重载铁路路基荷载特征和路基动力响应分析

研究目的:近年来,重载铁路因其经济性较好在我国广泛建设,重载铁路路基基床承受重载列车动荷载作用较大,为了更好地分析重载铁路动荷载对路基病害诱发的影响,进一步优化重载铁路路基基床厚度结构设计,本文利用三维有限元对道砟厚度、基床表层厚度、基床表层模量、轴重等因素对重载铁路路基动应力特征和基床范围内动应力的传递分布影响进行仔细的研究。研究结论:通过数值计算和与既有重载铁路实测动应力比较分析得出以下结论:(1)路基中竖向动应力随着轴重、道床厚度、表层厚度和表层模量的变化规律为:路基基床中的竖向动应力随着轴重的增大而增大,随着道床厚度增大而减小,而基床表层模量和基床表层厚度对竖向动应力影响较小;(2)重载铁路30 t轴重相对于普通铁路23 t轴重增加约30%,而增加道床厚度可显著减小其动应力,50 cm较35 cm道床厚度各部位动应力减小约20%;(3)计算得出重载铁路路基动应力的合理数值模型和相关参数,为重载铁路路基基床厚度结构设计提供了合理的计算方法。     

重载铁路水泥改良膨胀土路基动力特性数值研究

相比普铁与高铁而言,列车动载作用下重载铁路路基的动力特性更突出。依托浩吉重载铁路工程背景建立"列车-有砟轨道-基床-地基"三维数值模型,对不同荷载条件下重载铁路水泥改良膨胀土路基的动力特性进行分析。同时,结合室内动三轴试验,获取水泥改良膨胀土填料临界动应力,并建立填料累积变形经验模型,综合"强度-变形"指标对重载铁路水泥改良膨胀土路基的长期动力稳定性进行评估。结果表明:路基动应力受轴重影响敏感性大于车速,轴重25～30 t重载列车动载作用路基面动应力是预留客运列车作用时的1.2倍;不同列车荷载作用下重载铁路改良膨胀土路基的动应力沿深度逐渐衰减,动力影响深度是基床设计厚度(2.5 m)的1.2～1.6倍,但影响范围内路基动应力水平远小于填料临界动应力范围,说明路基动强度稳定满足要求;结合动三轴试验"应变-振次"稳定性曲线,建立考虑振次、应力水平等多因素的水泥改良膨胀土填料累积变形经验模型,预测400万振次基床表面累积变形为5.5～6.5 mm,其中前150万振次累积变形量占比达85%以上,说明路基动变形稳定满足要求;数值结果与文献测试数据吻合,验证模型的合理性。     

重载铁路路基基床结构设计研究

研究目的:目前我国重载铁路路基厚度的设计依据现行高速铁路路基设计规范,但重载列车与高速列车作用下路基的工作机理存在较大差异。为此,本文根据弹性理论建立轨道-路基三维有限元模型,分析不同荷载水平和基床结构形式下路基动应力分布和衰减规律,提出用动强度控制设计方法确定不同轴重下重载铁路路基基床厚度。研究结论:(1)重载铁路荷载条件下,由于需要考虑轮轴的叠加效应,路基动应力衰减速率明显减小;(2)依据现行重载铁路设计方法得到的路基设计厚度处的动应力与自重应力之比为0.3~0.5,不满足设计要求;(3)采用动强度设计原则,25 t轴重下的基床整体厚度为2.1~2.3 m,30 t轴重下的基床整体厚度为2.8~2.9 m,35 t轴重下的基床整体厚度为3.2~3.3 m;(4)该结论可为重载铁路路基基床结构设计提供参考。     

高速铁路路基动力响应特性

结合高速铁路路基基床动力响应现场实测与有限元计算,分析了无砟轨道路基动应力、动变形和振动加速度的幅值特征及变化规律,揭示了列车荷载作用下基床内应力、应变的分布规律。研究结果表明:轨道路基基床动应力范围为11~16 k Pa,随车速变化不明显,随轴重增大而增加,每1 t轴重产生动应力约为1.02 k Pa;无砟轨道路基基床表面动应力分布范围较大且相对均匀,动应力随深度衰减较缓慢;无砟轨道路基动变形较小,随着路基刚度的增大动变形减小且分布较均匀,路基对线路整体刚度影响不大;无砟轨道路基振动加速度一般不大于10 m/s2,振动主频100~500 Hz。     

