地震激励下高速列车动态响应与运行安全边界研究

为研究地震对高速列车动态响应与运行安全的影响,建立地震激励下车辆-轨道耦合动力学模型,地震波被简化为周期性的横向正弦波加入车辆轨道仿真模型中。基于仿真计算,对地震作用下高速列车的动态响应、脱轨机理及运行安全边界进行详细地分析和讨论,给出地震下高速列车安全运行及脱轨边界。分析结果表明:地震所引起的轨道结构大幅横向振动对高速列车的安全运行影响极大;横向地震波激励下,车轮与钢轨频繁地发生分离、车轮的大幅度抬升和车辆激烈的横向滚摆运动是造成高速列车脱轨的主要原因。     

列车脱轨机理与脱轨分析理论研究

在分析国内外脱轨研究现状的基础上，总结出脱轨研究中存在如下主要问题。（1）现有预防脱轨标准对实际列车脱轨没有控制作用。（2）不明原因列车脱轨机理不明确。（3）列车脱轨计算存在3个根本问题：①列车-轨道（桥梁）时变系统振动方程组的建立与求解未满足轮轨位移衔接条件；②仅以轨道横向不平顺作为列车-轨道（桥梁）时变系统横向振动的激振源，未考虑根本激振源——轮轨接触状态的影响；③仅以轨道不平顺的随机性和按时不变系统随机振动分析理论，     

直线货物列车脱轨过程计算

首先指出了国内外脱轨研究中存在的主要问题，提出列车脱轨能量随机分析方法，运用列车－轨道时变系统空间振动分析理论及此种能量随机分析方法，对直线货物列车脱轨过程进行了计算，计算结果与实际线路工况下货物列车脱轨试验结果吻合。     

列车脱轨的力学机理与防止脱轨理论

论证了：1)现行脱轨系数Q/P及轮重减栽率△P/Po的限值不能防止脱轨的根本原因是在于它们不能控制列车实际的Q/P与△P/Po不超过规定限值;2)列车脱轨的力学机理是列车桥梁(轨道)时变系统的横向振动丧失稳定,只要此系统横向振动是稳定的．列车车轮就不会脱轨掉道。提出了判别此系统横向振动是否稳定(即列车是否脱轨)的此系统抗力作功增量与输入能量增量准则。深入论述了：1)国内外此系统振动计算理论在计算模型、激振源、随机分析3个方面存在根本问题;2)列车脱轨能量随机分析理论。列出了12例列车是否脱轨的计算结果,所有对应于有实践结果的算例,其计算结果都与实际情况相吻合．     

桥上列车脱轨的力学机理、能量随机分析理论及其应用

总结了国内外现有桥上列车脱轨研究中的主要问题。基于物理概念，提出了桥上列车脱轨的力学机理，进一步提出了桥上列车脱轨能量随机分析理论，其主要内容包括：列车脱轨几何准则；能反映轮轨接触状态及相对位移的列车桥梁时变系统空间振动方程组的建立；此系统横向振动激振源的确定；此系统随机横向振动的计算方法；评判列车是否脱轨的能量增量准则。计算了6个桥上列车是否脱轨实例，计算结果均与实际符合，证明这个理论有一定正确性。     

列车-轨道(桥梁)系统横向振动稳定性分析

论证列车脱轨力学机理是列车-轨道(桥梁)系统横向振动丧失稳定。基于系统运动稳定性能量增量分析方法,提出列车-轨道(桥梁)系统横向振动稳定性分析的能量增量判别准则:当列车-轨道(桥梁)系统横向振动极限抗力做功增量大于系统横向振动最大输入能量增量时,横向振动状态稳定;反之,系统横向振动状态不稳定;二者相等时,横向振动状态处于失稳临界状态。基于上述准则,提出系统横向振动失稳临界车速与容许极限车速分析方法,并结合实例证明方法的可行性。采用上述方法得到高速铁路板式无砟轨道列车失稳临界车速为607.5km/h,容许极限车速为486km/h,证明我国高速铁路运行安全度较高。     

高速列车与高架桥上无碴轨道相互作用研究

以秦沈客运专线运营条件为基础，建立了包括高速列车－板式轨道－桥梁，高速列车－长轨枕埋入式无碴轨道－桥梁的两种车线桥系统垂向耦合振动模型，分析了高速列车以２００ｋｍ／ｈ，２５０ｋｍ／ｈ、３００ｋｍ／ｈ速度通过高架桥上板式轨道及长轨枕埋入式无碴轨道时机车车辆，无碴轨道及桥梁的动力学性能。     

天兴洲公铁分建40 m简支梁桥客运线上高速列车脱轨控制研究

基于高速列车-桥梁时变系统空间振动分析模型,采用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立此系统空间振动方程。运用列车脱轨能量随机分析理论,对天兴洲公铁分建40 m简支梁桥客运线上高速列车在设计车速以内是否脱轨及在不脱轨条件下高速列车走行舒适性进行分析。研究结果表明:该桥上高速列车在300km/h车速以内运行时不会脱轨;高速列车走行舒适性均在良好标准以上;该桥竖向振动加速度满足要求。     

