桥上无砟轨道竖向动力特性分析

根据桥上CRTSⅡ型轨道结构形式,考虑高速列车与无砟轨道、桥梁之间的相互作用,建立基于新型车辆单元和无砟轨道-桥梁单元的车辆-无砟轨道-桥梁纵垂向耦合振动模型。运用有限元方法和Lagrange方程,分别推导车辆单元、无砟轨道-桥梁单元的刚度、质量和阻尼矩阵,建立有限元数值方程。考虑轨道平顺和轨道不平顺两种工况,求解有限元数值方程,分析梁端和跨中动力特性。计算结果表明,该模型及程序能够反映轨道结构的竖向振动响应。施加轨道不平顺,轮轨作用力增大了50%左右,梁端处钢轨的竖向加速度增加了6.5倍左右,跨中处从10 m/s~2增加到30 m/s~2。每种工况下,梁端和跨中处轨道结构的竖向位移、竖向加速度分别逐渐减小,梁端处轨道结构的振动及其位移变化都比跨中处大。     

制动工况下“站桥合一”客站纵向动力研究

为研究高速列车制动对"站桥合一"客站纵向动力响应的影响,利用自主研发软件TTBLS-DYNA建立列车-轨道-客站耦合系统纵向动力模型。分别采用有限元方法建立轨道-客站三维空间模型,采用刚体动力学方法建立车辆纵向动力模型。依据动车组的制动减速度特性曲线,通过数值积分方法求解车辆和客站耦合动力方程,进行耦合系统纵向动力响应分析,并以天津西客站为例进行车-站纵向耦合振动分析。研究结果表明:高速列车站内制动对客站结构纵向动力响应影响较小,列车停车瞬间轨道层及高架层纵向位移及加速度达到最值;双线反向制动工况下客站各层结构纵向位移及加速度较单线制动小;车致振动沿楼层高度方向传递过程中,振动加速度逐渐衰减,屋顶层加速度最小;客站各层纵向位移及加速度最大值均随列车制动级别的增大而增大,轨道层加速度最大值增幅最为显著。     

双机重载牵引下既有铁路桥梁竖向动力响应研究

为分析桥上有砟轨道结构在重载列车作用下的竖向动力响应,基于ANSYS建立有砟轨道—桥梁系统动力分析有限元模型,将列车荷载简化为集中力,分析研究中—活载及和谐号双机重载列车移动活载作用下桥梁和轨道结构的竖向位移和加速度动力响应。研究结果表明:轨道和桥梁结构跨中竖向位移和加速度响应在HXD1+HXD3+C80作用下最大,最大值为12.60 mm和3.27 mm/s~2,挠跨比为3.94×10~(-4),均小于规范中40 mm,350 mm/s~2和2.5×10~(-3)的要求;行车速度对轨道桥梁结构竖向位移响应影响很小,竖向加速度随着行车速度的增大而增大;增大桥梁刚度可以降低轨道桥梁结构系统的竖向位移和加速度响应,提高行车稳定性和乘客的舒适度;对既有铁路有砟轨道桥梁,应限定行车速度,采取相应的加固措施提高刚度以保证车—轨—桥系统的安全。     

城际铁路桥上纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数研究

为研究城际铁路纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数取值,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立客车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对桥上无砟轨道系统动力响应的影响规律,并基于层次分析法,对桥上无砟轨道系统动力特性进行综合评价。结果表明:随着扣件系统刚度增大,钢轨垂向位移减小,车体振动加速度、轮轨垂向力、轮重减载率和桥梁振动加速度均增大;随着扣件间距的增大,轮轨垂向力减小,车体振动加速度、轮重减载率、钢轨垂向位移和桥梁振动加速度均增大;综合考虑轨道变形以及工程造价,建议扣件系统刚度为50～80 kN/mm,扣件间距为0.6～0.7 m。     

重载铁路桥上无砟轨道动力学选型研究

为给孟加拉帕德玛大桥铁路连接线桥上无砟轨道结构选型提供依据,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立重载货车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析不同轴重货车通过桥上不同类型无砟轨道时的动力响应。结果表明:随着列车轴重的增大,桥上无砟轨道部件的动力响应明显增大;从降低轨道结构位移的角度考虑,优先选取现浇板式无砟轨道和单层长枕埋入式无砟轨道等单层无砟轨道结构;从降低轨道与桥梁的接触应力及桥梁振动加速度的角度考虑,应优先选取单元板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道等双层无砟轨道结构。重载铁路桥上无砟轨道选型应综合考虑桥上无砟轨道的动力特性、线路特点及其与相关专业的接口等因素综合确定,相关成果可为重载铁路桥上无砟轨道选型提供参考。     