大轴重双线铁路路基结构动力学分析

随着物资流动要求的提高,重载铁路因其良好的运输能力被社会所青睐,然而用地矛盾限制了线间距的大小,为分析不同线间距对大轴重作用下路基结构的动力响应,借助轨道-路基模型,研究不同轴重、线间距和基床弹性模量下,路基结构的荷载传递规律和动应力分布情况。结果表明:(1)双线铁路线路中心线处基床结构动应力沿深度方向先对数增长,后线性减小;(2)动应力峰值主要与线间距和轴重有关,峰值位置深度主要与线间距有关而与轴重无关;(3)线间距小于4.4 m时,线路中心线处路基本体动应力大于轨道中心线处,对于线间距小于4.4 m的路基结构设计时应考虑线路中心线处动应力值;(4)基床表层弹性模量的衰减作用较小。     

既有线提速路基动应力分析

通过对既有线提速区段路基的调研和试验,得出结论,动应力与轴重、速度及线路平顺性有关。列车提速时,轴重增加和轨道不平顺对路基动应力影响最大。路基面动应力在横向呈马鞍分布,动应力沿深度方向衰减较快。采用当量折算和Boussinesq公式推算出的提速后路基动应力与实测值接近。在既有线提速改造中,重点应消除路基病害,提高基床特别是基床表层的强度和稳定性。     

重载车桥耦合作用下48 m钢桁梁桥动力性能

研究目的:随着社会经济发展和人们需求的提高,铁路货运能力亟待进一步提高,在既有铁路网基础上加大铁路列车轴重是有效提高铁路运能的主要途径之一。列车轴重增大后车桥振动效应将增加,既有铁路网中的钢桥能否适应铁路轴重的提高成为列车轴重能否增加的关键问题。本文为分析重载列车作用下钢桥动力性能,选取既有线中常用跨度48 m钢桁梁桥为研究对象,通过轮对与轨道接触处的力与位移相互关系建立空间重载铁路车-桥系统耦合振动分析模型,在与实测结果对比基础上,对影响重载铁路钢桁梁桥动力性能的轨道不平顺、列车轴重和列车速度等因素进行系统分析。研究结论:(1)轨道不平顺功率谱、列车轴重和列车速度均对重载列车作用下的钢桁梁桥的动力性能有着重要影响;(2)美国六级轨道不平顺与桥上实际线路不平顺更加接近;(3)重载铁路运输中27 t轴重列车通过48 m钢桁梁桥时建议对列车运行速度进行限制。     

30 t轴重条件下轨道几何不平顺限速管理值研究

结合朔黄铁路开行KM96型30 t轴重重载列车试验,应用车辆-轨道耦合动力学理论和SIMPACK多体动力学软件,建立30 t轴重货车车辆仿真模型,研究不同轨道几何不平顺条件下的列车动力性能以及运营安全性能。基于国内铁路开展的30 t轴重列车动力性能试验,设置高低和轨向2种类型的轨道不平顺,结合现场测试结果对仿真模型进行了验证与优化,进而分析了30 t轴重重载列车在不同不平顺波长下的动力学响应,得出了轨向、高低、三角坑等轨道不平顺指标的敏感波长。研究列车在敏感波长为10 m时,直线、曲线上单项以及逆向复合不平顺条件下的动力学响应,结合30 t轴重列车运行安全性能指标的变化趋势,提出了30 t轴重条件下重载铁路轨道几何不平顺的限速管理值,其中高低26 mm,轨向22 mm,水平26 mm,三角坑18 mm,逆向复合不平顺19 mm。     

