jīng)濟性的明顯降低，同時影響行車品質，甚至留下安全隱患，危及高速列車運行安全[6]。

高速鐵路關鍵的軌道結構如由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿充填層、混凝土支承層等不同材料組成的無砟軌道、線路交叉處軌線連續(xù)性中斷的高速道岔以及跨越不同地區(qū)及不同基礎結構的無縫線路等，因構成材料屬性不同、結構形式迥異、界面?zhèn)鬟f機制復雜以及荷載環(huán)境耦合交變等，其動態(tài)服役性能的時空演變機制與規(guī)律十分復雜，其劣化與失效模式呈多樣性，是完善高速鐵路運營安全技術體系的主要障礙之一，也是當前高速鐵路技術發(fā)展面臨的國際性難題。與提速鐵路一樣，仍面臨著環(huán)境與動荷載耦合重復作用下關鍵工程材料與結構動態(tài)性能的演變機制，復雜服役環(huán)境下材料劣化、部件損傷、結構不均勻累積變形機制，軌道結構服役性能與高速列車-軌道結構耦合系統(tǒng)動態(tài)性能的相互影響及演化機制等科學挑戰(zhàn)[7]。

2 高速鐵路軌道結構基礎理論研究

傳統(tǒng)鐵路多采用有砟軌道、有縫線路，列車動荷載大、行車平穩(wěn)性差、安全性低、養(yǎng)修工作量大。隨著鐵路運輸向高速方向不斷發(fā)展，為保證軌道結構的豎向穩(wěn)定性，減緩累積變形所致的軌道不平順，散粒體的碎石有砟道床逐步為整體性和穩(wěn)定性良好的混凝土無砟道床所替代；為消除線路縱向的鋼軌接頭以保證行車的平穩(wěn)性，有縫線路逐步發(fā)展為區(qū)段無縫線路、區(qū)間無縫線路以及跨區(qū)間無縫線路[8-11]；為降低線路平面交叉點處輪軌動力作用、延長道岔服役壽命以提高行車的安全性，普通道岔逐步發(fā)展成為提速道岔、高速道岔[12]。因此，線路水平方向上的鐵路道岔、縱向上的無縫線路、豎向上的無砟軌道已成為直接反映一個國家高速鐵路整體科技水平的三大關鍵基礎結構。本文根據(jù)軌道結構安全、長效服役的現(xiàn)實需求，結合現(xiàn)有的研究積累，從嚴重影響高速鐵路軌道結構服役性能的結構失效、材料傷損、軌道平順性和環(huán)境影響四個方面，圍繞高速鐵路三大關鍵軌道結構的基礎問題開展相關研究，技術路線如圖1所示。

2.1 高速鐵路道岔傷損機理、服役狀態(tài)評估理論與監(jiān)測技術研究

針對道岔關鍵部件(如尖軌、心軌等)在長期列車、溫度及轉換荷載耦合、循環(huán)作用下的動態(tài)性能演化規(guī)律、傷損機理及疲勞破壞問題，建立了可考慮岔區(qū)復雜輪軌接觸關系、鋼軌接觸疲勞與磨損關系、道岔多種軌道不平順、道岔部件實際組合狀態(tài)、鋼軌件傷損程度的精細化列車-道岔耦合動力學分析模型與瞬態(tài)接觸模型，如圖2、圖3所示。分析列車過岔時，輪軌動力作用的隨機分布規(guī)律及輪軌接觸應力、蠕滑力波動對鋼軌接觸疲勞及磨損的影響規(guī)律，分析隨通過總重累積軌件接觸疲勞及磨損的發(fā)展規(guī)律。

借助現(xiàn)場試驗和斷裂、疲勞理論，獲取道岔運營過程中的工作譜，用統(tǒng)計理論來處理工作譜子樣，編制道岔疲勞載荷譜，建立道岔疲勞累積損傷模型，對道岔主要部件的受力狀態(tài)和裂紋擴展特性進行分析，以期估算其裂紋形成及擴展壽命，為道岔的服役壽命預測、制定合理的道岔檢修周期提供理論依據(jù)。

