高速铁路用WJ-8型扣件弹条模态特征试验研究

高速铁路无砟轨道在钢轨波浪形磨耗或车轮多边形磨耗等影响下扣件产生共振导致弹条断裂的情况时有发生。WJ-8型扣件是我国高速铁路无砟轨道结构常用扣件,为了分析其弹条断裂损伤机理,采用锤击激励法对扣件弹条的模态特征进行了试验研究。结果表明:标准安装状态下WJ-8型扣件配套使用的W1型弹条在0～1 000 Hz频率范围内具有2阶模态,第1阶模态振型为弹条两侧肢以扣压端和支承端为支点反对称外翻振动,两侧肢的振动方向相反,第2阶模态振型为弹条两侧肢以扣压端和支承端为支点对称外翻振动,两侧肢的振动方向相同;弹条固有频率波动与安装状态有关,可通过调整弹条安装状态,避免弹条在轮轨的高频激励下产生共振,从而减轻弹条伤损。     

高速铁路无砟轨道用预应力钢棒疲劳性能试验研究

高速铁路无砟轨道结构中的钢筋疲劳性能是影响无砟轨道结构耐久性的关键因素。针对CRTSⅠ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道预制轨道板采用的预应力钢棒,设计了漏斗形试件,首次采用高频疲劳试验机对预应力钢棒母材进行疲劳性能试验。试验结果表明：预应力钢棒的S-N曲线呈整体连续下降趋势;疲劳次数Nf 在1×106周次之前,随疲劳次数增大,应力幅值降低较为明显;疲劳次数 Nf 在1×106周次之后,应力幅值降低速率逐渐变缓;同时,采用基于 Miner 线性损伤理论的有限元法对预应力钢棒疲劳寿命进行计算分析,计算结果与试验结果吻合良好。试验所得预应力钢棒母材的疲劳寿命曲线,可为高速铁路无砟轨道结构耐久性研究、预应力钢棒合理选材和设计提供依据。     

CRTSⅢ型板式无砟轨道减振层合理弹性模量研究

阐述CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的减振措施,运用有限元软件ABAQUS建立CRTSⅢ型减振板式无砟轨道系统垂向静力计算模型。从轨道板拉应力变化、底座板拉应力变化和橡胶垫层应力变化分析模型计算参数;分析CRTSⅢ减振型板式无砟轨道减振层合理弹性模量的取值范围;建议选取弹性模量大于100 MPa、小于300 MPa,可兼顾轨道板、底座板、减振层等各项力学性能指标。     

时速120 km地铁多种减振轨道结构振动特征分析

为研究时速120 km地铁多种减振轨道结构的振动特征及振动传播规律,对比分析了某时速120 km地铁线路上的DZ-Ⅲ型减振扣件轨道、GJ-Ⅲ型减振扣件轨道、减振垫浮置板轨道在时域和频域内的实测结果。时域分析结果表明:3种轨道结构的浮置板(道床板)振动加速度幅值大致相等,减振垫浮置板轨道处隧道振动加速度幅值比其余2种轨道处小一个数量级,更有效地削减了振动加速度幅值。频域分析结果表明:在20~80 Hz和0~20 Hz频段内,减振垫浮置板轨道的隧道振动加速度级比另外2种轨道小,减振效果更好。除GJ-Ⅲ型减振扣件轨道钢轨与道床板间在0~80 Hz频段内衰减不明显外,振动加速度的传播大致遵循由钢轨到浮置板(道床板),再到隧道逐层衰减的规律。     

CRTSIII型板式无砟轨道减振层合理弹性模量研究

阐述CRTSIII型板式无砟轨道结构的减振措施,运用有限元软件ABAQUS建立CRTSIII型减振板式无砟轨道系统垂向静力计算模型。从轨道板拉应力变化、底座板拉应力变化和橡胶垫层应力变化分析模型计算参数;分析CRTSIII减振型板式无砟轨道减振层合理弹性模量的取值范围;建议选取弹性模量大于100MPa、小于300MP＆,可兼顾轨道板、底座板、减振层等各项力学性能指标。     

