板式轨道动力响应分析方法

为了计算在高速车辆移动荷载作用下板式轨道的动力响应,将轨道板视为线性粘弹性连续支承梁,将钢轨视为线性粘弹性点支承梁,将钢轨和轨道板统一划分为有限单元,基于车辆-轨道耦合动力学理论,利用弹性系统动力学总势能不变值原理,建立了高速列车-板式轨道的垂向耦合动力学方程,计算了车辆通过板式轨道钢轨焊接区短波不平顺时的轮轨动力学响应。仿真结果表明:与其他成熟仿真方法相比较,响应变化趋势与幅值基本一致,表明该方法可行。     

CRTSⅢ型板式无砟轨道减振过渡段动力特性分析

针对高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道减振地段与非减振地段的刚度过渡段进行研究,基于车辆-轨道耦合动力仿真分析,在各级过渡段减振垫刚度按双倍递减的情况下,讨论过渡段范围每一级过渡长度和过渡级数对轮轨动力响应的影响。研究结果表明:当过渡级数一定,每一级过渡长度采用3块轨道板长度(约15 m),轮轨力幅值、过渡段与减振地段交界面板缝两侧扣件下压力差值、车体垂横向加速度幅值、脱轨系数及轮轨减载率均最小,且钢轨挠曲变化率、列车运行品质和稳定性满足相关限值要求;当每一级过渡长度一定时,过渡级数采用3级,轮对垂向位移突变值、轮轨力幅值、钢轨挠曲变化率幅值、板缝两侧扣件下压力、过渡段与非减振地段交界面板缝两侧的错台量和扣件下压力差值均最小,且钢轨挠曲变化率、列车运行品质和稳定性满足相关限值要求;过渡段范围内,列车在经过轨道板缝时存在较大的轮轨冲击作用,尤其在各级过渡段的交界面,轮轨冲击作用更加显著,建议加强对板缝、各级过渡段交界面附近扣件系统的养护和核查。     

路基上CRTSⅡ型板式轨道裂纹影响分析

为分析路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板开裂对车辆和无砟轨道结构的影响,根据弹性地基梁理论、有限元方法和轮轨系统耦合动力学理论,建立了弹性地基梁体的有限元模型和车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型.采用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,分析了轨道板开裂对轨道结构的静、动力学性能和行车性能的影响.分析结果表明:轨道板开裂对轨道结构受力的影响较小,不影响行车的平稳性和安全性;随列车速度增大和轨道板开裂,均会增大轮轨作用力和轨道结构的动力响应;在裂缝地段,应采取减振、隔振、控制轨道几何不平顺等措施降低轨道结构的动力响应;轨道板开裂将影响无砟轨道的耐久性和使用寿命,应及时修补.      

套靴刚度和阻尼对高速列车-弹性支承块式无砟轨道系统竖向振动的影响

采用轨段单元模拟弹性支承块式无砟轨道结构。钢轨模拟为弹性点支承Euler梁;钢轨下面的支承块视为刚体;道床板视为弹性薄板,并且采用横向有限条与板段单元法对其进行位移插值;钢轨扣件和支承块下胶垫和套靴模拟为线性弹簧和阻尼器;道床板与混凝土底座下的路基模拟为连续分布面弹簧和阻尼器。基于弹性系统动力学总势能不变值原理和形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了高速列车-弹性支承块式无砟轨道系统竖向振动矩阵方程,得到了系统振动响应,进一步分析了套靴刚度和阻尼对此系统竖向振动响应的影响规律。     

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。     

路基上纵连板式无砟轨道动力特性分析

为研究土质路基上纵连板式无砟轨道动力性能,建立了列车-路基上纵连板式无砟轨道耦合动力学模型.模型中,将纵连板式无砟轨道及路基视为空间层状粘弹性体,采用连续体建模法,建立其运动微分方程并用Galerk in法进行离散变换;分析了CRH2-300动车组以300、350 km/h速度运行时,路基上纵连板式无砟轨道的动力特性,并与京-津城际铁路实测结果比较.结果表明:水泥沥青砂浆最大动应力为46.8~50.5 kPa,小于砂浆层设计指标值15 MPa;动变形随深度衰减较慢,动应力随深度衰减较快;单个转向架产生动应力的影响范围沿线路纵向约为5 m、横向约为3.25 m;轨道板、水泥沥青砂浆层和支承层沿深度方向的变形分布差别不大.     

