高速移动荷载作用下无砟轨道路基动位移研究

建立三维有限元CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基-天然地基土非线性数值分析模型,基于轨道随机不平顺条件下计算得到轮轨载荷,通过有限元软件二次开发子程序将轮轨载荷导入有限元模型,路基两端及天然地基土体四周采用等效三维一致粘弹性人工边界模拟工程实际半无限空间体,在此基础上研究分析高速移动荷载作用下路基的动位移分布规律。研究结果表明:文章采用的有限元模型计算得到的路基竖向动位移远小于我国现行高速铁路标准的控制值3.5 mm,满足要求;列车模型为两节动车,中间两组轮对移动产生的动位移叠加,竖向动位移在各结构层中的时程曲线峰值与转向架数目进行对应;沿横向分布,在混凝土底座范围内,路基各结构层竖向动位移幅值沿横向分布变化较小,各结构层横向最大差值仅为0.129 mm;在混凝土底座范围外,路基各结构层竖向动位移幅值横向分布差异较大,横向最大差值均超过0.5 mm;随着深度的增加,竖向动位移在路基中随着深度的增加逐渐衰减,最大值位于基床表层顶面,近似线性衰减;基床表层刚度的变化对系统动力响应影响作用较有限,基床底层刚度的增大对降低路基中的动位移影响作用较显著,有利于行车运行的平稳、舒适及安全,提高列车时速会加大路基的变形位移,地基土刚度的变化对路基中对降低系统动位移的作用最显著。     

弹射冲击荷载下重载铁路路基动位移空间分布特征

为研究军用重载铁路路基动响应空间分布特征,通过高度非线性分析程序ANSYS/LS-DYNA3D建立了重载铁路轨道-路基-地基三维显式动力分析模型,并引入三维一致黏弹性人工边界;采用梯形冲击荷载模拟弹射冲击,探讨了不同幅值(150～600 kN)的弹射冲击荷载作用时重载铁路路基系统动位移的空间分布特征,通过Boussinesq弹性理论与林绣贤多层系统当量理论验证了数值模型的可靠性. 结果分析表明:当作用在轨道上的弹射荷载开始进入卸载状态时,路基系统的竖向动位移达到最大值;结束卸载时,道床顶面存在一定量的残余变形,且残余变形随荷载幅值增长呈线性增长,增长速率约为0.60 × 10?2 mm/kN;在不同荷载幅值下路基动位移沿线路横、纵向均呈对称分布,动位移沿竖向近似呈直线型衰减,且衰减速率随着荷载幅值的增加而增大;荷载幅值越大,路基动位移的轮对效应及道床和基床对钢轨动力的分担作用均越来越显著;路基的动位移峰值与荷载幅值大致呈线性关系,道床顶面的动位移峰值随荷载幅值增长最快,增长速率约为1.27 × 10?2 mm/kN,基床表层与基床底层次之,增长速率分别约为1.23 × 10?2、1.20 × 10?2 mm/kN,路基本体增长最慢,增长速率约为1.10 × 10?2 mm/kN.      

列车速度对无碴轨道路基动力特性的影响

为了分析列车速度对无碴轨道路基动力影响,采用层状体系理论,结合有限元方法,建立无碴轨道路基层状有限元模型,考虑了列车荷载的不同速度对基床表层振动加速度、竖向动位移、动应力及其横向分布等路基动力特性的影响,研究了无碴轨道路基荷载作用下的力学行为。结果表明:列车速度对基床表层加速度的影响较大,竖向加速度随荷载速度的提高而增大;列车速度对基床表层动位移影响较小,速度每提高20 km.h-1,其值变化不大于0.05 mm;路基表层动应力随列车速度的提高呈现一定的波动趋势。计算结果与实测结果相似,证明了该模型的正确性。     

地铁及国铁荷载共同作用下地基土动力响应分析

结合南京地铁二号线东延线盾构隧道下穿宁芜铁路工程,研究地铁及铁路荷载共同作用下地基土动力响应．利用车辆-轨道耦合模型,计算轮轨垂向力．利用有限单元法分析地铁线路中心线下地基土和国铁路基面弹性变形、加速度随时间的变化规律,以及地基土中动应力分布规律．分析结果表明,在同样的加载条件下,地铁左线和右线地基土弹性变形及加速度随时间变化规律相似,动应力响应较大的区域主要分布在铁路基床表层、拱腰附近和轨枕下方土层．     

