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。      

移动荷载作用下板式轨道的有限元分析

用有限元法分析了板式轨道在移动荷载作用下的动力响应。视板式轨道为如下模型:钢轨为离散粘弹性支点支承的长梁;轨道板为连续粘弹性基础支承的短梁。视板式轨道及移动荷载为一个系统,运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的"对号入座"法则建立该系统的振动方程组。研究了移动荷载的速度、钢轨的类型和钢轨支点的弹性系数对钢轨及轨道板动力响应的影响。算例结果表明:在其他参数相同的情况下,增大钢轨支点的弹性系数,钢轨的动力响应减小;使用较重型的钢轨有利于减小钢轨和轨道板的动力响应;随着移动荷载速度的提高,钢轨和轨道板的动力响应增大。     

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.      

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.     

桥墩温度梯度对桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道纵向力的影响

针对桥墩温度梯度引起的桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向附加力与变形, 以梁-板-轨相互作用原理和有限元法为基础, 建立了多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型, 详细考虑了钢轨、轨道板、CA砂浆、底座板及桥梁等主要结构和细部结构的空间尺寸与力学属性; 采用单位荷载法计算了桥墩纵向温差作用引起的墩顶纵向位移, 分析了墩顶位移影响下桥上无砟轨道无缝线路纵向力与位移的分布规律。分析结果表明: 当各墩顶发生均匀位移时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上无砟轨道无缝线路纵向力分布规律及其最大值一致, 且随着墩顶均匀位移的增加而线性增大, 轨板相对位移峰值均出现在两侧桥台、台后锚固结构末端以及第2跨和最后一跨固定支座墩顶处; 当墩顶均匀位移为5 mm时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上钢轨最大纵向力分别为79.62和79.54 kN, 最大纵向位移分别为4.94和4.91 mm, 轨板最大相对位移均为0.23 mm; 当各墩顶发生不均匀位移时, 钢轨纵向力及轨板相对位移均在邻墩位移存在差异处发生突变, 多跨简支梁桥上固结机构纵向受力大于大跨连续梁桥; 对于高墩桥梁, 需重点关注相邻墩身高差最大处的轨板相对位移、底座板与桥梁相对位移及固结机构的纵向受力。      

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。     

无砟轨道层间动水压力试验设计

无砟轨道层间界面是其薄弱环节，雨水侵入会加剧层间损伤.为研究无砟轨道层间离缝内动水压力分布规律，建立无砟轨道层间脱空平面计算模型，分析脱空深度与开口量对脱空区域垂向位移的影响，确定与现场实测接近的脱空深度；并设计无砟轨道层间脱空模拟装置，验证高频荷载作用下该装置的有效性；基于此装置，开展层间离缝动水压力试验，研究荷载频率、离缝开口量对动水压力的影响.结果表明：当荷载频率为25 Hz，幅值为1.1 kN时，层间脱空模拟装置板端最大垂向相对位移与现场测试结果吻合，表明该装置能模拟层间动水；在高频荷载作用下，层间离缝内水压力正负交替变化，动水压力沿离缝深度方向增大，在离缝尖端水压力最大为15.794 kPa；荷载频率从15 Hz提高至25 Hz时，最大动水压力从1.646 kPa增长到15.794 kPa，约增大10倍；开口量从8 mm增加至14 mm时，最大动水压力从8.320 kPa增大到15.794 kPa，约增大2倍.     

CRTSⅢ型板式无砟轨道横向弯曲疲劳试验

为了研究列车疲劳荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构横向受力性能,采用实际工程施工现场的材料及施工工艺,利用足尺模型,切割制作6个单承轨台或双承轨台的板式无砟轨道试件,进行橡胶板模拟路基上板式无砟轨道结构的横向弯曲疲劳试验,得出列车疲劳荷载引起的横向弯矩作用下板式轨道试件的应力、变形分布规律及疲劳损伤的发展形态.试验结果表明,在15.0~255.0 kN和42.5~425.0 kN疲劳荷载作用下,模拟路基上单承轨台和双承轨台的试件板中位置轨道板上表面先出现纵向裂缝,随后轨道板横向预应力筋锚固端出现由锚头向轨道板上表面的劈裂裂缝,累计疲劳500万次后,三点弯曲模式下轨道板-充填层复合板试件的自密实混凝土开裂荷载和层间滑移荷载分别减小20%~30%和25%以上,疲劳损伤、层间离缝对轨道板与充填层的协同工作性能有不利影响.      