再论列车脱轨能量随机分析

本文论述了国内外脱轨计算中的根本问题，车辆与轨道振动方程解的唯一性无保证，采用的激振源未包括所有引起车轨系统横向振动因素的作用，车轨系统随机振动的计算问题未解决；以轮轨相互作用力的计算为脱轨分析的突破口不恰当，现行规范规定的脱轨系数Q／P及轮重减载率△P／P际值，不能反映实际列车Q／P及△P／P的随机量大值，不能保证实际列车可能产生的最大Q／P及△P／P不超过规范限值，另外，本文继文献[1]进一步论述了列车脱轨能量随机分析的理论与实践，再次作了实例脱轨分析，与实践结果吻合，提出了预防列车脱轨措施及车轨系统抗脱轨安全系数N的计算方法。     

轨道三角坑对列车脱轨安全性影响分析

应用列车-轨道空间耦合时变系统振动分析理论，分析了轨道三角坑对列车脱轨安全性影响，并就理行铁路线路维修规则中对轨道三角坑的限值进行了评估。     

基于车辆-轨道单元的无砟轨道动力特性有限元分析

根据CRTSⅡ型无砟轨道系统结构特点,建立列车-轨道-路基耦合系统动力分析模型,提出一种包含钢轨、扣件、轨下垫板、预制轨道板、CA砂浆层、混凝土支承层及路基的无砟轨道单元,并推导该单元刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。运用Lagrange方程建立高速列车通过时无砟轨道动力特性分析的有限元数值方程。结合实例,研究无砟轨道轨下垫板、CA砂浆层、路基等结构参数对轨道振动的影响,并对有砟轨道与无砟轨道连接段动力特性进行分析,分析时考虑列车速度、轨道基础刚度等影响因素。计算结果表明:无砟轨道结构参数合理取值与刚度合理匹配可显著提高轨道整体工作性能;连接段轨道基础刚度变化对钢轨垂向加速度和轮轨作用力均有影响,其影响随列车速度提高而增大;连接段采取轨道刚度渐变过渡措施,可明显降低车辆-轨道结构冲击振动,有效改善行车品质。     

横风作用下高速列车-板式轨道系统空间振动分析

基于高速列车-板式轨道系统空间振动分析理论,考虑横风作用效应,建立了风-高速列车-板式轨道系统振动分析模型,推导了列车风荷载势能;将它与列车振动势能及板式轨道振动势能相加,得出系统振动总势能;根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的"对号入座"法则,建立系统空间振动矩阵方程,并编制了相应计算程序.分析了横风作用下高速列车和板式轨道的动力响应.研究结果表明:横风对车体的横向及竖向位移、轮重减载率、倾覆系数等有很大影响,对脱轨系数、横向Sperling 指标有一定的影响,而对钢轨的横向及竖向位移影响很小.     

高速铁路板式无砟轨道-路基结构动力特性研究

针对列车走行的实际情况,将板式无砟轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立包含车辆、钢轨、板式轨道和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度对车辆运行品质、系统动位移以及动应力的影响。结果表明:车体加速度、动轮载和轮重减载率均随车速的提高而增大,呈线性分布,当列车高速通过无砟轨道-路基结构时,列车运行的安全性和舒适度指标都能满足要求;系统动位移受速度影响较小;轨道板易发生疲劳破坏,需采用双层、双向配筋;路基面动应力随速度的提高而增大,但数值比有砟轨道的小;路基动应力沿路基深度方向衰减较慢,在基床表面下3 m处,动应力只有基面的25%左右;无砟轨道的基床加速度远小于有砟轨道的加速度值,表明无砟轨道结构可以有效地改善列车荷载对路基基床的振动作用。     

路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性研究

研究不同荷载作用下,高速铁路路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性。钢轨及道床板中钢筋用梁单元模拟,道床板、双块式轨枕、支承层以实体单元模拟,钢轨与道床板、道床板混凝土与钢筋、支承层与路基之间的连接用弹簧单元模拟,建立了可考虑混凝土开裂的路基上双块式无砟轨道三维有限元力学模型,分析了自重荷载、列车垂向荷载、不沉匀沉降荷载、温度梯度荷载作用下道床板的空间力学特性。结果表明:温度梯度荷载对混凝土纵、横向拉应力的影响最为显著;在列车荷载、不均匀沉降及温度梯度荷载作用下,钢筋纵向拉应力均超过了20 MPa;不同荷载作用下,支承层厚度、支承层弹性模量、道床板厚度等参数变化对混凝土和钢筋力学特性的影响不同;混凝土和钢筋纵向拉应力随着道床板裂缝间距的增加而增大。     

