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。     

交通荷载作用下煤矸石路基变形响应特性分析

交通荷载作用下路基变形是道路工程主要研究问题。对煤矸石填料进行动三轴试验,研究了煤矸石填料变形特性与累积振次、动荷载幅值的变化规律,并依据交通荷载动力特性,对交通荷载作用下路基变形响应进行数值模拟。试验和数值模拟结果表明:煤矸石填料变形随累积振次增加而增长,前期增长速度较快,后期增长速度缓慢且变形值逐渐趋于定值;相同振次条件下,变形随动荷载幅值增加而增长;车辆正下方路基沉降位移随路基深度增加而减小,但减小速率逐渐降低,沉降曲线在深度6 m左右出现明显拐点,表明交通荷载影响深度为6 m左右;路基沉降随行车速度增加而增长,这为道路路基设计提供了依据。     

道床断面尺寸对道床横向阻力的影响

为揭示道床横向阻力变化特征,采用离散元法,建立了高速铁路有砟道床-轨枕三维模型,研究了道床边坡坡度、顶面宽度、道床厚度和砟肩堆高等道床断面尺寸对其横向阻力的影响,分析了枕底、枕侧和砟肩阻力及其分担的横向阻力比例.结果表明:坡度为 1:1.50~1:1.85时,横向阻力为10.315~16.475 kN,坡度为 1:1.65及更缓能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.顶面宽度为3.0~3.8 m时,横向阻力为10.205~15.715 kN,顶面宽度为3.4 m及以上能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.随边坡变缓或顶面宽度增大,砟肩道砟增多,砟肩阻力显著增大.道床厚度为200~400 mm时,横向阻力为9.156~15.684 kN;横向推动轨枕时,道床从上向下分层拖动;随道床厚度增大,枕底阻力明显增大,道床厚度为300 mm及以上能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.砟肩堆高为0~180 mm时,砟肩阻力为2.010~5.203 kN,横向阻力为9.526~15.257 kN,砟肩堆高对砟肩阻力影响很大,堆高120 mm及以上能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.      

道床阻力区域分布及退化对钢轨纵向力的影响

为深入探索有砟道床阻力演变对桥上无缝线路力学行为的影响,针对路基地段与桥上道床纵、横向阻力开展试验研究.以一座铁路常用双线特大连续梁桥为例,获得了桥上线路阻力分布特征,并提出实际道床在服役过程中存在局部阻力退化现象.在此基础上,建立了可考虑道床阻力非均匀分布与退化效应的桥上无缝线路纵向力学行为分析模型,开展了道床阻力分布及退化对大跨桥上无缝线路力学行为的影响分析.研究结果表明:桥上道床纵向阻力区域分布差异显著,桥跨中部纵向阻力值最大,阻力值为31.8 k N/枕,梁缝附近道床纵向阻力相对较小,阻力值为21.7 k N/枕,阻力退化效应明显;桥上道床横向阻力分布同样表现出一定区域分布特征,但退化效应并不明显,桥跨中部与梁缝处阻力值分别为31.7、25.5 k N/枕;由于受到温度荷载作用下梁体伸缩、列车动荷载作用下桥梁产生振动变位和梁端转角的影响,散体道床始终处于拉伸压缩的动态变化过程中,道床阻力表现出明显的退化特性;考虑道床阻力退化效应时,温度荷载作用下的钢轨伸缩附加力、钢轨位移、梁轨相对位移值有一定衰减,当桥梁温度跨度为140 m时,钢轨纵向附加力最大值减小约11.7%,且衰减率随着温度跨度的增加近似呈线性增长,按现有规范计算方法得到的梁轨相互作用结果偏大.     

重载铁路轨道结构受力特性仿真分析

重载铁路朝大轴重、高运量、高密度的方向发展,对轨道结构提出了更高的需求。轨道结构在列车荷载作用下的受力特性与轨道部件尺寸、材料参数等有关。在已有研究基础上,充分结合朔黄铁路现场实测数据,采用有限元方法建立重载铁路轨道结构仿真模型,计算分析了不同轴重及不同轨道参数下的重载铁路轨道结构的受力特性(包括钢轨、轨枕、道床、路基面的弯矩、应力、变形等)。研究结果表明:列车轴重对钢轨位移与应力影响最大;采用Ⅲ型轨枕、减小轨枕间距有利于减小轨道结构受力;道床弹性模量对钢轨位移影响较大,而道床厚度对受力特性影响较小。     