温梯荷载下桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道的力学特性

为研究横向和竖向温度梯度对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力学特性的影响,以梁-板-轨相互作用原理为基础,建立大跨度连续梁桥上 CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间精细化有限元模型,计算了轨道板竖向温度梯度和阴阳面横向温度梯度荷载作用下各轨道和桥梁结构的纵向力和位移. 结果表明:在其他温度荷载相同的情况下,轨道板竖向温度梯度对钢轨的纵向力和位移影响不大;当阴阳面横向温度差为10 ℃时,连续梁上背阴侧钢轨最大的纵向力是向阳侧的1.4倍,背阴侧桥墩最大的纵向力是向阳侧的3.5倍;在横向温度梯度作用下,钢轨纵向附加力由梁体伸缩和扭曲变形共同作用产生,横向温度梯度越大,背阴侧钢轨纵向力、位移最大值越大,向阳侧钢轨纵向力、位移最大值越小;横向和竖向温度梯度的存在不利于轨道和桥梁结构安全使用,因此,在高温差地区设计东西走向的大跨度桥上无缝线路需重点关注钢轨、轨道板和桥梁墩顶受力,并且对无缝线路的横向稳定性进行验算.      

无碴轨道动力学理论及应用

根据车辆-轨道耦合动力学理论，建立了列车与路基上无碴轨道空间耦合动力学模型．模型中将钢轨视为弹性点支承基础上的Bernoulli-Euler梁，将轨道板及混凝土底座视为弹性基础上的弹性薄板．推导了路基上无碴轨道的运动方程．用上述模型及方程分析了遂渝线无碴轨道综合试验段路基上板式轨道及过渡段的动力学性能．结果表明，快速客车、重载以及普通货车通过路基上板式轨道时，轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率、以及CA砂浆和路基面动应力等动力学指标均小于许用值．该无碴（板式和双块式）轨道与有碴轨道过渡段在客运列车作用下钢轨挠度变化率均小于许用值（0．300mm／m），在货物列车作用下略大于许用值．     

基于非均匀发车间隔的大小交路时刻表优化模型

基于客流时空分布规律，考虑列车平均发车间隔、运行时间、最大载客量等约束条件，将列车在车站的停站时间与上、下车客流量相关联，建立城市轨道交通高峰时段基于非均匀发车间隔的大小交路时刻表优化模型，对乘客平均旅行时间及列车发车间隔平均偏离值进行协同优化。以某城市轨道交通线路实际运营数据验证模型的有效性。结果表明，优化后乘客在各个车站平均等待时间较优化前减少幅度为0.4%~13.1%，其中全线客流量较大的第7、8、9站优化幅度较为明显，分别为 11.7%、13.1%、11.9%。优化后列车在各个车站最大满载率较优化前降低幅度为1.8%~8.5%，且所有车站站台均无滞留乘客，体现了优化后列车运输能力与客流需求的良好匹配。灵敏度分析讨论了目标函数权重系数及列车平均发车间隔值对模型的影响，表明本模型具有良好的可用性及稳定性，能够为城市轨道交通列车时刻表优化提供参考。     

灵活编组条件下轨道交通客货协同运输方案优化

基于灵活编组运营组织模式特点，综合考虑客流与货流之间的竞争关系，以列车编组类型及列车发车间隔为主要决策变量，以乘客等待时间和运营公司运营成本极小化为目标，构建灵活编组条件下轨道交通客货协同运输方案混合整数线性规划模型，得到系统优化的列车编组方案、 运行图和客货协同运输方案。当给定编组类型集合且没有货流输入时，本文所构建模型即可退化为传统的固定编组模式下客流运输优化模型。以北京地铁八通线为例设计数值实验，验证了所提模型的有效性，所有实验均由VB语言调用CPLEX优化软件进行求解。算例结果表明，相较于固定编组模式的单一客流运输，本文方法可在乘客平均等待时间仅增加1.1 min的情况下，降低 约41.86%的运营成本，大幅度增加运营收益，更好地实现运输服务质量和运营成本的均衡。     

