大跨系杆拱桥上道岔纵向耦合及列车走行性分析

针对大跨系杆拱桥上铺设无缝道岔的工程需求,根据岔-桥相互作用原理和列车-道岔-桥梁耦合动力学原理,分别建立了纵向耦合与垂横向耦合振动仿真分析模型.以某新建客专205 m连续梁桥为例,结合3种桥型共9种布置方案,对其岔桥耦合特性和列车走行性进行综合分析研究,结果表明:温度跨度对此类桥上无缝道岔纵向受力变形影响较大,不同桥跨形式的伸缩附加力规律相同,大小不同,其中尼尔森刚架拱方案伸缩附加力、道岔尖轨尖端和心轨尖端相对基本轨的位移、钢轨断缝的最值最小,大跨连续梁拱桥最大;就大跨系杆拱桥上无缝道岔而言,转辙机处基本轨与桥梁相对位移是影响桥垮选型的重要因素;尼尔森拱桥因主跨跨度较大导致桥梁动位移相对较大,存在轮重减载率瞬时超限的问题,而小跨连续梁拱桥梁动位移仅1.33 mm,列车走行安全性和舒适性表现良好,车体横向振动加速度最大仅0.035g.     

60kg／m钢轨12号固定辙叉无缝道岔铺设的理论计算分析

利用当量阻力计算理论,分析计算了目前使用的６０ｋｇ／ｍ钢轨、１２号固定辙叉无缝道岔在不同铺设条件下的里轨伸缩位移、基本轨附加温度力、尖轨尖端位移、限位器螺栓剪力等,为该类型提速道岔在跨区间无缝线路的铺设和养护维修提供一些理论依据。     

无缝提速道岔钢轨温度力与位移的计算

无缝道岔是发展超长无缝线路的关键，而道岔区导轨、基本轨纵向力分布和位移的计算则是无缝道岔设计的先决条件。建立了提速道岔钢轨温度力与变形分析的力学模型，编制了实用计算程序，并进行了计算分析，给出了钢轨温度力变形随其相关因素的变化规律。     

连续梁桥上无缝道岔断轨力计算分析

钢轨在桥梁上的最不利位置处会因强度不足而折断,并自断口处收缩,产生较大的位移量,致使列车经过断缝时产生巨大的冲击作用,严重时危及行车安全,因此,在进行连续梁桥上铺设无缝道岔的检算时,必须考虑断轨力的影响。以一组60kg／m钢轨18#可动心轨道岔为例,采用有限单元法,利用“岔-梁-墩-体化”模型,计算分析了连续梁桥在无缝道岔断轨力作用下桥梁与钢轨的受力和变形特征。结果表明,钢轨在岔前方向折断时桥墩所受纵向力要大于钢轨在岔后方向折断时的受力,道岔里轨的伸缩对桥墩受力起着主要作用;道岔前后不同位置钢轨折断对断轨力的计算结果影响较大,应代入最不利结果进行检算。     

高速铁路道岔设计关键技术

基于道岔轮轨多点接触关系,建立了高速道岔动力分析理论,并设计出适合我国高速道岔的相离式半切尖轨平面线型、心轨水平藏尖结构、尖轨短过渡顶面轮廓和弹性均匀的岔区轨道刚度.为解决无缝道岔转换卡阻问题,在考虑长大轨件纵横向协调变形的基础上,研发了适应大伸缩量的转换锁闭机构、既可有效传递纵向力又可保持道岔平顺性的尖轨及心轨跟端结构和适用于有砟和无砟轨道基础的扣件系统.为控制长大轨件转换不足位移,确保道岔的高平顺性和锁闭可靠性,运用有限单元法进行长大轨件及双肢弹性可弯心轨结构的转换设计,研制出新型辊轮滑床台,并优化了转换牵引点布置及其动程设计.     