大轴重条件下重载铁路路基动态测试试验

通过对不同轴重、速度下的编组试验列车进行动态测试,分析了既有线重载铁路基基床动应力、加速度及动位移分别随轴重增加和速度提高的变化规律,为既有线重载铁路路基改能扩建以及病害机理的研究提供了依据。     

重载铁路路基基床结构动力分析

通过ANSYS有限元软件建立轨道—路基系统三维模型,分析重载铁路路基基床结构在动力荷载作用下的变化规律,为研究重载铁路路基的力学性能提供技术支持.随着基床弹性模量、密度的增大,基床应力累计叠加逐步增大,基床沉降累计变形逐步减小,基床振动幅度不断增大,振动趋势逐渐平缓,抵抗变形能力减弱.     

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。     

有砟道床梯形轨枕横向阻力试验与构成分析

梯形轨枕具有稳定性好、振动小的优点,并能减弱传递给轨道的动荷载,使得梯形轨枕在高速铁路、重载铁路、城市轨道交通中均有较好表现,但是其横向阻力一直未进行系统试验研究. 本文研究了不同砟肩宽度（200、300、400、500 mm）梯型轨枕道床横向阻力,分析了阻力构成,并与Ⅲc型轨枕对比. 结果表明,在砟肩宽度均为500 mm道床上,平肩式梯形轨枕与平肩式及砟肩堆高150 mm、Ⅲc型轨枕相比,阻力分别提升了约55%、14%,并且,平肩式道床砟肩宽度由200 mm增加至500 mm过程中,梯形轨枕道床横向阻力无明显增长,其横向阻力主要由3部分构成,其中轨枕底面与道床摩擦提供约34%,枕心部位提供约47%,轨枕端部提供约19%. 试验表明,采用梯形轨枕,可选用较小截面尺寸的道床,从而大幅节约建设用地及道砟用量.      

循环荷载作用下铁路道床的离散元分析

为研究高速有砟道床中存在的累积沉降变化规律,通过PFC离散元软件,建立一定级配的高速铁路散粒体有砟道床的三维离散元模型.选取循环荷载频率分别为5,10,20,30 Hz,荷载幅值为3,5 kN,共8种荷载工况进行数值模拟,分析了道床力学性能,探讨了循环荷载的频率和振幅对道床沉降的影响.研究结果表明:循环荷载频率不超过2...     

深圳地铁道床动载荷分析

根据车辆轨道模型,从频域和时域两方面分析了深圳地铁道床动载荷,得出了道床动载荷传递函数,根据传递函数找出了量不利波长,并参照铁路对短波不平顺管理标准,得到了道床最大动载荷。     

重载列车车钩力对列车偏载安全性影响

为了分析偏载列车在小半径曲线运行的安全性问题,基于重载列车纵向动力学模型和短编组三维重载车辆轨道耦合动力学模型,对偏载车辆的安全性指标进行了分析. 首先利用纵向动力学模型分析了重载列车纵向冲动时的车钩力特征和变化规律,其次将计算得到的车钩力作为边界条件输入到三维短编组重载车辆轨道耦合动力学模型,研究了小半径曲线运行时车钩力和车辆偏载量对列车安全性指标的影响. 研究结果表明:单编万吨列车的最大车钩压力随着车位的增大而减小;货车向外侧偏载时,钩压力对偏载货车安全性影响较大,钩拉力影响较小. 当钩压力增大到800 kN和车辆偏载量增大到500 mm时,轮重减载率将会增大到1.00,因此,制动工况更容易出现偏载脱轨事故;相同偏载量下,曲线外侧偏载下的轮重减载率比内侧偏载情形的大;当钩压力由0增大至800 kN时,由轮重减载率确定的横向偏载量安全限值由?421 mm降低至?215 mm,设定重载列车偏载的安全限值的时候应考虑纵向冲动的影响或制动加速度量的控制.      

基于离散单元法的铁路板结道床动力特性分析

为研究铁路有砟道床板结对其自身动力特性的影响，利用离散单元法并考虑道砟颗粒的真实外形建立了板结道床的仿真分析模型，分析了脏污板结及板结程度对有砟道床动态响应的影响，并探讨了板结引起道床弹性损失、刚度变大的细观机理. 研究结果表明:道床板结会增大道床中道砟颗粒的振动水平，并且板结越严重影响越明显，板结可将道砟颗粒的振动加速度增大20%～30%；板结会加强列车荷载对道床的冲击作用，增大道砟颗粒之间的接触力容易引起道砟颗粒破碎劣化；板结会放大不同位置处道床工作性能的差异，增大道床刚度的不均匀性；道砟颗粒之间的脏污板结材质会抑制道砟颗粒的相对移动，可将道砟颗粒的滑动分数降低至正常的50%左右，减小列车荷载作用下道床整体的宏观变形，从而呈现出刚度增大的特性.      