圖1 技術路線框圖

圖2 跨尺度耦合動力學模型圖

圖3 瞬態(tài)接觸模型圖

列車-道岔耦合系統(tǒng)動力學響應既是列車、道岔服役綜合性能的直觀表現(xiàn)，也是加劇道岔結構服役性能演變的催化劑，二者之間相互影響。因此，應研究道岔損傷及動態(tài)性能惡化對岔區(qū)輪軌關系、岔區(qū)軌道剛度等軌道性能的影響，繼而研究岔區(qū)輪軌動力作用下，輪軌關系、軌道剛度變化時，高速列車過岔時運行品質及對道岔結構動力作用的變化規(guī)律。研究提出道岔結構損傷評價方法及技術體系，根據(jù)道岔傷損的發(fā)展規(guī)律，提出不同類型傷損的限值，科學評定高速道岔結構運用的安全性。

研究提出服役過程中道岔結構疲勞關鍵部件的動態(tài)損傷與安全監(jiān)控參數(shù)指標，基于用戶平臺層級化、岔群監(jiān)測管理站段化與主機化、單組道岔監(jiān)測單元化、各項監(jiān)測項目模塊化、數(shù)據(jù)處理前端化、軟件硬件化及軟硬件一體化，構建高速道岔的安全監(jiān)控系統(tǒng)方案。

2.2 無砟軌道結構及材料傷損機理、服役狀態(tài)評估理論與修復技術研究

研究提出高速鐵路無砟軌道結構動荷載與溫度力的耦合作用關系及表征方法，研究軌面?zhèn)麚p、膠墊老化、基礎局部沉陷、關鍵材料在動荷載和溫度長期作用下的性能劣化等對無砟軌道結構的損傷特性及動態(tài)性能演變的影響規(guī)律，建立高速鐵路無砟軌道結構損傷累積預測模型，分析列車荷載和溫度荷載耦合作用下的無砟軌道傷損的發(fā)生、發(fā)展過程；研究裂紋擴展速率及影響裂紋擴展的關鍵參數(shù)，研究無砟軌道結構的開裂機理、開裂過程及破壞形態(tài)[13-14]。

基于損傷力學及斷裂力學理論，建立高速車輛與損傷狀態(tài)下的無砟軌道耦合作用模型，研究高速鐵路無砟軌道支承狀態(tài)在長期運營中發(fā)生劣化以后輪軌系統(tǒng)動力性能的變化特征，包括鋼軌扣件失效、水泥乳化瀝青砂漿充填層劣化等對高速輪軌動力作用的影響規(guī)律，研究主要軌道結構部件在服役期間不同損傷狀態(tài)下的動態(tài)行為，分析提出結構損傷評價方法及技術體系。根據(jù)無砟軌道傷損發(fā)展規(guī)律，提出無砟軌道不同類型傷損的限值，科學評定無砟軌道結構的運用安全性。

針對無砟軌道病害類型多、尺寸小、隱蔽性強等檢測難題，開展高速鐵路線路多層復合結構缺陷模型試驗，其重復加載應力-應變曲線如圖4所示。建立無砟軌道典型病害的隨機介電特性及應力波波場傳播模型，開展檢測特征提取及缺陷識別研究，研究傳導類及波動類無損檢測方法在無砟軌道檢測中應用的適應性，研究典型傷損無砟軌道的修復材料、修復方法及修補復合結構的力學特性(如圖5所示)，為提升無砟軌道服役性能提供技術支撐。

2.3 高速鐵路無縫線路狀態(tài)演變機理、服役狀態(tài)評估理論與診控技術研究

考慮支座摩阻力、樁-土非線性作用、加載歷史引起的扣件塑性變形以及端刺和摩擦板的非線性剛度，建立無縫線路與多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋相互作用的軌-枕(軌排)-梁-墩一體化計算模型，如圖5、圖6所示。研究軌道結構工作狀態(tài)演變對梁軌系統(tǒng)受力特性的影響，提出典型地區(qū)多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋極限溫度跨度、鋼軌伸縮調節(jié)器的設置條件和方法以及橋梁墩臺縱向剛度限值。