简支梁桥上无缝道岔纵向力影响因素分析

根据桥上无缝道岔纵向相互作用的特点,建立了道岔-桥梁-墩台一体化有限元计算模型,以18号道岔铺设在简支梁桥上为例,分析了钢轨温度、桥梁温度、桥梁跨度、支座布置形式、墩台刚度、辙跟传力部件结构及阻力参数等对简支梁桥上无缝道岔受力与变形的影响.计算结果表明,简支梁桥上的无缝道岔对线路和桥梁的影响范围仅限于与道岔相邻的2孔梁以内;应采用道岔里轨与简支梁伸缩位移方向相反的桥上无缝道岔布置方式;应适当增大道岔范围内桥墩的纵向刚度;桥上无缝道岔辙跟不宜采用间隔铁结构;18号道岔宜铺设在跨度32或48 m的简支梁桥上.     

42号高速道岔转辙器区钢轨磨耗规律的预测分析

为了弥补42号高速道岔钢轨磨耗规律理论研究的不足，建立了高速道岔钢轨磨耗发展的理论预测模型. 基于Archard材料磨损理论和车辆-道岔耦合动力学仿真分析进行钢轨磨耗深度分布计算；采用了一种自适应步长算法对岔区各特征位置钢轨型面进行更新，可有效减少误差累积、改善数值模型稳定性；基于理论预测模型研究了42号高速道岔尖轨和基本轨的磨耗分布和发展规律. 研究的主要结论如下:1） 直向过岔时，轮载过渡发生于35.0～50.0 mm断面之间；在轮载过渡前磨耗发展缓慢加快，轮载过渡区段磨耗发展迅速加剧，轮载过渡完成后磨耗发展有所减缓. 2） 侧向过岔时，列车进岔后很快就开始贴靠曲尖轨运行，9.1 mm断面即出现侧磨；随着曲尖轨逐渐加宽，尖轨轨肩始终存在较严重磨耗，直基本轨虽主要承担轮载，但磨耗相对曲尖轨要小得多；轮载过渡开始后曲尖轨磨耗分布变宽，轨肩磨耗显著减小，至全断面后曲尖轨磨耗再次显著减小；曲基本轨磨耗均主要分布于轨头中部，轮载过渡前磨耗发展逐渐加快，过渡开始后磨耗发展减缓.      

线路爬行对无缝道岔受力与变形的影响分析

无缝道岔辙叉及辙跟结构不同，则纵向力的传递机理不同，致使不同结构的无缝道岔受力与变形规律不同。分析比较了固定辙叉、长翼轨可动心轨、短翼轨可动心轨三种辙叉型式、限位器及间隔铁两种辙跟型式的无缝道岔纵向力传递机理及无缝道岔各部件受力及变形的影响。分析结果表明：提高线路阻力，控制无缝道岔前后线路的爬行量，有利于提高无缝道岔的铺设轨温范围。     

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.      

重载车辆-道岔耦合动力特性及岔区加强研究

为了保障车辆过岔的安全性并延长道岔使用寿命,基于刚柔耦合方法建立了精细化的车辆-道岔动力分析模型,研究了过岔方式、行车速度对车岔系统动力特性的影响规律,并对岔区设置轨距拉杆、改变岔区轨底坡、加宽尖轨及心轨断面3种措施的效果进行了评估.研究表明:设置轨距拉杆最大可以降低43.0%的轮轨横向力及5.1%的轮轨垂向力;当岔区轨底坡从1:40增加至1:20,直股线路 可降低10.7%的轮轨横向力及4.0%的轮轨垂向力,侧股线路轨可降低16.7%的轮轨横向力及14.8%的轮轨垂向力;尖轨、心轨断面宽度增加2 mm时引起的轮轨相互作用增幅最大为8.3%,但可降低18.8%的钢轨动弯应力.      

