冲击荷载下三种钢轨梁模型动力特性分析

建立了Euler梁、Timoshenko梁、修正Timoshenko梁钢轨模型,比较了三者固有频率的差异,分析了冲击荷载作用下三种模型的动力响应.结果表明:修正Timoshenko梁钢轨模型与Timoshenko梁钢轨模型的固有频率在中低频范围内相差不大,在高频时相差约6％,两种模型的振动位移、加速度响应大小基本接近,均大于Euler梁钢轨模型;修正Timoshenko梁模型形式简单,计算效率与Euler梁模型相当,而计算精度与Timoshenko梁模型接近.     

钢轨长实体模型在不同频段的振动及传递特性分析

钢轨的振动与噪声问题以及一些钢轨病害是轨道交通中比较重视的问题,认清钢轨在不同频率下的真实振动特性是解决这些问题的关键。本文应用长实体模型研究钢轨在不同频率下的垂、横向振动与传递特性,对比其与钢轨梁模型在钢轨振动特性研究中的差别,给出能够准确表明钢轨振动传递特性的导纳及振型。研究表明:钢轨在小于钢轨共振频率时的振型类似于静弯变形,大于钢轨共振频率时钢轨振动呈现多波振型。随着垂、横向振动频率进一步增加,钢轨截面产生变形。高频时长实体模型能够真实地反映钢轨的实际振动特性,钢轨Euler梁和Timoshenko梁模型适用截面未发生变形前的垂向振动分析,梁模型无法反映钢轨于轨头处横向激励引起的扭转变形,计算结果与实体模型有差别。     

扣件胶垫老化对地铁振动的影响

以DZⅢ型扣件为研究对象,建立车辆-轨道垂向耦合Timoshenko梁模型,计算钢轨垂向振动加速度,并与一地铁线实测结果进行对比,分析扣件胶垫老化后刚度的变化对轨道振动的影响。结果表明:计算结果和实测结果基本吻合;随着胶垫老化,胶垫刚度从30 kN/mm增加到60 kN/mm时,钢轨垂向振动加速度没有明显的变化;胶垫刚度从30 kN/mm增加到90 kN/mm时,钢轨垂向振动加速度最大值增加了112%,即胶垫刚度增大2倍以上时,钢轨振动加速度所受影响较大;当钢轨振动中心频率125 Hz时,胶垫刚度变化对钢轨振动的影响较小;当钢轨振动中心频率在125~1 500 Hz时,胶垫刚度变化对钢轨振动的影响明显,加速度振级变化最大值可达14.22 dB;随着胶垫刚度的增大,轮轨力的变化比较明显,轮轨脱离的时刻明显增多。     

高速铁路钢轨波磨对沿线声环境的影响

针对铁路钢轨异常波磨问题,在某高铁线路两侧对未发生异常波磨和发生波磨路段进行了噪声测试.发生波磨与未发生波磨区段的测试对比结果表明:(1)对于300 km/h动车组,动车组通过时段的等效声级远轨侧前者比后者增加2～4 dB(A),近轨侧前者比后者增加5～7 dB(A);315 Hz及以下的低频噪声基本不发生变化,在630 Hz、1 250 Hz处出现增量峰值,峰值增量接近10 dB(A).(2)对于250 km/h动车组,动车组通过时段的等效声级变化不明显[1.0 dB(A)以内];315 Hz及以下的低频噪声基本不发生变化,在500 Hz、1 000 Hz处出现增量峰值,峰值增量2～3 dB(A).(3)根据理论计算,对于250 km/h动车组,一阶振动频率约在490 Hz左右;对于350 km/h动车组,一阶振动频率约在600 Hz左右,与现场噪声峰值出现频率的实测结果非常接近.     

钢弹簧浮置板轨道支点力动力特性分析

建立了车辆一浮置板轨道垂向耦合动力学模型,其中钢轨为弹性离散支承有限长Euler梁,浮置板为弹性离散支承有限长自由梁.以美国五级谱作为随机不平顺激扰,计算分析了钢弹簧支点力动力特性.结果表明,支点力峰值随车速的提高而增大,其频率成分主要由车速、车辆结构特性以及浮置板一阶固有频率引起,即频率值在车速和车长的比值与比值的整数倍以及浮置板固有频率附近.     