圖4 重復加載應力-應變曲線圖

圖5 軌-枕(框架)-梁-墩一體化計算模型主視圖

圖6 軌-枕(框架)-梁-墩一體化計算模型Ⅰ-Ⅰ斷面圖

建立復雜條件下路基或橋上無縫道岔狀態(tài)演變預測模型，構建考慮溫度循環(huán)變化條件下的無縫道岔結構受力與變形的求解方法，探究路基/橋上無縫道岔服役狀態(tài)對行車安全性和平穩(wěn)性的影響規(guī)律，提出其各項性能劣化指標評判標準及允許限值[15]。

運用輪軌系統(tǒng)動力學、結構隨機振動分析方法和結構動力可靠度理論，建立考慮溫度荷載作用的車輛與不同軌道結構耦合振動的計算模型，揭示高速鐵路不同軌道結構無縫線路長鋼軌橫向、豎向變形機理及演化規(guī)律，提出相應的長鋼軌橫向、豎向變形評判指標及允許限值，研究在各種隨機因素作用下，不同鋼軌溫升幅度所對應的無縫線路長鋼軌橫向、豎向變形規(guī)律，提出控制無縫線路長鋼軌橫向、豎向變形的有效方法。

2.4 高速鐵路軌道不平順狀態(tài)演化機理、評價理論與高效檢測技術研究

研究高速行車條件下鋼軌表面短波不平順引起的輪軌動力響應特征及其演化規(guī)律，研究高速列車動荷載反復作用下軌道結構傷損與軌道不平順累積變化機制，確立動荷載作用與線路幾何狀態(tài)演化之關系，根據(jù)實際軌道不平順變化規(guī)律及其綜合影響因素，研究建立軌道幾何狀態(tài)演變模型，預測軌道不平順的變化規(guī)律[16]。

研究我國高速鐵路軌道不平順檢測數(shù)據(jù)基本特性，分析關鍵點局部軌道不平順特征及其描述方法，分析單元軌道不平順譜的概率分布特征及時頻域特征，提出高速鐵路軌道不平順的評價方法，如軌道質量指數(shù)、軌道譜、三維譜、車體響應譜法等，研究高速鐵路運營過程中軌道幾何不平順變化對高速列車運行安全性和乘車舒適性的影響規(guī)律，提出相應的幅值控制準則，研究鋼軌表面局部幾何狀態(tài)惡化對輪軌動力作用及高速行車品質的影響，提出相應的維護標準建議。

建立了精細化的車輛-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)動力學分析模型，結合虛擬軌檢理論，對大跨度橋梁軌道幾何形位進行虛擬檢測，如圖7～圖9所示。研究軌道剛度限值及變化率對輪軌動力行為的影響，提出其控制指標；研究寬頻動剛度反演的軌道剛度綜合評價體系，建立軌道剛度檢測數(shù)據(jù)的分析模型及評判機制；研究扣件動剛度與鋼軌振動模態(tài)的內在聯(lián)系，揭示非均勻支撐剛度影響結構模態(tài)的機理；研究鋼軌振動的縱向及豎向傳遞規(guī)律，提出鋼軌激振點及傳感器布置方法；研究鋼軌人工激振檢測軌道動剛度的方法，研究基于檢測信息的軌道剛度反演求解理論與方法，實現(xiàn)軌道動剛度的在線檢測。