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。      

高速道岔转换锁闭结构力学特性

为指导高速道岔转换锁闭结构的优化设计,根据道岔区轮轨系统耦合动力学理论和有限元方法,建立了转换锁闭结构动态受力计算模型;以60 kg/m钢轨客运专线18号单开道岔转辙器外锁闭装置为例,研究了列车过岔速度、尖轨不足位移和顶铁离缝等对转换锁闭结构力学特性的影响.研究结果表明:列车过岔速度对转换锁闭结构力学特性有显著影响,当过岔速度为250 km/h时,其受力及变形到达最大;存在一定的尖轨转换不足位移,有利于改善转换锁闭结构的受力状态;顶铁离缝的增加使转换锁闭结构的受力几乎呈线性增加,在道岔运营过程中应尽量避免顶铁离缝出现.      

高速铁路道岔尖轨不足位移控制方法

为模拟运营条件下高速铁路道岔转辙器的转换过程，根据高速铁路道岔转辙器的转换特点，在道岔生产车间内建立了客专线18号道岔转辙器转换原型试验平台，采用轴销式称重传感器测量转辙器扳动力，以直、曲尖轨支距实际值与理论值之差为尖轨不足位移；通过转辙器转换试验探索了尖轨预弯、尖轨可动段长度、尖轨固定端扣件支距、滑床板摩擦因数、辊轮高度等因素对尖轨不足位移的影响机制和特征。试验结果表明:现有设计尖轨预弯可使尖轨不足位移下降30%以上；缩短尖轨可动段长度可减小尖轨不足位移，但同时会减小转辙器最小轮缘槽宽，并增大第3牵引点扳动力，尖轨最小轮缘槽宽和最后一个牵引点扳动力是缩短尖轨可动段长度的控制因素；小范围调整固定端所有扣件支距后，尖轨不足位移变化较小，仅减小固定端第1组扣件支距时，尖轨靠近固定端1.2 m范围内不足位移略有降低，其余部分不足位移变化较小；在滑床板上安装辊轮或涂覆润滑剂等减小尖轨与滑床板摩擦因数的措施可有效降低尖轨扳动力和不足位移，实施减摩措施后，扳动力减幅约为30%，不足位移减幅超过20%；改变辊轮高度对尖轨不足位移的影响并不明显，但辊轮高度不宜过低，以防转换过程中辊轮失效导致扳动力和不足位移激增。研究结果可为高速铁路道岔转辙器结构优化和新一代400 km·h-1高速铁路道岔的研发提供参考。      

道岔转辙器部分轮载分布规律的研究

提出了求解道岔转辙器部分尖轨与基本轨密贴区域内轮载在两钢轨上分布规律的力学模型与计算方法。并以６０ｋｇ／ｍ轨１２号提速道岔为例,分析了轮载在过渡范围内的变化规律,提出了设置轨底坡、优化尖轨顶面坡度等改善尖轨受力的有效措施。     

高速铁路无缝钢轨断缝瞬态冲击行为分析

无缝线路钢轨焊缝及其热影响区在温度力作用下可能发生钢轨折断形成断缝. 为了研究钢轨折断对列车运营安全的影响，对轮轨接触受力特性及其材料高频动态响应进行了分析. 首先，建立了ANSYS/LSDYNA三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型；然后，根据不同速度轮轨力时域响应规律，选择了合适的模型计算工况，并且通过计算轮轨接触受力特性和材料高频动态响应，分析了车轮跨越断缝的安全问题；最后，通过小波变换获取了车轮跨越断缝时轮轨力的频域分布. 结果表明:断缝处轮轨高频冲击力峰值随断缝长度变化先减小后增大，转折点处断缝长度与行车速度负相关；车轮通过断缝时，钢轨最大剪切应力超过材料破坏极限，易导致钢轨材料脆断；轮轨力时频图中存在两个特殊频率成分，分别对应高频冲击荷载（1 500 Hz左右）及二次冲击荷载（450 Hz左右），断缝长度对轮轨力频域分布影响较小.      

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。