扣件系统频变和温变特性对钢轨振动特性的影响

为研究扣件系统刚度和阻尼的频变以及温变特性对钢轨振动特性的影响,针对钢轨-扣件系统,采用格林函数法推导钢轨任意位置的位移导纳,计算考虑扣件系统频变和温变特性后钢轨的点导纳和位移导纳,并与不考虑扣件系统的频变和温变特性情况进行对比。研究结果表明:在一定频率范围内,激振频率的增大会提升扣件系统的刚度,降低系统阻尼,进而增大钢轨的共振频率,并加剧钢轨大于钢轨共振频率的高频振动响应,不利于高频振动的纵向衰减,但对钢轨的pinned-pinned振动无影响;在一定温度范围内,温度的降低会提升扣件系统刚度和阻尼,有助于减弱钢轨小于共振频率的低频振动响应,却会加剧钢轨的高频振动,进而加剧钢轨振动辐射噪声。     

整体桥上无缝线路钢轨非线性附加力算法研究

在计算桥上无缝线路的纵向阻力时,阻力模型通常采用无缝线路设计规范中建议的双折线纵向阻力模型,即有载与无载分别考虑后再线性叠加,未考虑钢轨的非线性行为。在计算方法上,工程中常采用有限元模型进行计算,有限元法建模效率较低、不便于对各设计参数的更改。为准确快速求得高速铁路整体式桥上梁轨相互作用下的钢轨附加力、钢轨位移、钢轨弹塑性分界点及整体桥墩顶位移等参数值的大小,提出更贴近于桥上钢轨实际受力的多折线纵向阻力模型,并采用建立微分方程组的数值解法,通过建立具有变化规律的平衡矩阵式来求解桥上无缝线路钢轨纵向阻力值的相关参数。研究分别给出了有载、无载工况下求解整体式桥上钢轨附加应力值的规律性矩阵式,经有限元法验证,得到该方法下的温度、制动力附加应力值的误差均较小,分别为1.6%和0.5%。并结合规律矩阵式得到同时考虑有载与无载下的非线性附加力的计算方法,非线性叠加与线性叠加两方法下的总附加应力计算差值随着制动/牵引力下的梁轨相对位移值的增大而增大,当梁轨相对位移小于1.8 mm时,2种方法误差少于5%,可忽略不计,但随着梁轨相对位移的进一步增加,非线性阻力模型计算的结果则更贴近于实际。     

地铁常用减振轨道钢轨横向振动特性测试分析

研究目的:地铁常用减振型轨道结构由于采用不同的轨道横向限位方式,改变了钢轨的横向振动特性。为研究不同减振措施对钢轨横向振动特性的影响,本文对国内某城市地铁2号线常用减振型轨道结构进行钢轨横向加速度导纳和横向振动沿纵向的衰减率的测试分析。研究结论:(1)在频率100 Hz以下,减振垫浮置板道床的非刚性横向支承使得钢轨横向加速度导纳幅值大于普通DZⅢ-1型扣件整体道床,而钢弹簧浮置板轨道钢轨横向加速度导纳幅值在50 Hz以下大于DZⅢ-1型扣件整体道床;(2) GJ-Ⅲ型减振扣件的采用使得钢轨有着相对较低的横向弯曲共振频率,钢弹簧浮置板道床和减振垫浮置板道床的水平限位方式减弱了浮置板与基底的横向耦合,改变了200 Hz以下钢轨横向振动沿纵向的衰减率;(3) GJ-Ⅲ型减振扣件使得钢轨横向衰减率在中心频率2 500 Hz以下均小于DZⅢ-1轨道,并维持在较小的范围内,不利于减小钢轨横向振动产生的声辐射;(4)本研究成果对目前常用减振型轨道结构中钢轨横向振动特性的研究具有参考价值。     

轨道结构与桥梁共同作用力学计算模型的研究

轨道结构与桥梁共同作用的力学计算模型是解决轨道纵向位移阻力与梁轨相对信移相互作用计算问题的关键。本文采用平面杆系建立轨道结构与桥梁共同作有的力学计算模型，将轨道结构、梁体、支座、墩台、基础作为整体来考虑。桥梁和轨道的联结采用性梁单元模拟，其材料弹性模量和屈服应力通过轨道纵向位移阻力与梁轨相对位移关系的双折线化确定；同时为考虑梁跨挠曲对无缝线路钢轨受力的影响，梁跨高度采用刚臂模拟。通过对梁轨相互作用模型结构的试验结果和《铁路无缝线路》（1995年修订版）一书中桥上无缝线路钢轨力的钢轨变形微分方程解计算算例作比较，证实这一力学计算模型的合理性。     