4种地铁减振轨道轮轨动态相互作用对比分析

为了研究地铁曲线段不同减振轨道的轮轨动态相互作用,通过现场实测数据对比分析了橡胶隔振垫道床轨道、钢弹簧浮置板道床轨道、梯形轨枕轨道、单趾弹条扣件轨道4种减振轨道结构的轮轨力、钢轨动态位移,以及对应断面处隧道壁的垂向振动加速度。分析结果表明:单趾弹条扣件轨道振动相对较大,钢弹簧浮置板道床振动相对较小;4种减振轨道对应的轮轨垂向力、横向力、脱轨系数均满足列车安全运营要求;钢弹簧浮置板道床轨道的钢轨动态位移平均值较大,但小于安全限值。     

路基冻胀-融化-沉降循环作用下高速铁路板式无砟轨道伤损演化与变形分析

为研究路基冻胀-融化-沉降循环作用下,无砟轨道结构的伤损演化规律和变形特性,基于有限单元法及混凝土塑性损伤模型,建立路基上单元板式无砟轨道静力分析模型。计算结果表明:(1)小波长条件下,底座板在冻胀过程中易在幅值两侧对应第一块轨道板的板端萌生损伤,但随波长的增加,轨道结构塑性损伤得以缓解;(2)路基冻胀-融化-沉降循环作用引起轨道不平顺,其幅值呈增加-减小-反向增加的变化趋势,但波长较小时,反向增加的幅度极小;(3)路基回落过程中,轨道结构存在部分残余变形;(4)底座板与基床表层间的离缝呈张开-闭合-张开的循环性变化规律,离缝宽度随路基变形幅值的增大而增大;(5)路基变形波长对离缝宽度及纵向分布有极大影响。     

基于弹条与T型螺栓受力安全的WJ-7型扣件安装扭矩最大限值分析

为了合理确定高速铁路无砟轨道WJ-7型扣件安装扭矩最大限值,建立高速车辆-轨道耦合动力学模型,计算分析钢轨垂向动位移变化特征,进而构建WJ-7型扣件系统有限元模型.以钢轨位移和扣件安装扭矩最大限值为输入荷载,分析扣件安装扭矩对弹条及T型螺栓应力状态的影响,提出扣件安装扭矩最大限值的取值建议.结果表明:WJ-7型扣件弹条...     

弹性支撑块式无砟轨道力学特性研究

研究目的:由于隧道内净空的限制,重载铁路长大隧道内宜铺设无砟轨道,弹性支撑块式无砟轨道(LVT)以其良好的减振性能逐渐在重载铁路中得到应用。为研究不同轴重和加载方式下LVT结构的应力应变特性,本文以蒙华铁路重载铁路隧道应用的LVT为例,通过建立LVT结构有限元模型,以探讨LVT结构的受力与变形特征,为LVT轨道结构的优化以及设计施工提供理论依据。研究结论:(1) LVT结构能够保证30 t轴重下静力学性能安全性,当轴重由30 t提高至42 t,钢轨弯矩、轨道结构部件应力及位移幅值增长量在40%左右;横向荷载对轨道结构横向位移及应力的影响显著,板端加载时道床板及底座板应力增量分别为284%、1 000%;(2)横向荷载作用下,除支承块横向应力下降,钢轨弯矩、支承块纵向应力、道床板应力、底座板应力均呈现增长趋势,其中道床板及底座板应力分别增长400%、530%;(3)板端加载时荷载由相邻扣件共同承担,扣件节点反力峰值有所下降,荷载作用点下竖向荷载分配比例由2∶1降低至4∶1,横向荷载分配比例由67%降低至47%;(4)本研究结果对重载铁路中LVT轨道结构的设计和施工有指导意义。     