圖7 慣性基準法原理圖

圖8 軌道高低不平順圖

圖9 動靜態(tài)高低不平順軌道譜對比圖

2.5 高速鐵路軌道部件高頻振動特性及共振疲勞研究

輪軌高頻激振力會激起輪軸的高頻彎曲和車輪節(jié)徑、扇形模態(tài)等高頻柔性變形，同時輪對的高速旋轉效應和慣性效應還會影響輪軌相互作用和輪軌滾動接觸行為，需發(fā)展能考慮輪軌結構高頻柔性變形的剛柔耦合動力學，甚至是多柔性或多彈性體系統(tǒng)動力學，從而得到列車系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)及橋隧等基礎結構在時域、頻域內的各項動力學響應，并根據(jù)相應的評價準則和標準來判定列車運行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，軌道結構的承載能力、變形特性、荷載傳遞特性以及輪軌系統(tǒng)各部件的疲勞特性、使用可靠性等，為確保列車安全、平穩(wěn)以規(guī)定速度不間斷運行提供理論支撐[17]。

列車高速運行會導致軌道不平順激振頻率提高，由低頻段逐漸拓寬到中高頻段，外部激擾頻率增大至接近或超過輪軌系統(tǒng)固有頻率時，將會導致輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生諧振或局部共振(或顫振)。一方面導致鋼軌波磨和車輪多邊形磨損朝著與共振頻率相對應的固定波長發(fā)展，另一方面加劇輪軌系統(tǒng)各部件的振動及疲勞傷損，大幅降低這些關鍵部件的結構強度和服役壽命。因此需探究輪軌系統(tǒng)共振對鋼軌波磨、車輪多邊形發(fā)展及部件疲勞損傷的影響機制。

過去，在車輛軌道系統(tǒng)設計過程中，一般只注意其強度和可靠性問題，很少關注輪軌系統(tǒng)結構自身的高頻振動特性[18-19]，在某些條件下被激發(fā)出來后，可能會導致難以預測的輪軌傷損，如車輪多邊形和高速鐵路鋼軌短波長波磨問題。因此，需要從控制高頻振動的激勵源、減緩高頻振動向探究列車及軌道結構傳遞、優(yōu)化列車及軌道結構設計避開共振模態(tài)等途徑來綜合調控輪軌系統(tǒng)的高頻振動及其影響。通過優(yōu)化結構線型，可提高彈條的固有頻率并延長其疲勞壽命。優(yōu)化前后彈條的性能參數(shù)對比如圖10～圖12所示。

圖10 彈條加速度頻響函數(shù)圖

圖11 彈條振動加速度時域對比圖

2.6 高速鐵路輪軌振動與噪聲預測、評價理論與控制技術研究

建立高速列車與不同狀態(tài)下無砟軌道、高速列車與不同狀態(tài)下道岔系統(tǒng)的動態(tài)相互作用模型，研究軌道幾何狀態(tài)演化、軌道結構傷損及性能劣化等實際演化因素對高速行車安全性與旅客乘坐舒適性的影響規(guī)律，對軌道結構動態(tài)服役性能演化的影響規(guī)律，繼而提出確保高速列車安全、平穩(wěn)運營的軌道結構性能演變與狀態(tài)控制準則和方法，完善高速鐵路運維標準和保障體系[20]。

圖12 彈條振動加速度頻域對比圖

建立列車、軌道(道岔)、基礎結構(橋梁、隧道、路基等)大系統(tǒng)動力學分析模型，研究不同軌道結構狀態(tài)及軌道不平順對基礎結構的動力影響、不同基礎及其過渡結構對軌道動態(tài)性能演化的影響以及對行車品質的影響規(guī)律，研究輪軌振動向基礎結構的傳遞規(guī)律(無砟軌道振動傳遞特性現(xiàn)場試驗如圖13所示)，從確保行車安全性及乘客舒適性角度，提出基礎結構動變形及動強度等控制指標與限值[21]。

圖13 無砟軌道振動傳遞特性現(xiàn)場試驗圖

建立高速鐵路輪軌系統(tǒng)幅頻交變動力學模型，基于分段線性化的虛擬激勵求解方法，研究減振材料性能隨振幅、頻率、環(huán)境溫度而衰減、地質條件與建筑環(huán)境變化、軌道不平順及軌道結構損傷等因素對輪軌系統(tǒng)振動、噪聲產(chǎn)生及傳播規(guī)律的影響(如圖14、圖15所示)，研究輪軌共振對鋼軌波磨、輪軌沖擊對鋼軌傷損的影響，提出高速鐵路輪軌系統(tǒng)振動及噪聲水平預測與評估方法。