高速铁路无砟轨道路基动应力频谱特性研究

通过建立无砟轨道-路基系统三维有限元数值模型,模拟8列编组的CRH380A型动车组运行过程,计算揭示高速列车荷载作用下路基内部动应力时空分布规律及其频谱特性。研究结果表明:路基竖向动应力时程呈现"驼峰"或"波浪"型周期性变化。动应力在基床范围内迅速衰减达60%,且基床表层或轨道边缘下方路基中衰减较为剧烈。路基承受的动应力作用频率为车长对应频率1-4的整数倍,主要受车辆长度、转向架间距及列车速度等因素控制,轨道不平顺没有改变路基承受荷载的主频率。依据动应力时程曲线及其频响特征,建立轴重为140 k N的高速列车在CRTSⅡ型轨道板上运行时路基各结构层所受荷载的函数实用表达式,为路基填料的动力试验与路基结构设计提供荷载参考依据。     

高速铁路无砟轨道路基填料动力试验荷载分析

为获得高速铁路无砟轨道路基填料的动力试验参数,建立无砟轨道-路基系统三维有限元数值模型,模拟8辆编组的动车运行过程,结合实测数据分析轨道不平顺、列车速度、轴重、深度等因素对竖向动应力的影响。结果表明:路基动应力的一次加卸载过程,由同一转向架的两对轮载或相邻转向架的两对轮载共同完成;车速对动应力幅值影响较小,但引起路基承受荷载的作用频率呈线性增大;列车车轴重每增加10 kN,路基表面的动应力增加约0.97 kPa;无砟轨道路基承受荷载的作用频率为车长频率的1~4倍,且轨道不平顺没有改变荷载主频。依据动应力时程曲线特征及其频谱特征,采用全压正弦函数建立路基填料动力试验荷载表达式,加载频率可取车长频率的1~3倍。     

含软弱夹层重载铁路路基水平旋喷桩加固效果分析

结合我国重载铁路含软弱夹层路基的病害特点,提出一种路基水平旋喷桩加固技术。利用ANSYS将不同轴重列车模拟为沿轨道移动的振动荷载,重点分析不同轴重重载列车通过路基病害区段加固前后基床结构的动应力与动变形。结果表明,加固后路基侧向应力也有所减小,整体路基结构受力有所改善。     

遂渝铁路无碴轨道路隧过渡段路基面动应力测试分析

通过对遂渝铁路无碴轨道综合试验段路隧过渡段路基动力学响应的现场实车测试,分析在CRH2动车组和C80重载货物列车作用下的路基与隧道刚性渐变混凝土过渡段的路基面动应力响应特性。测试数据表明:行车速度的提高对路基面动应力的增加影响显著,路基面动应力沿线路纵向基本呈波浪型台阶变化,轴重对动应力的幅值和速度影响系数、沿线路纵向的动应力变化坡度都有一定的影响。     

高速列车作用下新型路涵过渡段动力特性研究

针对某一典型高速铁路路涵过渡段进行室内试验及数值模拟,建立车辆-轨道-过渡段动力大耦合模型,提出了新型过渡段的组成以及变态浆液、改良级配碎石的关键配比参数。结果表明:随着深度的增加路基动应力、加速度逐渐减小,并呈现指数分布;随着深度的增加,竖向位移变化曲线较为平缓;随着列车运行速度的增加,路基应力、位移、加速度总体上逐渐增大,存在速度150,350 km/h~2个临界速度,说明列车运行速度与过渡段的动力响应并非呈正比例关系;随着列车轴重的增加路基加速度、动应力变化不大,竖向位移变化较为明显,位移随列车轴重的增大而增大,这说明重载铁路对过渡段的要求很高。     

重载铁路路基基床动应力分布特征研究

随着国家铁路运输客货分离政策的推进,重载铁路作为国际公认的先进货运技术逐步为我国铁路建设者认同并付诸实施。我国重载铁路路基设计规范尚不完善,基床结构对比国外先进重载铁路技术存在明显差异,结合国内车辆荷载通常处理方法,利用Ansys软件对重载铁路路基基床结构进行有限元模拟分析,对比实测动应力数据,研究重载基床动应力分布特征,对目前基床设计方法提出改进或优化建议,对山西中南部铁路路基运行轴重30t重载列车的适应性做出评价。     