客货共线单元板式无砟轨道荷载作用特性与疲劳寿命预测

部分线路采用客货共线运营模式,以降低铁路运输压力。国内一些客货共线铁路采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构,现场调研发现列车运营将导致轨道结构服役性能劣化、疲劳寿命降低。运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立含损伤车辆-板式轨道耦合动力学模型,研究客货共线铁路荷载作用特性,并进行现场测试以验证理论模型正确性;基于扣件扣压力理论计算结果,考虑板下砂浆破损,借助ANSYS WORKBENCH预测轨道板疲劳寿命。结果表明:货车作用时轮轨力理论值在110～135 kN,远大于客车的40～90 kN;砂浆损伤对货车荷载作用特性影响比对客车的小。对于扣件扣压力,客车作用时现场测得其最大值为30.3 kN,接近理论值30.8 kN;货车作用时实测值为50～60 kN,接近最大理论值56.0 kN。轨道板疲劳寿命在货车作用时较客车作用时缩短,在板端砂浆破坏时明显减少。     

温度力作用下单元板式无砟轨道钢轨横向变形研究

为了研究无砟轨道钢轨横向稳定性,以曲线上单元板式无砟轨道无缝线路为对象,建立包括钢轨、扣件、轨道板和限位部件的无砟轨道钢轨横向变形计算模型,结合不同轨道板长度分析钢轨在温度力作用下的横向变形特性,讨论不同、限位部件弹性和初始弯曲半波长对钢轨横向变形幅值和扣件横向抗力的影响。计算表明,巨大温度力可导致钢轨沿线路纵向产生以轨道板为波长的周期横向不平顺,在小半径曲线地段,应采用刚度较大且塑性变形小的弹性限位垫层材料,重视半波长过小的初始弯曲的治理,并加强对钢轨横向位移和板端扣件使用状态的监测。     

扣件失效对高速列车-无砟轨道-桥梁系统垂向振动响应的影响

采用动柔度思想,通过建立高速列车-无砟轨道-桥梁系统垂向耦合频域分析模型来求解在单个或连续多个扣件失效下无砟轨道-桥梁系统的动柔度幅值、相位和纵向衰减率,对比分析无扣件失效、单个扣件失效及连续扣件失效等工况对系统在较宽频范围内动力学响应的影响规律。研究结果表明:无砟轨道结构其支撑的连续性在扣件失效下遭到破坏,钢轨、轨道板、底座层和桥梁的动力学响应增量明显;随着扣件失效数目的增多,各结构的动柔度幅值增长明显,其最大主频前移;由于扣件失效造成钢轨纵向衰减率在较高频段时相对减弱,且相位角提前出现跃升现象;轮轨接触力最大幅值由于扣件失效而略微降低,在车体激励下的钢轨加速度整体向低频移动;计算结果显示,扣件连续失效对系统频域下振动响应影响明显,严重影响桥上无砟轨道几何形位,对行车安全形成一定隐患。     

CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆疲劳寿命分析

根据CRTSⅠ型板式无砟轨道的结构特征与受力特征,将钢轨假设为点支撑梁,扣件和基础的弹性假设为弹簧,轨道板、CA砂浆和底座板分别假设为实体,建立CRTSⅠ型板式无砟轨道的有限元模型,以Palmgren-Miner线性疲劳累计损伤准则为基础,采用全寿命分析方法对CA砂浆在不同列车荷载作用下的疲劳寿命进行分析,得到CA砂浆层的疲劳寿命分布和危险点的寿命值。     

客货共线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道疲劳寿命预测

针对客货共线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道的疲劳寿命问题,采用有限元软件,通过应力等效原理及列车运行速度确定了室内混凝土疲劳试验的加载值和加载频率;在各组合工况下对混凝土试件进行重复加载,分析了抗折强度和动弹性模量的关系,确定采用动弹性模量衰减幅值来评价混凝土疲劳寿命;将试验结果拟合为混凝土损伤曲线,并基于Palmgren-Miner疲劳累积伤损准则得到不同荷载作用下轨道板疲劳寿命预测值。结果表明:混凝土动弹性模量和抗折强度之间存在良好的相关性;荷载频率越低或应力水平越高,混凝土损伤发展速度越快;忽略其他荷载耦合作用时,客车荷载作用下轨道板的疲劳寿命约为货车荷载作用下的2倍,而客、货车荷载交替作用下无砟轨道的疲劳寿命则介于上述2种荷载作用之间。     