制动工况下高墩铁路桥梁纵向动力响应研究

研究目的:为研究高速列车制动对高墩桥梁纵向动力响应的影响,本文利用自主研发软件TTBLS-DYNA建立列车-轨道-桥梁耦合系统纵向动力模型,分别采用有限元方法建立轨道-桥梁三维空间模型,采用刚体动力学方法建立车辆纵向动力模型。依据动车组的制动减速度特性曲线,通过数值积分方法求解车辆和桥梁耦合动力方程,进行耦合系统纵向动力响应分析,并以石夹沟高墩简支梁桥为例进行车-桥纵向耦合振动分析。研究结论:(1)高速列车在高墩桥梁上快速制动时,对高墩桥梁纵向振动影响较小,主梁纵向位移最大值为0.17 mm,纵向加速度最大值为58 mm/s2;(2)列车制动过程中,主梁纵向位移具有累积性,最大值一般出现在列车制动停车之前,而纵向振动加速度与之相反,最大值一般出现在列车停车瞬间;(3)按照现行《铁路桥涵设计规范》制动力静力计算方法得到的最大墩底弯矩为3 960.7 kN·m,本文算法得到的最大值为1 152.0 kN·m,仅为规范静力算法的31.5%,表明规范对制动力的取值具有较大的安全储备;(4)本研究成果可为高墩铁路桥梁的设计提供参考。     

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道底座板屈曲分析

根据桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特性,利用有限元分析方法,采用梁单元模拟钢轨,实体单元模拟轨道板、底座板和桥梁,弹簧单元分别模拟砂浆填充层和滑动层,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力计算模型。基于现场测量的底座板厚度资料和桥梁资料,计算出模型中各单元参数值。利用当地气温资料和轨道机车类型,得到最大温升和列车制动力值,计算出温度荷载和列车制动荷载作用下底座板厚度不足处纵向力值。分析温度荷载和列车制动荷载对底座板厚度不足处屈曲的影响。     

悬挂式单轨轨道梁桥在列车制动力作用下的动力响应

以中唐悬挂式单轨试验线为依托,采用有限元软件建立结构模型,分别计算了3种列车制动力作用下轨道梁桥的动力响应.结果 表明:在列车制动力作用下,轨道梁梁端纵向位移和墩底剪力呈波浪式增大;列车在轨道梁上制动完成时,轨道梁在纵向呈衰减振动;列车制动力越大,轨道梁梁端纵向位移、速度、加速度和墩底剪力也越大,并且列车制动完成后的振幅也越大.     

扣件失效对城市轨道交通列车-浮置板式轨道系统竖向振动响应的影响

利用基于横向有限条与无砟轨道板段单元的车轨系统竖向振动分析方法,研究1对和多对扣件失效时城市轨道交通列车-浮置板式轨道系统的竖向振动响应。研究结果表明,当列车通过扣件失效的轨道时,轮轨相互作用增大,其中钢轨竖向位移及加速度增长最明显,且随着失效扣件数目增加,动力响应增长越明显;即使毗邻轨道的扣件工作状态良好,也受到失效扣件的影响,钢轨竖向位移及加速度增长显著;扣件失效会加速轨道结构破坏,甚至危及行车安全。     

车辆-轨道耦合作用下桥上减振双块式无砟轨道减振性能研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立高速铁路车辆-轨道-桥梁耦合模型,采用有限元法,分别研究双块式无砟轨道结构中减振垫对轨道和桥梁时域、频域动力性能的影响,并研究其减振效果。研究结果表明:在时域内,减振双块式无砟轨道使钢轨、道床板的竖向位移增加,并且使道床板梁端竖向位移显著增加;使钢轨、道床板竖向加速度增加,使桥梁跨中竖向加速度明显减小。在频域内,减振双块式无砟轨道使桥梁加速度振级减小5 d B,减振效果良好,并且在10~40 Hz频率范围内减振效果最明显。然而,道床板加速度振级增加了8 d B。减振垫使振动能量更多地滞留在道床板内,对道床板的正常使用不利。     

2万t重载列车制动与起动条件下轮轨动力特性试验研究

为探明长编组、大轴重运输条件下车辆和轨道的动力相互作用问题,基于现场试验方法,研究了2万t重载列车制动与起动条件下的轮轨动力特性,初步掌握了大轴重重载列车制动与起动条件下轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度的响应特征和变化规律,揭示了重载列车制动与起动状态对轮轨性能影响的差异。研究结果表明:列车制动对轮轨垂向力和轨道结构振动加速度的影响较大,其影响随制动时间的增加而逐渐减小;列车起动过程中轮轨垂向力和轨道结构振动加速度随起动时间的增加而增大;列车制动和起动对轮轨横向力及轨道结构位移的影响不大;由于列车制动加速度大于起动加速度,列车制动时的轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度均比起动时要大。     