高速铁路路基面竖向动应力的模拟计算

介绍路基面动应力有限元模型及其计算原理，计算分析几种轨道不平顺状况及轴重下路基面动应力列车速度的关系，指出高速铁路应严格控制轨道不平顺幅值，消除局部不平顺。     

重载铁路路基荷载条件及动力特性研究

研究目的:重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国的广泛重视。重载铁路路基基床受列车载荷作用影响最为显著,其厚度设计通常按列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比为0.2的原则确定。而分析轮轴力通过钢轨在轨枕上的荷载分担规律又是进行路基动应力计算的先决条件,因此分析列车荷载分担规律以及动应力在路基中的衰减规律是非常必要的。本文根据弹性理论建立轨道-路基有限元模型,进行不同荷载水平和基床结构形式下路基的荷载条件分析,求解路基面动应力分布和衰减规律,为基床厚度设计研究创建基础。研究结论:(1)轴重和基床结构形式不影响轨枕荷载分担规律,单轮轴作用时荷载由5根轨枕承担,双轮轴作用由8~9根轨枕承担,四轮轴作用由15根轨枕承担;(2)无论轮轴力作用于轨枕正上方还是两轨枕间的任何位置,其荷载分担比经Gauss函数拟合后的函数曲线形状、大小以及性质都保持不变,只随轮轴力的移动而移动;(3)单轮轴作用时,列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比均在0.2左右,基床厚度满足设计原则,但双轮轴、四轮轴作用时,列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比在0.3~0.5之间,基床厚度不满足设计原则;(4)该研究结论对重载铁路路基基床结构的设计具有指导意义。     

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。     

重载铁路路基动荷载特征

通过朔黄铁路30 t轴重列车试验,分析重载铁路路基基床动荷载幅值和分布特征,研究重载列车与普通列车作用下路基动荷载的区别。研究结果表明:重载铁路路基动荷载与轴重基本呈线性关系,30 t轴重下平均值为59 kPa,最大值达到123 kPa,轴重从25 t提高至30 t,路基动荷载增大约20%;动荷载的影响分析须考虑前后车厢相邻转向架叠加的影响,重载列车邻轴距小,相邻转向架的四轴之间相互融合,路基动荷载纵向剖面基本上呈"矩形波"形态分布,普通车邻轴距较大,相邻转向架之间的叠加不明显。重载铁路路基动荷载特征的分析为重载铁路路基基床结构的设计和评估提供了重要技术支撑。     

既有线提速路基动力响应特性研究

通过沪宁线提速路基的现场动态试验,在实测轨道不平顺、车速为120~200 km.h-1情况下,采用动力有限元方法计算铁路路基的动力响应。分析路基动应力的分布形式、路基动应力随列车速度的变化规律、路基动应力随深度的衰减规律,以及道床厚度、路堤高度对路基动应力影响规律。研究表明:路基动应力随列车速度的提高而呈线性增加;路基动应力总体上呈双峰的马鞍型分布,且随着路基深度增加,双峰的幅度减小,直至双峰消失,变为路基中心动应力最大的单峰型;随道床厚度的增加,路基竖向动应力显著减小;路堤高度的增加对路基动应力的影响不大,但可有效减小地基表面的动应力。     

遂渝线无砟轨道桩网结构路基现场动车试验测试分析

遂渝线无砟轨道综合试验段是我国首条成区段铺设的无砟轨道铁路,在综合试验段上试用桩网结构解决土质路基上铺设无砟轨道的技术难题.为考察桩网结构路基在不同列车荷载作用下的响应规律,尤其是对网垫层的动力作用大小,结合工程实践,对无砟轨道桩网结构路基进行现场动车组和货物列车试验测试.结果表明:采用无砟轨道结构可以有效改善列车荷载对路基基床的动力作用,测得的动应力与加速度值均远小于有砟轨道结构测得的值;列车轴重对无砟轨道路基的动应力影响明显,对加速度响应也有一定影响;无论是动车组还是货物列车,其运行速度对路堤部分的动响应影响均有限;动应力与加速度经3 m高的路堤后衰减,对桩网结构路基下部的网垫层已基本无影响.