板边离缝对CRTS III型轨道-路基动力特性的影响

为了研究板边离缝对高速铁路基础结构动力特性的影响,利用CRTS III型板式轨道-路基全尺寸试验模型开展了落轴试验,实测了轨道板与自密实充填层一侧界面处离缝的几何分布,并利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了相应的动力有限元分析模型,分析了板边离缝对轨道和路基结构冲击动力特性的影响规律,并利用相应的试验结果对数值结果进行了对比验证. 研究结果表明:轨道板和自密实层界面处单侧离缝的平均宽度和平均高度分别为28.18 cm和2.15 mm;板边离缝宽度对基础结构动力特性的影响要大于离缝高度;在0～800 mm的范围内,随着离缝宽度的增加,轨道和路基位移以及钢轨加速度、轨道板加速度和基床底层加速度都持续增加,其中轨道板的位移和加速度的增幅均为最大,分别为56.8%和143.3%,充填层、支承层和基床表层的垂向加速度随离缝宽度的增加先增大后减小,当离缝尖端扩展至钢轨正下方附近时达到最大值;在0～3 mm的范围内,轨道和路基垂向位移与加速度均随离缝高度的增大而略微增加,最大增幅分别为8%和12%;越靠近离缝界面层面,离缝高度对其冲击动力特性的影响也越显著.      

板边离缝对CRTS Ⅲ型轨道-路基动力特性的影响

为了研究板边离缝对高速铁路基础结构动力特性的影响,利用CRTSⅢ型板式轨道-路基全尺寸试验模型开展了落轴试验,实测了轨道板与自密实充填层一侧界面处离缝的几何分布,并利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了相应的动力有限元分析模型,分析了板边离缝对轨道和路基结构冲击动力特性的影响规律,并利用相应的试验结果对数值结果进行了对比验证.研究结果表明:轨道板和自密实层界面处单侧离缝的平均宽度和平均高度分别为28.18 cm和2.15 mm;板边离缝宽度对基础结构动力特性的影响要大于离缝高度;在0～800 mm的范围内,随着离缝宽度的增加,轨道和路基位移以及钢轨加速度、轨道板加速度和基床底层加速度都持续增加,其中轨道板的位移和加速度的增幅均为最大,分别为56.8%和143.3%,充填层、支承层和基床表层的垂向加速度随离缝宽度的增加先增大后减小,当离缝尖端扩展至钢轨正下方附近时达到最大值;在0～3 mm的范围内,轨道和路基垂向位移与加速度均随离缝高度的增大而略微增加,最大增幅分别为8%和12%;越靠近离缝界面层面,离缝高度对其冲击动力特性的影响也越显著.     

新疆砾石土低路堤动力特性

以新疆三岔口-莎车高速公路为依托, 基于标准轴载作用下单轮影响范围内的1∶1路基模型试验, 分析了车辆荷载下低路堤的动力特性; 考虑了绿洲区地基在服役期间不同的含水率状态, 根据一般道路设计标准, 将低路堤道路结构分为面层、基层、路基与地基四部分, 模拟了低路堤在不同荷载作用下的动力特性, 研究了动载峰值、频率与重复作用次数对低路堤动力特性的影响。研究结果表明: 不同加载方式下的竖向应力均随路基深度增大而迅速减小, 应力在距路基顶面0.8 m深度处均衰减了69.2%;静载和短时动载作用下各深度处的应力随荷载呈线性变化趋势, 应变则呈非线性变化趋势; 由于不同土层模量的差异, 使得应变在路基与地基中出现了明显的分层现象; 地基含水率的变化对低路堤动力特性的影响非常明显, 当地基含水率从18%增大到28%时, 地基顶面处的应变增大了1.8倍; 短时动载频率的增大对应力和应变的影响都很小, 当动载频率由1 Hz增大到5 Hz时, 路基与地基顶面处的应力分别减小了7%和9%;当静载、短时动载和长时动载的峰值为50 kN时, 短时动载峰值作用下路基与地基顶面处的应力和应变分别是静载作用的79%~95%和75%~95%, 而长时动载引起的路基与地基顶面处的应力和应变分别是静载作用的1.0~1.1倍和1.9~3.3倍。      

无砟轨道路基基床的动态特性

为了研究路基变形模量及反力系数在弹性领域内的非线性特性,应用无砟轨道路基基床模型和现场试验,分析了在分级静载和分级循环加载条件下,降雨前、后基床的静态、动态特性.研究结果表明:无论是静态响应还是动态响应,在基床横断面方向上均呈马鞍形分布,混凝土基础板轨下位置响应最大,中线处和端部响应较小;在基床表层范围内,动态响应最为强烈,随深度的增加,在基床表层范围内衰减较快,在基床底层范围内衰减较慢;与降雨前相比,降雨后静应力的最大增量为12%左右、动应力的最大增量为3%左右、加速度的最大增量为35%、动位移的最大增量为13%左右,因此应充分重视路基的防排水措施.     