城市交通系统中宽扁梁结构的自由振动分析

为研究城市交通系统中宽扁梁的动力性能,由明德林(Mindlin)板理论退化得到板梁的控制方程,并推导出两端简支和两端固支板梁的自由振动特征方程,然后分别求解其自振频率和模态,并将计算结果与铁木辛科(Timoshenko)梁、Mindlin板的结果进行对比,总结板梁方程的梁宽适用范围并考虑泊松比对宽梁自由振动的影响。分析表明:相较Timoshenko梁方程,板梁方程更贴近Mindlin板的计算结果,尤其是前5阶自振频率,更适于较大泊松比的宽梁结构动力分析。     

冲击荷载下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构振动与噪声的关联性研究

为揭示冲击荷载作用下无砟轨道结构振动和噪声的内在关联性,采用1∶1足尺模型对CRTSⅡ型板式无砟轨道结构进行多组冲击振动试验。通过在板式无砟轨道不同方向、不同位置的锤击,获得钢轨轨顶、轨腰、轨底各个位置的加速度及声强声压数据,采用快速傅里叶变换(FFT)获得了振动和噪声的频谱图,并进行频域特性对比分析,研究振动和噪声的内在关联性。结果表明:侧向冲击荷载下,轨顶轨腰处声强主要与侧向振动有关,频谱图峰值对应良好;垂向冲击荷载下,0~1 500 Hz区段的声强主要受垂向振动影响。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道-桥梁耦合模型中的钢轨与底座板频响特性研究

针对高速铁路常用的CRTSⅡ型板式无砟轨道结构,根据其特点,建立二维模型时,可将钢轨与底座板模拟为无限长Euler-Bernoulli梁。根据动力学基本原理,首先建立无限长Euler-Bernoulli梁在简谐荷载作用下的运动微分方程,通过稳态响应求解和积分变换,求出梁体的位移、速度和加速度频率响应函数。利用所推导的频响函数,探讨CHN 60型钢轨的位移、速度和加速度频率响应的频谱特性和频响衰减率。通过分析可知,钢轨的位移和速度频率响应随频率增加而降低,而加速度频率响应随频率增加而增大;位移频响衰减率随频率增加而显著降低,速度频响衰减率在10~100 Hz频段较大,加速度频响衰减率随频率增加而显著增大。     

一种连续梁式架空轨束梁分析与实践

按连续梁架空方式设计了一种跨度达8.6 m,最大挠度仅为9 mm的轨束梁,经检算和实际使用均满足施工要求。为检验轨束梁的设计计算方法的正确性和实用性,对岳阳卫生所框架涵施工中采用的按连续梁式架空轨束梁纵梁的最大挠度进行计算,计算值与实测值接近,最大挠度计算值为7.6 mm,最大挠度实测值为7 mm。理论计算及工程实践表明本连续梁式架空轨束梁的设计计算方法可靠,连续梁架空方式是提高轨束梁架空跨度的有效方法。     

减振垫刚度变化对U型梁桥系统振动及结构噪声的影响研究

为了研究隔离式减振垫垂向刚度对U型梁桥结构振动及噪声的影响,采用多体动力学和有限元联合仿真的方法建立基于Timoshenko梁模型的车辆-轨道-桥梁刚柔耦合动力学模型,并将理论计算结果与以往文献对比,验证了模型的有效性。基于该模型计算了减振垫垂向刚度不同情况下的桥梁系统振动及噪声响应。结果表明:随着隔离式减振垫垂向刚度的增大,钢轨和轨道板的振动响应都有不同程度的减小,但桥梁结构的振动响应被放大,轨道结构和U型桥梁的振动幅值先是产生明显变化,随后逐渐趋于平缓;隔离式减振垫垂向刚度增加会增大桥梁结构二次噪声,所以应该选取较小的隔振垫刚度以达到抑制U型梁桥结构二次噪声的目的,但过小的垂向刚度可能会放大40 Hz以内低频区域的结构噪声。综合U型梁桥系统振动及结构噪声的计算结果,考虑到工程成本,用于高架结构的隔离式减振垫垂向刚度取为0.067N/mm~3较为合适。     

基于各向异性材料的全预应力梁自振频率的研究

研究目的：探讨从各向异性材料的角度，对全预应力梁中力筋预应力和自振频率间的相关关系进行分析研究，为进一步开展预应力梁的动测技术研究打下基础。研究方法：将预应力混凝土梁按各向异性复合材料进行理论分析和计算。 研究结果：推导出铁木辛柯型预应力梁的自振频率的计算公式。 研究结论：本文的分析方法和计算公式能比较好地反映梁的自振频率随预应力增加而增加的变化趋势，计算的结果与试验数据吻合较好，前二阶频率的计算具有较高的精度。在进行全预应力混凝土梁自振频率的研究中，将混凝土材料看作各向异性复合材料进行分析是可行的。     