高速铁路无砟轨道关键设计参数动力学研究

应用列车-线路耦合动力学理论,分析了高速铁路无砟轨道关键设计参数,包括设计轮重、疲劳检算轮重、轨道合理刚度、路桥过渡段路基面支承刚度、路基不均匀沉降、轨面变形折角及钢轨挠度变化率.结果表明:设计轮重可取为静轮重的3.0倍;疲劳检算轮重系数可取为1.50;轨下基础刚度的合理范围为20～30 MN/m;路桥过渡段路基面支承刚度的合理值为500～1 000 MPa/m;路基不均匀沉降幅值、轨面变形折角和钢轨挠度变化率应分别控制在波长的1.0‰、1.5‰及0.3 mm/m以下.     

减振CRTS Ⅲ型板式无砟轨道路隧过渡段动力分析

为了设置合理的过渡段长度,最大限度地减小路基与隧道之间变形差对行车安全性和舒适性的影响,基于有限元方法和车辆-轨道垂向耦合动力学理论,建立了列车-轨道-路隧过渡段垂向耦合动力分析模型.以钢轨挠度变化率、车体加速度和轮轨力等作为评价指标,对路隧过渡段动力特性进行分析,提出了路基与隧道内同时设置过渡段时,减振橡胶垫层的刚度建议值和布置方式,以及仅在隧道内设置过渡段时过渡段长度的建议值.研究结果表明:过渡段橡胶垫层的刚度可采用分级过渡的方式,减振橡胶垫层的刚度比不宜超过2;在过渡段,以车体振动加速度为控制指标,从保障行车安全和减小过渡段维修工作量的角度出发,建议隧道内过渡段的设计长度为25~30 m.      

轨下垫板参数对轨道结构垂向振动影响研究

以往高速铁路研究的轨下结构过于简化,且只考虑了轨下弹性垫板单一变量对轨道动力学的影响,而不能综合考虑刚度和阻尼参数对轨道结构动力学性能的影响.在车辆-轨道耦合系统动力学理论的基础上,运用动力学软件SIMPACK建立高速车辆-板式无砟轨道模型,通过对原有单层轨道拓扑优化后设置分层,分析轨下弹性垫板刚度和阻尼对板式无砟轨道结构动力学性能影响.研究结果表明:轨道结构细化分层分析与实际高速铁路板式轨道结构更加相符,能够更准确的反映轨道局部结构对轨道垂向动力学性能的影响;垫板老化后的刚度增大加剧轮轨相互作用,降低轨道垂向位移,减弱钢轨的振动,同时导致轨道板振动加强;垫板失效后的阻尼减小同样增强轮轨相互作用,使得轨道垂向位移和振动加速度增大;轨下垫板刚度的敏感参数顺序为轨道板垂向加速度、钢轨垂向加速度、轨道板垂向位移、钢轨垂向位移和轮轨力.     

无砟轨道路基不均匀沉降区高速列车动力特性

为研究路基不均匀沉降对无砟轨道损伤及高速列车动力响应的影响，基于混凝土塑性损伤理论，建立了可考虑无砟道床混凝土损伤行为的车辆-无砟轨道-路基耦合动力学模型，并与线弹性模型计算结果进行对比，分析路基不均匀沉降波长、幅值及行车速度对高速列车动力学特性的影响.结果表明：路基不均匀沉降会造成无砟道床损伤，塑性损伤模型计算结果更能反映轨道服役状态；在各车辆动力学指标中，车体垂向加速度受路基沉降幅值影响最大；车辆动力学响应对波长20 m以下的路基不均匀沉降较为敏感，应对其重点关注；行车速度的增大会增加车辆动力响应，使轮轨作用力明显提升，车辆平稳性指标呈现接近线性的增长趋势.     