铁路道床路基动力响应的参数影响

根据车轮-轨排-道碴模型，得到路基道碴表面荷载，利用有限元-无限元耦合法，建立了道床路基动力计算模型。结合Newmark积分法逐步求解运动方程，计算了列车荷载下，不同道碴厚度与地基刚度下道床路基的振动加速度与动位移。计算结果表明，道碴厚度对道床路基的动力响应影响显著，而路基刚度的影响不明显。     

重载铁路水泥改良膨胀土工程特性与路用性能

为了探究重载铁路水泥改良膨胀土路基填料的工程特性及路用性能，采用室内动三轴试验、微观结构试验、路基原位动力试验相结合的方法，揭示了膨胀土掺入水泥3%～5%改良前后静态指标与动态指标的变化特征，分析了水泥掺量5%和3%改良膨胀土分别用作重载铁路基床底层及以下路堤填料建设期的工作性能，评估了服役期列车动载作用下路基的动力稳定性. 研究结果表明:膨胀土掺入3%～5%水泥改良后，强度提高同时胀缩性显著降低，水稳定性提高3～4倍；相比重塑素膨胀土，水泥掺量3%～5%改良膨胀土临界动应力提高5～6倍；检测路基压密程度与强度指标满足规范且有较大富裕，监测路基中线地基沉降在铺轨前处于稳定状态；原位动力测试表明列车动载作用下路基的动应力沿深度逐渐衰减，在基床表层与基床底层范围内最大衰减量分别可达40%和80%以上，动应力影响深度是基床设计厚度的1.4～1.8倍，动应力影响深度范围内路基的动应力值远小于同位置填料的临界动应力，运营期路基动力稳定性满足安全服役要求. 研究成果能够为重载铁路水泥改良膨胀土路基精细化建设养修提供理论参考.      

沪宁高铁与邻近既有线振动相互影响的测试与分析

为分析列车通过我国第一条修建在软土路基上的沪宁高铁时,引发的振动特性,以及与邻近的京沪铁路既有线路基段的相互影响,在沪宁线新孟河段进行了现场振动测试.对获得的振动加速度信号进行处理得到速度时程曲线,从加速度时程、加速度级、速度峰值PPV和1/3倍频程4个方面,分析了高铁线和既有线的振动特性及振动对邻近线的影响.结果表明：沪宁高速铁路高架桥并行京沪铁路既有线路基段列车运行引发的振动,以竖向振动为主;既有线不同机车型号和客货类型对其本身钢轨及轨枕的加速度振级影响很大,但是远处测点的加速度振级值趋向一致;扣件系统和桥墩支座是衰减振动的关键环节.对比现有的国内外规范标准发现,沪宁高铁和京沪铁路既有线路基段列车运行引发的振动对邻近线的结构不会产生明显影响;沪宁高铁过车引发的振动主要集中在31.5 Hz和63 Hz频段,京沪铁路既有线路基段,过车时振动主频随着不同机车类型存在差异.     

高速铁路路基结构空间时变系统耦合动力分析

考虑高速线路的实际工况,建立了包括轨道结构和车辆的路基结构空间时变动力系统分析模型.将线路结构及车辆离散为不同的单元,采用能量原理导出了系统动力方程,进一步建立了系统动力矩阵.作为模型的验证,对连续谐波不平顺条件下系统动力响应进行了分析,得出了车辆走行过程中的车体加速度、动轮载以及基床动应力、基床动变形等动态响应结果.计算结果表明,本文中的计算模型是合理的.     