基于流固耦合求解的强横风下轨道力学分析

为研究强横风条件下轨道结构的力学特性，采用计算流体力学和有限元联合仿真，对轨道结构的受力和变形进行了分析. 首先采用SOLIDWORKS软件基于CRH380A型高速列车实际外形轮廓建模，然后通过FLUENT计算得到列车的气动特性，再与有限元软件ABAQUS联合仿真建立列车-轨道耦合模型；模型中完整地保留列车表面所受的气动力，解决了流固耦合中列车气动力的传递问题；最后基于建立的耦合模型，针对强横风作用下轨道结构的力学特性进行系统分析. 研究结果表明，当列车运行速度为350 km/h，风速从0变化到15 m/s时，钢轨背风侧处横向位移从0.177 mm增加到2.100 mm，增大了11.86倍，可见强横风条件下，要重点关注钢轨背风侧处横向力学特性；当风速超过15 m/s时，列车运行速度达到250 km/h，钢轨横向位移超出了最大允许值2.000 mm，表明长期的强横风作用将会导致轨道的几何形位发生改变，但此时轮重减载率和脱轨系数并未超出对应限值0.65和0.800. 因此，横风作用下不仅要考虑列车运行安全性指标，也要考虑轨道结构力学指标的变化.      

客货共运下机场线列车运行计划与货运分配方案协同优化

机场线具备利用富余能力开展城市货运服务的潜力。针对机场线客货共运问题，基于客货共载和货运专列两种货物运输形式，以考虑仓储、装卸及列车运行成本的货运净收益最大为目标，构建列车运行计划与货运分配方案协同优化模型，综合决策货运专列的编组停站方案、时刻表和货单分配。为快速求解模型，设计一维搜索算法对货运专列开行数量进行寻优。通过允许货运专列编组为0，保证搜索过程目标值单调递增，并利用Gurobi求解给定货运专列开行数量下的子问题。基于某市机场线案例结果表明，在不影响客运服务前提下，本文方法选择性满足货运需求，增加运营收益。相较于站站停模式，优化列车停站方案可增加5.2%的净收益；相较于固定编组模式，灵活编组在不同货运量和时效要求下可增加5%~35%的净收益，且时效要求较高时，灵活编组优势较为明显。     

客运专线列车速度-间隔控制机理与计算

给出了制动率、制动距离、作业时间等参数取值和最小追踪间隔的计算公式．不同的全制动距离阶段划分方式及其设备配置决定了高速客运专线信号控制及列车运行方式．列车的速度-间隔控制采用一次制动模式曲线方式并以速度分级模式曲线方式作为备用模式．缩短同方向列车到站追踪间隔是缩短追踪间隔的关键．对于速度大于250km／h的旅客列车，通过进站提前减速，用一次制动模式曲线方式能够实现3min追踪间隔．在客货混线运行条件下，当车站到发线有效长不大于1200m，咽喉区长度不大于800m，120km／h的货物列车制动率0．8时，能够实现5min追踪间隔；200km／h旅客列车采用制动率为0．6即能实现4min追踪间隔．     

大型货车对线路动力影响的研究

基于轮轨系统耦合动力学原理，应用车辆一轨道垂向系统统一模型及计算机仿真软件，分析了大型铁路货车对线路的动力影响与危害，并讨论了宜所采用的车辆技术对策。通过对新设计的大型货车方案进行轮轨动力作用性能预测，论证了我国发展低动力作用大型货车运输体系的切实可行性。     

曲线轨道上重载货车悬挂相对位移的仿真计算方法及应用

为准确求解曲线轨道上重载货车悬挂的相对位移，首先，建立曲线轨道数学模型，推导出曲线外轨超高、顺坡角、侧滚角和中心角随线路长度的变化公式，再根据车辆各刚体部件进出曲线的时间和所处曲线位置差异，编程计算悬挂点刚体间的超高及转角差；其次，以刚体质心为坐标原点建立本体坐标系，分别给出悬挂点在两刚体本体坐标系中的坐标表达式，通过坐标变换法将本体坐标转换到同一坐标系下，计算悬挂点瞬态相对位移；最后，结合车辆曲线动力学仿真程序计算，即可求出车辆曲线通过时各悬挂点的动态相对位移. 计算结果表明:车辆悬挂相对位移是车辆参数和曲线轨道参数综合作用的结果，当单独不计线路侧滚角差、顺坡角差、中心角差时，对应悬挂相对位移的最大偏差率可达42.85%、24.03%、71.42%；利用坐标变换结合动力学仿真计算的方法可全面考虑车辆和轨道参数，求解车辆悬挂相对位移更为准确.