圖14 垂向彎曲波傳遞系數(shù)圖

圖15 橫向彎曲波/扭轉波傳遞系數(shù)圖

深入探索高速鐵路輪軌系統(tǒng)減振、隔振、吸振、消振機理，基于高速鐵路輪軌系統(tǒng)振動及噪聲控制指標及限值，提出適合于高速鐵路軌道高平順性要求的吸振、吸聲策略，研發(fā)吸振鋼軌、吸振無砟軌道板、吸音覆蓋板等新型減振降噪軌道結構，并細致探討各種減振降噪技術對軌道結構自身服役性能的影響，形成符合高速鐵路線路運營安全要求的軌道結構減振降噪技術體系。

3 高速鐵路軌道結構安全服役性能研究關鍵科學問題

針對高速鐵路軌道基礎結構動態(tài)性能演變及服役安全研究，筆者提出以下關鍵科學問題，擬通過探明復雜環(huán)境因素與動荷載耦合作用下關鍵工程材料與高速道岔、無砟軌道、無縫線路等關鍵結構的動態(tài)性能演化規(guī)律，掌握高速鐵路軌道結構累積變形及軌道幾何不平順的演化規(guī)律，揭示高速車輛與固定軌道系統(tǒng)及其下部基礎結構間的動態(tài)相互作用演變機制，推動高速鐵路軌道結構運營管理與維護技術變革。

3.1 揭示環(huán)境與動荷載耦合重復作用下軌道關鍵工程材料與結構動態(tài)性能的演變機制

高速鐵路軌道結構的水泥乳化瀝青砂漿、現(xiàn)澆混凝土和蒸養(yǎng)混凝土等關鍵材料均屬于水泥基復合材料，其成分較為復雜，同時具有多孔性、勻質性差、極限應變小等特點。在列車動荷載循環(huán)作用下，該類材料內部的界面區(qū)和孔縫會逐漸演變，微空洞、微裂隙等傷損的產(chǎn)生和演變會軟化結構材料，從而劣化結構材料的動態(tài)力學性能。此外，該類材料親水性較強，在軌道結構長期服役過程中，外界水分會滲透進入內部孔縫中，可能導致水泥基復合材料長期處于含水狀態(tài)條件下，并同時承受列車動荷載作用，因此需考慮材料含水量對孔縫演化的影響。需要解決以下兩個關鍵問題，一是動荷載作用下水泥基復合材料動態(tài)力學性能本構關系和材料破壞臨界值的確定；二是在列車動荷載與溫度、水等環(huán)境因素耦合重復作用下，水泥基復合材料性能的時空動態(tài)演變和劣化行為。

高速鐵路軌道結構的另一類關鍵工程材料為制作車輪與鋼軌的金屬材料。在高速運行條件下，輪軌材料服役時存在交變的機械應力和熱應力、濕空氣和氫環(huán)境以及接觸表面的“第三介質”。另外，服役時輪軌表層由珠光體變?yōu)轳R氏體會使失效加速。因此，需要解決多場耦合下輪軌磨損疲勞機制以及低接觸應力、低磨耗、良好曲線通過性能和高蛇行失穩(wěn)臨界速度等條件的最優(yōu)綜合控制等關鍵問題。

對于高速鐵路軌道結構而言，其構成材料性能的劣化勢必會弱化相應結構或部件的動態(tài)性能，而軌道結構在宏觀上服役性能的動態(tài)演變不單是材料微觀層面演化的簡單線性疊加，還與軌道結構形式及其組合方式、外界荷載特性等因素密切相關。因此，由于結構的多尺度效應，即使獲得了其組成材料的性能劣化規(guī)律，還不能直接由此獲得結構的動態(tài)性能演變規(guī)律。為了能由定性到定量地具體表征高速鐵路軌道結構的動態(tài)性能演化機制，至少需要從軌道結構層面上開展相關研究，因此需要解決高速鐵路無砟軌道結構動荷載與溫度荷載的耦合作用機制、無砟軌道結構動態(tài)性能演化及失效機理等關鍵問題。