轨下支承参数对钢轨声振特性影响研究

钢轨辐射噪声是轮轨噪声的主要组成部分,轨下支承参数对钢轨的振动与声辐射有着较大的影响。为研究轨下支承参数对钢轨声振频域特性的影响,基于FEM/BEM方法,建立钢轨振动力学模型和声学边界元模型,分析轨下扣件支承间距、支承刚度和支承阻尼对钢轨声振特性的影响规律。结果表明:扣件支承间距对钢轨的声振特性影响不明显;在20~200 Hz之间,合理大小的扣件支承刚度可以有效地减少钢轨振动与声辐射;合理大小的扣件支承阻尼可以有效地减少钢轨振动的频率范围为20~2 000 Hz,合理大小的扣件支承阻尼可以有效地减少钢轨声辐射的频率范围为100~1 000 Hz;扣件支承阻尼对钢轨声振特性影响的频域明显要宽于扣件支承刚度。     

调频式钢轨阻尼器安装偏差对钢轨振动衰减率的影响

为提高调频式钢轨阻尼器的减振降噪作用,本文基于谱元法建立简化计算模型,推导出钢轨单元的谱传递矩阵,再用BLOCH定理计算出钢轨振动衰减率。通过计算安装调频式钢轨阻尼器前后钢轨的振动衰减率,分析调频式钢轨阻尼器对钢轨振动衰减率的影响,并计算对比调频式钢轨阻尼器安装偏差的影响。结果表明:调频式钢轨阻尼器能大幅度提高自身工作频率附近的振动衰减率,在300,1 700 Hz附近均出现新的带隙,且钢轨一阶Pinned-pinned共振频率附近的带隙被拓宽,相应的衰减率峰值也得到提高;调频式钢轨阻尼器安装偏差会对500 Hz以上高频部分的振动衰减率产生影响,对500 Hz以内的几乎不会产生影响。     

连续梁桥上无缝线路附加力研究

以往对钢轨、轨枕及梁跨结构三者之间产生相对位移的计算模型,没有考虑轨枕位移的影响。在吸收国内外研究成果的基础上,建立了考虑钢轨、轨枕、梁体相互作用的连续梁桥上无缝线路梁、轨相互作用力学模型,并用该模型分析连续梁桥上无缝线路附加力分布规律,对两种力学模型计算结果进行对比。结果表明,挠曲附加力及断轨力受扣件阻力影响很大,降低幅度最多,伸缩附加力受扣件阻力影响小些,降低幅度次之;制动附加与扣件阻力关系不大,钢轨断缝值受扣件阻力影响很大,降低扣件阻力将导致断缝增大。     

高架轨道轮轨噪声预测分析

随着我国城市轨道交通的快速发展,高架轨道作为一种经济、实用、安全、快速的交通模式,在城市轨道交通建设中得到越来越广泛的运用,但由此带来的振动噪声对周围环境的影响也变得十分突出。通过建立轮轨噪声预测模型,运用有限元法分析箱型梁、U型梁阻抗,对高架轨道轮轨噪声进行预测分析。讨论了桥梁截面型式、行车速度、轨道扣件刚度、桥梁结构阻尼、桥梁支座刚度对高架轨道轮轨噪声的影响。分析结果表明,行车速度和扣件刚度对轮轨噪声有较大影响,在200 Hz以下,轮轨噪声总体上随着扣件刚度的增大而增大;在200~800 Hz范围内,轮轨噪声随着扣件刚度的增大反而减小;在800 Hz以上,扣件刚度对轮轨噪声无明显影响。桥梁截面型式仅在低频部分对轮轨噪声有较大影响,而桥梁结构阻尼、桥梁支座刚度则对高架轨道轮轨噪声影响甚微。     

钢轨声辐射特性的数值计算方法

声辐射系数是轮轨噪声预测的重要参数,用边界元方法预测声辐射系数,并以钢轨为例,计算了垂向和横向声辐射系数。计算结果表明:625 Hz以下,钢轨的横向、垂向声辐射系数随频率呈线性变化;1000 Hz以下钢轨的横向声辐射系数强于垂向声辐射系数;1000 Hz以上垂向声辐射系数大于横向声辐射系数,垂向声辐射系数在1000 Hz以上有两个峰值,分别在2000 Hz和5000 Hz;在1500 Hz~3000 Hz范围内钢轨垂向声辐射系数较大,这个频率内以垂向振动对声的贡献最大,这也是钢轨噪声的主要贡献频率;在5000 Hz附近要弱于2000 Hz附近的声辐射系数。该方法能很好地预测结构的声辐射系数,较好地解决了振动与噪声之间的联系问题,为轮轨噪声预测开辟了一条途径。