重载轨道曲线几何参数对轮轨耦合动力特性的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,根据中国最近研制的27 t轴重侧架交叉支撑转向架及C_80E型通用敞车的实际结构和重载铁路曲线轨道结构特点及其技术规范要求,建立了曲线轨道的重载铁路货车-轨道耦合动力学模型;基于新型快速数值积分方法、Hertz非线性弹性接触理论和Shen-Hedrick-Elkins非线性轮轨蠕滑理论,应用计算机仿真计算了不同工况下重载货车曲线通过时的轮轨耦合动力特性,分析了曲线半径、缓和曲线长度和外轨超高等曲线几何参数对重载货车轮轨动力作用的影响。分析结果表明:曲线半径在400~800 m范围内变化时对轮轨动力影响极为明显,而当曲线半径大于800 m后其影响逐渐弱化,重载铁路曲线半径一般不应小于800 m;增加缓和曲线长度能在一定程度上降低重载货车轮轨动力作用,但其作用效果存在长度拐点,拐点前效果明显,拐点后影响甚微,且曲线半径和运行速度都会影响拐点的具体位置,建议根据拐点位置来确定不同曲线半径线路的最小缓和曲线长度;过大的欠超高或过超高均会加剧重载货车曲线通过时的轮轨动力作用,但在欠超高为-20~0 mm时重载货车的综合轮轨动力响应相对较小,即保持货车以适当的欠超高(-20~0 mm)通过曲线有利于降低轮轨动力和磨耗,这与中国铁路工程运输实际设置的欠超高取值范围一致。      

客货共线无砟轨道钢轨支点压力时程特性分析方法

采用Tekscan压力测量系统现场测试了遂宁—重庆客货共线无砟轨道钢轨支点压力, 提出了高斯函数型钢轨支点压力时程表达式, 并通过现场实测数据对其进行验证; 根据钢轨支点压力时程表达式, 采用时序式加载法对轨道结构模型施加荷载, 并将其动力响应结果分别与车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型的计算结果和现场实测结果进行对比。研究结果表明: 现场实测客货车对钢轨支点的最大压力分别为29.91和82.49 kN, 与中国铁道科学研究院测试结果的相对误差小于20%, 故Tekscan压力测量系统可精确测试钢轨支点压力; 高斯函数拟合所得客货车对钢轨支点压力的时程曲线与实测曲线的相关系数分别为0.962 7和0.966 7, 最大压力与现场实测值的相对差异分别为5.15%和0.46%, 最小压力与现场实测值的相对差异分别为7.23%和24.11%, 故采用高斯函数能较好地模拟客货车对钢轨支点压力的时程曲线, 且货车作用下钢轨支点压力时程的模拟精度略高于客车; 基于时序式加载法的荷载激励-轨道-路基模型计算结果与车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型计算结果和现场测试结果相比, 轨道板最大位移相对差异分别为5.41%和2.70%, 底座板最大位移相对差异分别为2.86%和5.71%, 轨道板最大加速度相对差异分别为14.00%和23.20%, 底座板最大加速度相对差异分别为13.61%和8.73%。可见, 基于时序式加载法和高斯函数型钢轨支点压力时程表达式的荷载激励-轨道-路基模型可靠, 该方法无需建立车体模型, 既能保证计算效率, 又具有很高的精度。      

路基上双块式无砟轨道结构的参数影响分析

针对路基上双块式无砟轨道的结构形式,建立钢轨-扣件-轨下垫板-双块式轨枕-道床板-混凝土底座-弹性基础的有限元分析模型,应用大型国际通用有限元分析软件ABAQUS,对比分析不同的扣件刚度、不同的支承层厚度以及支承层弹性模量的变化对于路基上双块式无砟轨道结构的影响,为我国无砟轨道的结构设计和工程实践提供依据。     