3.2 探明復雜服役環(huán)境下軌道材料劣化、部件損傷、結構不均勻累積變形與軌道幾何狀態(tài)演變機制

高速鐵路軌道結構在復雜的服役環(huán)境下，其材料會不斷劣化，部件結構的動態(tài)性能也會不斷演化，在長時間的疲勞荷載累積作用或偶然荷載作用下會發(fā)生部件的損傷，這種累積變形和傷損，都會以某種方式、從不同程度表現(xiàn)為軌面動靜態(tài)的幾何形態(tài)變化，從而進一步增大輪軌系統(tǒng)的動力響應，同時又影響軌道結構服役狀態(tài)的演變。研究高速鐵路軌道結構及材料性能劣化、部件損傷、結構累積變形與軌面動靜態(tài)幾何形態(tài)之間的演化與映射關系需要解決以下關鍵問題：(1)列車動荷載和環(huán)境荷載反復耦合，軌道結構多尺度累積損傷機理及對軌道動靜態(tài)不平順的作用機制；(2)豎向多層、縱向異性的高速鐵路軌道多層結構之間幾何形態(tài)、動態(tài)服役性能的交互協(xié)調與影響機制；(3)高速鐵路軌道及基礎各層結構狀態(tài)時空演化特征、結構狀態(tài)協(xié)調變形以及長期變形傳遞機制[22]。

3.3 軌道結構服役性能與高速列車-軌道結構耦合系統(tǒng)動態(tài)性能的相互影響及演化機制

高速鐵路服役過程中，結構關鍵材料劣化、部件傷損以及軌道結構不均勻變形等持續(xù)變化，將使列車、軌道、基礎結構耦合系統(tǒng)動力學問題復雜多變，甚至隨著損傷程度的加深，還有可能改變該動力系統(tǒng)的耦合作用關系，加劇工程材料、關鍵部件和結構動態(tài)的性能劣化甚至失效，除此之外，還會促使軌道不平順發(fā)生演變與惡化。作為車輛-軌道耦合大系統(tǒng)的主要激擾源，軌道不平順惡化會明顯加劇系統(tǒng)動態(tài)相互作用，從而加速關鍵部件、工程材料的劣化進程以及軌道結構累積變形的持續(xù)增長。要準確分析、把握這種相互作用機制需要解決以下關鍵問題：(1)不同服役條件下高速列車與軌道結構耦合動力分析理論與方法；(2)軌道結構服役性能劣化對層間及承載基礎層耦合作用機制的影響及動力響應傳遞與衰減規(guī)律等。

4 結束語

本文以國家交通發(fā)展戰(zhàn)略的重大需求和相關學科前沿為導向，以高速道岔、無砟軌道、無縫線路三大關鍵軌道結構為研究對象，圍繞復雜環(huán)境因素與動荷載耦合、重復作用下工程結構與材料動態(tài)性能演化、高速鐵路軌道結構損傷及累積變形、高速車輛系統(tǒng)與固定軌道結構的動態(tài)相互作用演變機制等關鍵問題，采用理論分析、數(shù)值仿真、室內試驗、現(xiàn)場試驗和長期監(jiān)測等多種研究方法，開展其動態(tài)性能演變及服役安全基礎理論和工程技術方面的研究，探明軌道結構在復雜條件下的動態(tài)性能演化規(guī)律、累積損傷變形與軌道不平順的演變機制以及對輪軌系統(tǒng)的動力相互作用規(guī)律，提出關鍵工程結構及材料服役性能評價與預測方法，研發(fā)軌道結構服役狀態(tài)檢測及監(jiān)測技術，提出軌道結構維修控制策略和方法，為我國高速鐵路軌道結構服役安全與高效維護提供了基礎理論和關鍵技術支撐。