本书是雷晓燕教授带领的课题组，历经数十载在高速铁路轨道动力学领域研究成果的系统总结。研究内容属现代铁路轨道动力学理论中的前沿问题，涉及高速列车轨道耦合系统动力学理论、模型、算法及工程应用。全书共十六章，包括轨道动力学分析内容及相关标准、轨道结构动力分析的解析法、轨道结构动力分析的傅里叶变换法、高架轨道结构振动特性分析、轨道不平顺功率谱及数值模拟、车辆轨道耦合系统垂向动力分析模型、车辆轨道耦合系统动力分析的交叉迭代算法、动轮单元模型及算法、轨道单元和车辆单元模型及算法、车辆轨道耦合系统动力分析的移动单元法、车辆轨道路基大地耦合系统垂向动力分析模型、列车有砟轨道耦合系统动力特性分析、列车板式轨道耦合系统动力特性分析、车辆轨道空间非线性耦合系统动力学模型及算法、基于谱单元法的轨道结构中高频振动特性分析，以及预测高架轨道引起大地振动的半解析方法。
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1978.02-1982.01，同济大学，本科
1982.02-1984.10，同济大学，硕士
1986.09-1989.12，清华大学，博士
1991.03-1994.11，奥地利Innsbruck大学，高级访问学者
2001.01-2001.04，日本九州工业大学，客座研究员
2007.07-2007.10，美国Kentucky大学，高级研究员从1984年起，一直在华东交通大学任教。现为华东交通大学教授、博导，国家首批“百千万人才工程”第一、二层次人才，江西省“井冈学者”特聘教授，全国优秀科技工作者，科技部“先进轨道交通重点专项”专家组成员。车辆轮轨诱发的环境振动与噪声控制关键技术及产业化，国家科技进步二等奖，2011年，排名1中国交通运输协会常务理事。《International Journal of Rail Transportation》、《Journal of Civil Engineering Architecture》、《铁道学报》、《铁道科学与工程学报》、《城市轨道交通研究》、《交通运输工程与信息学报》、《噪声与振动控制》等编委。
目录
“高速铁路轨道工程丛书”序
序
第三版修改说明
前言
第一章 轨道动力学分析内容及相关标准 1
1.1 轨道动力学模型与方法研究回顾 1
1.2 轨道动力学分析内容 4
1.3 安全性平稳性限值 5
1.3.1 安全性限值 5
1.3.2 运行品质限值 6
1.3.3 运行平稳性限值 7
1.3.4 舒适度指标 8
1.3.5 轨道结构动力性能评判标准 9
1.4 高速铁路轨道维修管理标准 9
1.4.1 法国高速铁路轨道维修管理标准 10
1.4.2 日本新干线高速铁路轨道维修管理标准 10
1.4.3 德国高速铁路轨道维修管理标准 11
1.4.4 英国高速铁路轨道维修管理标准 12
1.4.5 韩国高速铁路轨道几何状态检测标准 13
1.4.6 中国高速铁路轨道不平顺维修管理标准 14
1.4.7 欧洲高速列车-轨道耦合系统主频范围和敏感波长 15
1.5 铁路环境噪声标准 15
1.5.1 噪声评价指标 15
1.5.2 中国铁路噪声标准 16
1.5.3 国外铁路噪声标准 17
1.6 铁路环境振动标准 18
1.6.1 振动参量及评价指标 18
1.6.2 城市区域环境振动标准 22
1.6.3 城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声标准 23
1.7 古建筑结构容许振动标准 24
参考文献 26
第二章 轨道结构动力分析的解析法 31
2.1 高速列车诱发地面波与轨道强振动研究 31
2.1.1 轨道结构连续弹性基础梁模型 31
2.1.2 轨道等效刚度与轨道基础弹性模量的关系 33
2.1.3 轨道临界速度 33
2.1.4 轨道强振动分析 34
2.2 轨道刚度突变对轨道振动的影响 37
2.2.1 移动荷载作用下考虑轨道表面不平顺和刚度突变的轨道振动模型 37
2.2.2 轨道不平顺和轨道刚度突变对轨道振动的影响 40
2.2.3 轨道过渡段刚度设计及平缓措施 45
参考文献 46
第三章 轨道结构动力分析的傅里叶变换法 47
3.1 轨道结构连续弹性单层梁模型 47
3.1.1 傅里叶变换 48
3.1.2 快速离散傅里叶逆变换 49
3.1.3 Matlab中的离散傅里叶逆变换定义 49
3.2 轨道结构连续弹性双层梁模型 50
3.3 高速铁路轨道临界速度分析 52
3.3.1 单层梁模型分析 52
3.3.2 双层梁模型分析 53
3.4 轨道结构连续弹性三层梁模型 54
3.4.1 有砟轨道结构连续弹性三层梁模型 54
3.4.2 无砟轨道结构连续弹性三层梁模型 58
3.5 客货混运铁路轨道结构振动分析 59
参考文献 62
第四章 高架轨道结构振动特性分析 63
4.1 导纳的基本概念 63