高速铁路模型箱梁静力非线性和动力损伤关系研究

桥梁结构在荷载作用下的静力非线性与结构动力特性之间的关系是结构损伤识别领域的重要问题。基于高速铁路模型箱梁的重复荷载试验,采用平面非线性有限元分析方法对静力非线性和动力损伤之间的关系进行了研究。通过定义混凝土等效应力－等效塑性应变曲线来定义其弹塑性行为。对数值模型加载到各级荷载后卸载进行动力特性分析,即卸载后计算自振频率和振型。计算结果表明：采用平面非线性有限元分析方法可以比较准确地对箱梁模型进行非线性分析,除了初始模型刚度存在一定误差外,结构的骨架曲线的特征值、加卸载刚度和残余位移吻合较好。在进行非线性分析后进行动力特性是分析可行。竖向频率值的变化能够反映静力非线性发生后结构的损伤出现和损伤的发展规律,这为结构动力损伤识别提供了有效的途径。     

内轴颈高铁车轴结构设计与强度分析方法

针对高速列车的轻量化设计需求，分析了内轴颈高铁车轴独特的内支承结构与承载特点，建立了内轴颈高铁车轴受力状态和结构强度理论分析模型，提出了内轴颈高铁车轴设计极限载荷和疲劳强度的解析计算方法；在此基础上，制定了基于理论分析、有限元方法和车辆系统动力学的内轴颈高铁车轴结构设计方法，并以17 t轴重的内轴颈高铁车轴为例开展了应用研究；基于内轴颈高铁车轴受力状态的理论分析结果，确定了车轴的临界安全截面和详细尺寸方案；建立了内轴颈高铁车轴的有限元模型，评估并校核了车轴的疲劳强度；建立了轴箱内置式高速动车的刚-柔耦合系统动力学仿真分析模型，验证了车辆的动力学性能和车轴的动荷载。分析结果表明:17 t轴重的新型内轴颈高铁车轴的质量为273.6 kg，比同轴重传统外轴颈高铁车轴的质量低约30%；内轴颈高铁车轴各截面疲劳强度的安全系数均大于1.66，临界安全截面转移至轴颈与轮座之间的卸荷槽及轴颈与轴身之间的过渡圆弧区域；采用内轴颈车轴的高速动车能够以350 km·h-1的速度稳定通过半径为5.5 km的曲线线路，主要动力学性能指标优良；在选定曲线通过工况下车轴所承受的动载荷均能被设计极限载荷包络，据此开展的车轴结构设计和强度分析是稳健的。可见，内轴颈高铁车轴在实现高速列车轻量化设计方面有显著的技术优势，且高速适应性较好，在高速列车领域的发展和应用潜力巨大。      

高速铁路路基不均匀沉降的动力学识别

高速铁路路基不均匀沉降直接影响列车的动力特性.本文建立了车辆轨道路基空间耦合动力学模型,对沉降区车体振动、轮轨力、钢轨加速度和轨道板加速度等动力特性进行了分析.在车辆动力响应和轨道动力响应中,车体垂向振动加速度受路基不均匀沉降影响最为明显,且最有规律可循.将车体垂向振动加速度作为输入量,基于RBF神经网络对路基不均匀沉降的弦长和幅值进行识别,通过网络逼近性能和输出结果的训练不断优化神经网络模型,最后可得预测效果误差小于2％,可用于路基不均匀沉降的识别.     

新一代高速动车组中间车车体的强度及自振频率

以新一代高速动车组中间车车体为研究对象,在车体结构的三维几何模型的基础上,利用大型通用建模软件Hypermesh进行前处理,建立了车体有限元模型,并以Ansys软件进行了分析求解首先对车体的典型荷载工况进行分析,给出静强度评估;其次通过对车体进行模态分析以及根据近似理论的计算,给出了理论估计值和模态分析值的刚度评估,为车体结构的实际设计和优化提供了有效的参考依据.     

采用加速度输入等效风力发电机组塔筒实测响应方法研究

通过对单自由体系的分析,得到风荷载激励和从基底输入的加速度之间的关系。通过对风力发电塔的模态分析,得到简化为广义单自由体系的广义质量和广义刚度,求得风力发电塔塔顶位移的时程曲线,采用Savitzky-Golay平滑算法和差分法求得顶点的加速度和速度时程,以此求得合成后的等效加速度。对直接合成后的等效加速度进行傅里叶变换,采用低通滤波器剔除高频分量,进行傅里叶逆变化后得到最终等效加速度。有限元分析结果表明,在此等效加速度下的结构响应和已知响应吻合一致,从而为风力发电塔的减振试验在振动台上完成成为可能。