嵌入式轨道槽内结构优化设计

嵌入式无砟轨道具有养护维修工作量小、结构稳定等特点,还具有良好的减振降噪性能,特别适应城市轨道交通运营需求,广泛应用在现代有轨电车线路建设中.由于嵌入式轨道的结构特点,其优化重点在槽内结构型式及包覆钢轨的高分子复合弹性体.利用有限元软件ANSYS对嵌入式轨道进行动、静态分析.在拓扑优化的基础上,根据城市轨道交通成本、安全、噪声、振动等功能要求构建轨道结构功能优化目标函数,对嵌入式轨道槽内结构进行优化设计.研究结果表明:针对槽型轨减少靠近轨腰与轨底连接处的复合材料,可以在保证轨道刚度前提下,尽可能节省成本;考虑降噪性能、隔振效果高分子复合材料包覆钢轨高度不宜降低,即应使其完全包覆钢轨;一般地段承轨槽宽度宜在200～220 mm;对于隔振要求严格的区域,增大承轨槽宽度是提高轨道结构隔振效果最有效的手段;复合材料弹性模量选取时,在保证轨道横向刚度的前提下,减小轨道板混凝土结构的应力水平.      

移动单元法在车辆—无砟轨道—路基模型中的应用

将移动单元法理论推广到无砟轨道的动力学研究当中,建立了新的列车—无砟轨道—路基耦合系统模型.模型离散为轨道单元和车辆单元,下部离散了的轨道单元模型采用移动单元法理论求出其单元质量矩阵,阻尼矩阵和刚度矩阵,上部车辆单元离散为一节整车模型,利用有限元和Lagrange方程计算出车辆单元的质量矩阵,阻尼矩阵和刚度矩阵.该计算...     

列车荷载下桥上CRTS Ⅲ型板式无砟轨道挠曲力与位移

针对中国自主研发的CRTSⅢ型板式无砟轨道在运营阶段的受力变形问题, 以梁-板-轨相互作用原理为基础, 考虑钢轨、轨道板、自密实混凝土层及底座板等细部结构的空间尺寸与力学属性, 运用有限元法建立了高速铁路桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型; 计算了列车荷载作用下轨道及桥梁结构的挠曲力与位移, 分析了不同列车荷载作用长度、桥上扣件纵向阻力及墩台顶固定支座纵向刚度对挠曲力与位移的影响。研究结果表明: 在全桥加载情况下, 多跨简支梁桥上钢轨挠曲力在支座处表现为拉力, 跨中表现为压力, 大跨连续梁主桥上钢轨挠曲力在两侧边跨表现为拉力, 中间跨表现为压力, 单线加载时2种桥上有载侧钢轨挠曲力分别达到了38、53 kN, 约为双线加载时的1/2;轨道、桥梁结构纵向力与位移最大值不同时出现在同一工况下, 需要根据不同的检算部件选取最不利的列车荷载作用长度, 并将ZK活载中的集中力设置在跨中位置; 采用小阻力扣件可以改善钢轨受力与变形, 简支梁桥和连续梁桥上钢轨最大挠曲力分别减小了35%和22%, 钢轨纵向位移分别减小了7%和5%, 但轨板相对位移分别增大了26%和30%, 需加强观测以控制钢轨的爬行; 从轨道及桥梁结构的安全性与耐久性角度考虑, 建议将墩台顶纵向刚度控制在设计值的1.0~1.5倍范围内。      

列车荷载对板式无砟轨道力学性能的影响分析

为研究无砟轨道混凝土在客、货车作用下的劣化规律,基于损伤力学概念,引入损伤变量对混凝土室内循环加载进行试验研究. 首先,建立钢轨-扣件-轨道板-CA砂浆层-底座板-地基有限元实体模型,获取试件试验等效应力水平,通过列车车速确定加载频率,然后确定合理的荷载组合模拟工况;其次,应用MTS加载系统对混凝土试件进行循环加载测试,利用无损检测系统测试了不同加载次数下混凝土的动弹性模量以及抗折强度;最后,将动弹性模量和抗折强度作为损伤变量,根据测试结果得到不同应力水平、加载频率作用对轨道板材料力学性能劣化规律的影响. 试验结果表明:在客货车荷载作用下,动弹性模量的损伤程度在加载200万次时约为抗折强度的损伤程度的2倍;应力水平一定时,加载频率越小,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤程度越大,并且在10 Hz与15 Hz频率之间较明显;加载频率一定时,应力水平越大,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤越严重,应力水平为0.7的混凝土在1 000次左右的加载循环加载下发生破坏;低速的客货车荷载会加快混凝土初期损伤,较高速度的客货车荷载会加速无砟轨道结构后期损伤的发展.