4.1.1 导纳的定义 63
4.1.2 计算方法 64
4.1.3 谐响应分析 65
4.2 高架桥梁结构振动特性分析 65
4.2.1 解析梁模型 66
4.2.2 有限元模型 69
4.2.3 高架轨道桥梁解析模型与有限元模型对比 70
4.2.4 桥梁支座刚度的影响 71
4.2.5 桥梁截面型式的影响 71
4.3 高架轨道结构振动特性分析 73
4.3.1 高架轨道-桥梁解析模型 73
4.3.2 有限元模型 75
4.3.3 桥梁结构阻尼 76
4.3.4 高架轨道-桥梁系统参数分析 78
4.4 高架轨道结构振动衰减分析 82
4.4.1 振动传递衰减率 82
4.4.2 钢轨振动衰减系数 87
参考文献 87
第五章 轨道不平顺功率谱及数值模拟 89
5.1 随机过程的基本概念 89
5.1.1 平稳随机过程 90
5.1.2 各态历经 91
5.2 轨道随机不平顺功率谱 91
5.2.1 美国轨道不平顺功率谱 92
5.2.2 德国高速轨道不平顺功率谱 93
5.2.3 日本轨道不平顺Sato谱 93
5.2.4 中国轨道不平顺功率谱 94
5.2.5 合-武客运专线轨道不平顺谱 96
5.2.6 轨道不平顺功率谱拟合曲线的比较 97
5.3 轨道随机不平顺的数值模拟 99
5.4 三角级数法 100
5.4.1 三角级数法1 100
5.4.2 三角级数法2 100
5.4.3 三角级数法3 101
5.4.4 三角级数法4 101
5.5 轨道随机不平顺样本 101
参考文献 102
第六章 车辆-轨道耦合系统垂向动力分析模型 104
6.1 动力有限元基本理论 104
6.1.1 动力有限元法概述 104
6.1.2 梁单元理论 107
6.2 轨道结构的有限元方程 113
6.2.1 基本假设与计算模型 113
6.2.2 轨道结构广义梁单元模型 113
6.3 移动轴荷载作用下轨道动力学模型 117
6.4 单轮附有一系悬挂的车辆模型 119
6.5 半车附有二系悬挂的车辆模型 120
6.6 整车附有二系悬挂的车辆模型 122
6.7 车辆与轨道结构参数 125
6.7.1 车辆结构参数 125
6.7.2 轨道结构参数 125
参考文献 127
第七章 车辆-轨道耦合系统动力分析的交叉迭代算法 129
7.1 车辆-轨道非线性耦合系统动力学模型与交叉迭代算法 129
7.2 算例验证及收敛性分析 133
7.2.1 算例验证 133
7.2.2 时间步长的影响 136
7.2.3 收敛精度的影响 137
7.3 列车-轨道非线性耦合系统动力分析 138
7.4 结论 141
参考文献 142
第八章 动轮单元模型及算法 144
8.1 动轮单元模型 144
8.2 单轮附有一系悬挂的动轮单元模型 146
8.3 单轮附有二系悬挂的动轮单元模型 149
8.4 单轮过桥动力分析模型及算法 152
参考文献 154
第九章 轨道单元和车辆单元模型及算法 155
9.1 有砟轨道单元模型 155
9.1.1 基本假设 155
9.1.2 三层有砟轨道单元 156
9.2 板式轨道单元模型 158
9.2.1 基本假设 158
9.2.2 三层板式轨道单元 159
9.2.3 板式轨道单元质量矩阵 160
9.2.4 板式轨道单元刚度矩阵 161
9.2.5 板式轨道单元阻尼矩阵 165
9.3 板式轨道-桥梁单元模型 166
9.3.1 基本假设 166
9.3.2 三层板式轨道-桥梁单元 167
9.3.3 板式轨道-桥梁单元质量矩阵 168
9.3.4 板式轨道-桥梁单元刚度矩阵 168
9.3.5 板式轨道-桥梁单元阻尼矩阵 169
9.4 车辆单元模型 170
9.4.1 车辆单元的势能 171
9.4.2 车辆单元的动能 175
9.4.3 车辆单元的耗散能 175
9.5 车辆-轨道耦合系统有限元方程 176
9.6 列车-轨道耦合系统动力分析 177
参考文献 183
第十章 车辆-轨道耦合系统动力分析的移动单元法 184
10.1 基本假设 184
10.2 板式轨道三层梁移动单元模型 185
10.2.1 板式轨道控制方程 185
10.2.2 板式轨道移动单元的质量、阻尼和刚度矩阵 187
10.3 车辆单元模型 192
10.4 车辆-板式轨道耦合系统有限元方程 192
10.5 算例验证 193
10.6 高速列车-板式轨道耦合系统动力分析 194
参考文献 198
第十一章 车辆-轨道-路基-大地耦合系统垂向动力分析模型 200
11.1 移动荷载作用下板式轨道-路堤-大地系统模型 200
11.1.1 板式轨道-基床系统动力学方程 201
11.1.2 路堤本体-大地系统动力学方程 203
11.1.3 板式轨道-路堤-大地系统耦合振动 205
11.2 移动荷载作用下有砟轨道-路堤-大地系统模型 206
11.2.1 有砟轨道-基床系统动力学方程 207