简支梁桥上Ⅰ型板式无砟轨道制动力与位移分析

基于有限元法,建立多跨简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,研究列车制动荷载作用下钢轨、轨道板及底座板的受力与变形特性,并对相关影响参数进行分析。研究结果表明:在制动荷载作用下,钢轨制动力的峰值出现在两端桥台及中间活动支座上方,钢轨的纵向位移呈现先增后减的趋势,在中间活动支座达到最大值,钢轨和轨道板的纵向伸缩趋势基本一致,表明扣件起到了很好的约束作用;制动力加载方式对轨道结构纵向力及位移有较大影响,在紧急情况下,应尽量避免两列列车同时在桥上同向制动,以免钢轨承受过大的拉力,防止因相对位移过大而导致扣件失效;采用小阻力扣件对桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道的受力是有利的,但要充分考虑轨板相对位移不能过大,保证钢轨在桥台处的爬行能够得到有效控制;随着桥墩纵向刚度的增大,轨道结构的受力随之减小,因此,为改善桥上轨道结构的受力条件,在可能的情况下,应尽量采用纵向刚度较大的低墩桥。     

桥上纵连岔区无砟轨道受力及变形规律研究

研究目的:目前CRTSⅡ型板式无砟轨道在我国已建成的高铁线路中铺设较多,铺设CRTSⅡ型板式无砟轨道的线路,桥上岔区一般铺设纵连道岔,为了研究桥梁和纵连道岔之间的相互作用规律,文章以京沪高铁天津南站桥上纵连岔区为例,建立岔-桥-板-墩一体化计算模型,分析岔区轨道在底座刚度、桥梁与轨道间摩擦系数以及列车制动位置对无砟轨道各部分受力及道岔的影响。研究结论:通过分析得出以下结论:(1)温度力作用下,底座刚度增加时,墩顶纵向力、底座轴力及道岔可动部分位移增大;底座与桥梁间摩擦系数增大时,底座轴力及道岔可动部分变形减小;(2)制动力作用下,底座刚度和摩擦系数增加时,底座轴力增加,墩顶纵向力及道岔可动部分位移减小;(3)本文对岔桥相互作用规律的研究结论,对桥上纵连岔区无砟轨道结构工程设计具有一定的参考意义。     

简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道伸缩力影响因素分析

桥上无砟轨道受力比较复杂,桥上无砟轨道无缝线路的稳定性直接影响高速列车的行车平稳与安全。基于有限元法和梁轨相互作用理论,建立了6×32 m混凝土简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,研究温度荷载作用下钢轨、轨道板及底座板的受力变形特性,并对相关影响参数进行分析。结果表明:在温度荷载作用下,钢轨伸缩力的峰值出现在桥梁墩台及跨中,钢轨的纵向位移呈现先增后减的趋势,在中间两跨达到最大值,钢轨和轨道板的纵向伸缩趋势基本一致,表明扣件起到了很好的约束作用;桥上采用小阻力扣件可改善桥上无缝线路梁轨相互作用,但要充分考虑轨板相对位移不能过大,保证钢轨在桥台处的爬行能够得到有效控制;从减小桥上轨道结构伸缩力及纵向位移考虑,桥梁墩台固定端纵向刚度不宜过大。     

桥上复合轨枕无砟轨道垂向动力性能研究

桥上复合轨枕无砟轨道是一种新型轨道结构,轨枕由复合高分子材料及加劲材料等构成。为研究桥上复合轨枕无砟轨道结构的垂向动力性能,建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,对比双块式轨枕分析车辆、轮轨系统、轨道系统以及桥梁的动力响应。结果表明:桥上复合轨枕无砟轨道垂向动力性能满足行车安全性、平稳性以及旅客乘坐舒适性标准要求;车辆、轮轨系统及轨道上部结构动力响应较双块式轨枕略有增大,轨道下部结构及桥梁动力响应较双块式轨枕有所减小。桥上复合轨枕无砟轨道结构在满足现有规范使用要求的同时具有一定减振作用。     

无砟轨道结构层对高速铁路列车—桥梁系统动力响应的影响

基于非线性弹性Hertz接触理论和Kalker蠕滑理论,建立了高速铁路列车—无砟轨道—桥梁精细化计算模型,以高速铁路32 m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序分别计算有(无)无砟轨道列车—桥梁系统的动力响应及列车走行安全指标并作对比分析。计算结果表明:对于桥梁的动力响应,不考虑无砟轨道时结构变位等动力响应减小;对于列车的动力响应,不考虑无砟轨道时,多数列车动力响应及走行安全指标有较大增加。     