弹射冲击荷载下高速铁路路基振动加速度时频特性

高速铁路具有运营时速快、平顺性高等特点，将其作为列车机动发射站坪具有一定的优势，其振动加速度作为高铁路基结构破坏的关键参数有重要的研究价值.借助ANSYS有限元分析软件，结合弹塑性理论并引入三维一致粘弹性人工边界及其边界单元，建立半无限长无砟轨道-路基-地基非线性耦合静力学分析模型；在此基础上进行模态分析，得到了模型系统的振型、固有频率，进而建立了动力分析模型，并对比弹性地基梁板模型进行模型验证；基于上述动力分析模型，结合弹射冲击荷载得到了各结构层加速度时域信号；最后，基于EEMD-HHT变换对加速度信号进行时频分析.研究结果表明：各结构层加速度在荷载突变处取得瞬时加速度峰值，在0.17 s处取得加速度幅值；各结构层加速度成分主要分布在0～20 Hz，其中，2 Hz及10 Hz两处有明显峰值，且在2 Hz附近分布最为集中；自密实混凝土层、底座板、基床表层几乎没有发生加速度成分的吸收，而基床底层及以下有较大幅的吸收，因此，应重点关注0～20 Hz超低频范围内的基床表层及以上结构层的动力响应.     

基于三维数值模拟的铁路路基动力特性分析

为探讨列车轴重和运行速度对土质路基动力特性的影响,用ANSYS与FLAC3D软件对有砟轨道-路基系统进行了三维动力数值模拟,在模拟过程中,利用滞后阻尼实现了土体在循环动荷载下的非线性特性.用该方法对达成线循环加载试验段的路基进行建模计算,所得路基动应力与现场实测数据有很好的一致性.在荷载振动频率与客车运行速度的转换过程中,取相邻车厢两个转向架的间距为相邻两个动应力波峰之间的距离,在此基础上,探讨了客车运行速度对土质路基动力性质的影响.研究表明:列车轴重和运行速度对路基表面动应力影响较大,随着轴重的增加和速度的提高,路基表面动应力呈马鞍形分布的趋势愈加明显;动应力沿路基深度的衰减规律受车速的影响很小,不同车速下的动应力在基床表层内都衰减了42%~46%,再经过基床底层的扩散,衰减值达79%~82%.      

轨道刚度的影响分析及动力学优化

应用轮轨系统动力学的频域分析方法,研究了轨道刚度对轨道动力特性的影响规律.提出了轨道动力参数对轨道刚度的敏感系数的概念,依据敏感系数的特性,初步建立了轨道总刚度取值、扣件与道床刚度比值的动力学优化分析方法.作为算例,对我国高速铁路的轨道刚度进行了初步优化分析,认为轨道总刚度合理取值范围为62.0～86.9kN/mm,扣件与道床刚度的最优比值约为0.5.     

钢桁梁梁端横向伸缩对轨道几何形位的影响

为研究钢桁梁梁端横向伸缩对有砟轨道几何形位的影响规律,运用有限单元法,建立线-桥横向分析的计算模型,对在日温差作用下钢桁梁梁端相对路基伸缩时有砟轨道几何形位的变化及其影响因素进行分析。结果表明,钢桁梁相对路基发生横向伸缩后会使有砟轨道线路产生较大的横向位移和方向变化率,但对轨距影响不明显;梁端伸缩时,道床、扣件横向阻力对轨道横向位移的影响很小,且其增大到正常值之后,轨道方向变化率受其影响也很小;钢桁梁横向固定支座和线路中线间的距离是影响轨道几何形位变化的主要因素,当其控制在6.7 m以内时,轨道的最大横向位移小于2 mm,方向不平顺变化率小于1‰。     

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。     

不同脏污质对格栅加筋道砟性能的影响

加筋格栅广泛应用于有砟轨道中以提高道床承载及侧向抗变形性能.?由于受到来自行进列车落下的煤渣或底砟及地基层翻冒的泥浆等的污染,格栅加筋道砟集料的力学性能会受到严重影响.?选用黏土、煤渣两种有砟铁路常见脏污杂质,对格栅加筋道砟开展了不同法向压力、不同脏污程度下的大型直剪试验,对比研究了不同脏污质对格栅加筋道砟的抗剪强度、...