广深港高速铁路狮子洋隧道减振无砟轨道对周边软土地层影响分析

为防止高速列车振动引起广深港高铁狮子洋大断面盾构水底隧道软土地层液化风险,轨道结构采用减振板式无砟轨道。为考察减振措施效果,分别建立列车-轨道模型、隧道-地层有限元模型,分析列车荷载作用下隧道结构及周围土层动力响应及分布规律,对比分析减振和非减振两种工况下地层动剪应力和加速度,结果表明,采取减振措施可有效降低软土地层液化风险,提高安全储备,达到了预期的目标。研究成果对隧道穿越软土地层设计具有指导意义。     

温度及收缩荷载下路基上双块式无砟轨道力学及裂缝特性研究

温度及收缩荷载是双块式无砟轨道的重要荷载.以路基上双块式无砟轨道为研究对象,道床板中钢筋用梁单元模拟,道床板、双块式轨枕、支承层以实体单元模拟,道床板混凝土与钢筋、支承层与路基之间的连接用弹簧单元模拟,建立了考虑混凝土开裂的钢筋与混凝土相互作用有限元力学模型,并编制了相应的计算程序.研究了温度及收缩荷载下路基上双块式无...     

Influence of fastener stiffness mutation in ballastless track on dynamic characteristics of high-speed trainsEI北大核心

Research purposes: The elasticity for the ballastless track structure is mainly provided by the fastening system. During the construction and maintenance of ballastless track on high-speed railway, the incorrect installation and the unreasonable transition between the old and new rail-pads may occur to the fasteners, which will cause a stiffness mutation for the fasteners. Even though this problem can hardly be found under the static condition, it can have a great effect on the stability and safety for the high-speed vehicle operation. Here different conditions for the fastener stiffness mutation are considered, according to the actually measured data. And the influence of fastener stiffness mutation on the dynamic performance of high-speed vehicle and track is calculated and analyzed by using the vertically coupled vehicle-ballastless track-subgrade vibration spatial model and the finite element software ANSYS/LS-DYNA. Research conclusions: The calculation and analysis results show that: (1) When there is a local mutation for the stiffness of fasteners, the maximum and minimum of vehicle acceleration basically keep the same. That is to say, the fastener stiffness mutation has few influence on the stability of vehicle operation. (2) The fastener stiffness mutation has much obvious effect on the wheel load reduction rate, which is related to the safety of vehicle operation. Further, when the train speed is larger than 300 km/h, the fastener stiffness mutation will directly cause the wheel load reduction rate to exceed the standard. (3) This research results can be used to provide a theoretical basis for monitoring the fastener stiffness in construction or repairing and establishing the strict control standards in high-speed railway.     

无砟轨道桥梁桥面板ZK活载计算图示分析

为准确模拟高速铁路桥上无砟轨道结构传递ZK活载至桥面板上的荷载分布效应,采用Abaqus软件建立CRTSⅠ型双块式无砟轨道精细化数值分析模型,通过对底座板底面垂向应力等值线分布进行分析,开展高速铁路桥梁桥面板ZK活载计算图示的研究。研究表明,进行桥梁结构横向荷载计算或桥面板、桥面铺装等桥梁结构局部精细化受力分析时,在单轴ZK特种荷载作用下,荷载传递至桥面的计算图示可简化为顺桥向长2.0 m、横桥向宽0.7 m的矩形面荷载,均布面荷载值为90.80 kPa;在四轴ZK特种活载作用下,计算图示可简化为横桥向分布宽度为0.76 m的条状面荷载,均布面荷载值为109.20 kPa。     

有砟轨道与无砟轨道动刚度特性差异研究

轨道动刚度是不同激振频率的荷载作用下,轨道抵抗变形的能力,由于有砟轨道与无砟轨道两种轨道的组成差异造成两者间存在较大动刚度差异。随着行车速度的提高、中高频段激振荷载的增加,有砟轨道与无砟轨道间的动刚度差异逐渐增大,这对于行车平顺性与结构耐久性会造成较大影响,但目前缺乏轨道动刚度的相关研究。为研究有砟轨道与无砟轨道间的动刚度差异,根据两种轨道的结构特点,建立相应的ANSYS有限元模型,通过对比分析,得出两种轨道的轨道动刚度在中低频段存在较大差异,轨下动刚度在全频段存在较大差异。为保证有砟-无砟轨道过渡段的行车平稳性与结构耐久性,需要考虑两种轨道间的动刚度过渡设计。此外,轨道动刚度特性分析可以指导高速铁路高低不平顺控制,从而保证行车平顺性。     

高速铁路无砟轨道整治效果评估方法探讨

轨道系统的服役状态直接影响高速列车的安全、平稳运行。随着无砟轨道结构的大量投入使用,无砟轨道病害成为影响线路平顺性和稳定性的主要因素之一。目前病害的整治措施有很多,但如何对整治效果进行有效的评估是日常维护工作的难点之一。结合目前我国高速铁路无砟轨道结构存在的几种主要病害和整治方法,对轨道动态检测、光纤传感监测和地质雷达无损检测3种整治评估方法进行介绍和对比,为整治评估方法在高速铁路无砟轨道上的推广应用提供参考。