多跨简支梁桥上Ⅲ型板式无砟轨道制动力传递规律研究

为探究列车制动荷载作用下轨道、桥梁结构纵向受力特性及其影响因素,基于有限元法和梁-板-轨相互作用原理,建立多跨简支梁桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,对列车制动荷载作用下结构纵向受力特性、传递规律及其影响因素进行分析。结果表明:以全桥列车制动加载作为计算轨道及桥梁结构制动受力与变形时的最不利工况是偏安全的,并应以有载侧计算数据进行检算;桥上扣件需依据轨道板快速相对位移试算结果进行比选, WJ-8型小阻力扣件可适用于多跨简支梁桥且有较大安全冗余;桥上采用小阻力扣件或墩顶纵向刚度较小时均会使得列车制动荷载作用下的轨道板快速相对位移较大,不利于扣件的长期服役;轨道和桥梁结构制动检算过程中建议将桥跨数简化为10～15跨;需保证土工布隔离层的滑动性能,且应将其摩擦系数应控制在合理范围内。     

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道制动力影响因素分析

研究目的:桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路梁-板-轨及层间相互作用机理比较复杂,为研究各轨道及桥梁结构的制动力传递规律及其影响因素,基于有限元法和梁-板-轨相互作用原理,建立多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上无砟轨道无缝线路空间耦合模型,计算列车制动荷载作用下各轨道及桥梁结构的纵向力与位移,并分析多种因素对制动力传递规律的影响。研究结论:(1)制动荷载作用下的轨道结构纵向力由拉力逐渐变为压力,纵向位移呈现先增后减的趋势;(2)需根据不同的检算部件选取最不利的荷载工况;(3)在检算时需考虑轨道板/底座板刚度的折减,且必须保证其施工质量;(4)采用小阻力扣件时轨板快速相对位移的剧增易带动轨下胶垫滑出;(5)固结机构、桥墩/台采用较大纵向刚度,并保持滑动层的良好滑动性能有利于各轨道及桥梁结构的受力与变形;(6)该研究成果可为桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路的设计、施工及运营维护提供参考。     

扣件失效对高速列车-无砟轨道-桥梁系统垂向振动响应的影响

采用动柔度思想,通过建立高速列车-无砟轨道-桥梁系统垂向耦合频域分析模型来求解在单个或连续多个扣件失效下无砟轨道-桥梁系统的动柔度幅值、相位和纵向衰减率,对比分析无扣件失效、单个扣件失效及连续扣件失效等工况对系统在较宽频范围内动力学响应的影响规律。研究结果表明:无砟轨道结构其支撑的连续性在扣件失效下遭到破坏,钢轨、轨道板、底座层和桥梁的动力学响应增量明显;随着扣件失效数目的增多,各结构的动柔度幅值增长明显,其最大主频前移;由于扣件失效造成钢轨纵向衰减率在较高频段时相对减弱,且相位角提前出现跃升现象;轮轨接触力最大幅值由于扣件失效而略微降低,在车体激励下的钢轨加速度整体向低频移动;计算结果显示,扣件连续失效对系统频域下振动响应影响明显,严重影响桥上无砟轨道几何形位,对行车安全形成一定隐患。     

线路不平顺对桥上CRTSⅡ型板轨道振动的影响

研究目的:轨道不平顺引起的列车振动和轮轨相互作用力随着列车速度的提高成倍增大。对车辆-轨道-桥梁耦合振动而言,桥梁变形和轨道不平顺相互叠加形成轨面位移,因而轨道不平顺对系统动力响应的影响更加显著。本文针对轨道不平顺对客运专线高架轨道结构振动特性的影响进行研究,分析三种实测中长波轨道不平顺状态,即路基有砟轨道不平顺、桥上有砟轨道不平顺以及隧道无砟轨道不平顺对高架轨道结构振动响应产生的影响。研究结论:(1)在相同运营条件、相同养护条件下,不同轨道结构的不平顺状态对轮轨冲击作用力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度的影响不同,但对桥梁振动加速度的影响较小;(2)在客运专线轨道中长波不平顺激励下,钢轨振动频率主要分布在20～250 Hz范围内,轨道板、桥面板垂向振动频率分布在20～150 Hz范围内,轨面不平顺度的波长成分是影响轨道结构振动频率分布特性的一个主要因素;轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度受随机不平顺的短波长成分的影响显著;(3)除了轨道结构类型的影响,轨道不平顺功率谱大小与波长特性对轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度也产生了显著的影响,建议在进行轨道不平顺控制时将轨道不平顺谱纳入高速铁路客运专线轨道质量的评价指标当中;(4)本研究成果对加深认识我国高速铁路轨道不平顺对高架轨道结构振动特性的影响具有一定的理论意义和实用价值。