11.2.2 有砟轨道-路堤-大地系统耦合振动 208
11.3 移动车辆-轨道-路基-大地耦合振动解析模型 209
11.3.1 移动车辆在轮对处的柔度矩阵 209
11.3.2 轨道-路基-大地系统在轮轨接触点处的柔度矩阵 212
11.3.3 考虑轨道不平顺的移动车辆-轨道-路基-大地系统轮轨力的计算 212
11.4 高速列车-轨道-路基-大地耦合系统动力响应分析 213
11.4.1 列车速度和轨道不平顺对路堤本体振动的影响 213
11.4.2 基床刚度对路堤本体振动的影响 215
11.4.3 路堤土体刚度对路堤本体振动的影响 215
参考文献 216
第十二章 列车-有砟轨道耦合系统动力特性分析 218
12.1 车辆与轨道结构参数 218
12.2 列车速度效应分析 219
12.3 轨道基础刚度效应分析 222
12.4 过渡段不平顺效应分析 224
12.5 过渡段综合效应分析 229
参考文献 232
第十三章 列车-板式轨道耦合系统动力特性分析 234
13.1 算例验证 234
13.2 列车-板式轨道耦合系统动力特性参数分析 235
13.2.1 轨下垫板和扣件刚度的影响 236
13.2.2 轨下垫板和扣件阻尼的影响 238
13.2.3 CA砂浆刚度的影响 240
13.2.4 CA砂浆阻尼的影响 243
13.2.5 路基刚度的影响 245
13.2.6 路基阻尼的影响 247
参考文献 250
第十四章 车辆-轨道空间非线性耦合系统动力学模型及算法 251
14.1 车辆子系统模型 251
14.1.1 车辆子系统空间模型 251
14.1.2 车辆子系统动力学方程 252
14.2 轨道子系统模型 260
14.2.1 轨道子系统空间模型 260
14.2.2 空间梁单元的质量、刚度和阻尼矩阵 262
14.2.3 空间六面体单元的质量、刚度和阻尼矩阵 265
14.2.4 二结点空间黏弹性阻尼单元刚度矩阵和阻尼矩阵 266
14.2.5 路基刚度矩阵和阻尼矩阵 267
14.2.6 CA砂浆层单元刚度矩阵和阻尼矩阵 268
14.3 车辆-轨道空间非线性耦合系统动力分析的交叉迭代法 268
14.4 轮轨空间接触几何关系分析 269
14.4.1 构建车轮踏面与钢轨轨头廓形坐标数据库 270
14.4.2 计算车轮踏面轮轨接触点坐标 270
14.4.3 计算钢轨轨头轮轨接触点坐标 273
14.4.4 搜索轮轨接触点 273
14.4.5 轮轨准弹性接触修正 273
14.4.6 计算车轮踏面接触角 275
14.4.7 计算轮轨法向接触力 276
14.5 模型验证 277
14.6 既有高铁线路提速至400km/h运行的适应性分析 278
参考文献 283
第十五章 基于谱单元法的轨道结构中高频振动特性分析 285
15.1 引言 285
15.2 轨道结构单层梁模型 286
15.2.1 轨道结构单层梁模型谱单元刚度矩阵 287
15.2.2 由钢轨扣件引起的轨道结构谱单元刚度矩阵 292
15.2.3 二维梁截断谱单元刚度矩阵 293
15.2.4 整体结构的谱刚度矩阵 294
15.3 无砟轨道结构三层梁模型谱单元刚度矩阵 294
15.4 无砟轨道结构中高频振动参数分析 299
15.4.1 轨下垫板和扣件刚度的影响 300
15.4.2 CA砂浆刚度的影响 301
15.4.3 路基刚度的影响 303
15.4.4 结论 305
15.5 车辆-轨道耦合系统动力分析的频域法 305
15.5.1 车辆模型 305
15.5.2 车辆-轨道耦合系统动力学谱元法方程 307
15.6 车辆-轨道耦合系统动力响应频域分析 308
15.6.1 模型验证 308
15.6.2 车辆-轨道耦合系统动力响应频域分析 309
15.6.3 轮轨接触处车轮和钢轨垂向振动分析 311
15.6.4 离开车辆不同距离轨道结构振动衰减特性分析 312
15.6.5 结论 313
参考文献 313
第十六章 高架轨道引起大地振动的半解析预测方法 316
16.1 大地振动半解析预测法 317
16.1.1 基于有限元和无穷元的大地振动分析模型 318
16.1.2 无穷元 319
16.1.3 数值积分 322
16.1.4 基于测量振动响应的有效列车荷载估计方法 324
16.1.5 相邻桥墩上的列车荷载对位移频响函数的影响 327
16.2 现场试验验证 327
16.2.1 桥梁结构和实验装置 327
16.2.2 识别土体参数和估计有效列车荷载 331
16.2.3 运用遗传算法求解目标函数最小值 332
16.2.4 大地振动预测 335
16.3 结论 339
参考文献 339
相关专业术语 342
附录A 车辆与轨道结构参数 356
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