带减振扣件的整体道床轨道横向稳定性分析

为分析列车制动力和温度荷载对小半径曲线上带减振扣件整体道床轨道横向力学特性的影响,为小半径曲线上无砟轨道设计提供理论依据。参考贵阳地铁1号线带减振扣件的整体道床结构形式,简化钢轨-桥梁-墩台垂向耦合力学模型,应用有限单元法,计算分析不同列车制动力和温度力对小半径曲线桥梁轨道结构横向力学特性的影响。计算分析结果表明：从无砟轨道稳定性角度出发,对于在有小半径曲线桥梁上的带减振扣件的承轨台整体道床轨道,建议当圆曲线半径为450 m时,扣件横向刚度要大于5×107 N/m;当扣件横向刚度为5×107 N/m时,圆曲线半径要大于450 m;当扣件横向刚度为1×108 N/m时,圆曲线半径要大于350 m。当圆曲线半径为450 m时,为减小制动力对曲线钢轨的影响,建议尽量减小曲线长度,缩小钢轨横向位移值。     

CRTS-I型板式无砟轨道疲劳寿命研究

为研究无砟轨道在列车荷载和环境温度共同作用下的疲劳特性,以CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道为研究对象,建立弹性地基梁-体模型,计算出列车荷载和温度梯度作用下轨道结构的垂向最大应力,并结合普通混凝土结构S-N曲线的疲劳寿命分析方程和CA砂浆在不同温度时的疲劳方程,预测了CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层在规定服役年限内的疲劳寿命。计算表明,对于有限的作用次数,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层受到的最大应力均未超过相应的混凝土强度值。根据各结构层最大应力预测出的相应疲劳寿命表明,CA砂浆在25~30年后将出现疲劳损伤,而在规定年限60年内,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道其他结构层不会出现疲劳损伤,能达到客运专线服役期内的要求。     

地铁常用减振轨道钢轨横向振动特性测试分析

研究目的:地铁常用减振型轨道结构由于采用不同的轨道横向限位方式,改变了钢轨的横向振动特性。为研究不同减振措施对钢轨横向振动特性的影响,本文对国内某城市地铁2号线常用减振型轨道结构进行钢轨横向加速度导纳和横向振动沿纵向的衰减率的测试分析。研究结论:(1)在频率100 Hz以下,减振垫浮置板道床的非刚性横向支承使得钢轨横向加速度导纳幅值大于普通DZⅢ-1型扣件整体道床,而钢弹簧浮置板轨道钢轨横向加速度导纳幅值在50 Hz以下大于DZⅢ-1型扣件整体道床;(2) GJ-Ⅲ型减振扣件的采用使得钢轨有着相对较低的横向弯曲共振频率,钢弹簧浮置板道床和减振垫浮置板道床的水平限位方式减弱了浮置板与基底的横向耦合,改变了200 Hz以下钢轨横向振动沿纵向的衰减率;(3) GJ-Ⅲ型减振扣件使得钢轨横向衰减率在中心频率2 500 Hz以下均小于DZⅢ-1轨道,并维持在较小的范围内,不利于减小钢轨横向振动产生的声辐射;(4)本研究成果对目前常用减振型轨道结构中钢轨横向振动特性的研究具有参考价值。     

板底脱空对无砟轨道结构模态的影响

基于CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构参数,研究了不同脱空状态对无砟轨道模态的影响,并对轨道板自振应力进行了分析。结果表明:分析脱空对轨道结构模态的影响时,脱空厚度方向不宜处理为完全损坏,而应取一定的脱空厚度;板端脱空组合对轨道结构模态的影响最大,板中脱空影响最小;板中脱空时脱空形状对轨道结构的模态几乎没有影响;无脱空时轨道板自振应力在扣件处最大,不同脱空状态下轨道板自振应力在脱空区域与自密实混凝土接触边缘较大。研究成果可供无砟轨道脱空识别和结构优化设计参考。     

基于高速铁路路基冻胀的无砟轨道受力特征

研究目的:季冻区高速铁路路基冻胀变形较为普遍,局部冻胀变形会给无砟轨道受力带来较大影响,甚至有可能带来结构层开裂。为此,本文建立高速铁路无砟轨道-路基冻胀耦合计算模型,以路基冻胀变形曲线作为冻胀变形的输入条件,分析路基冻胀变形波长和幅值对不同类型无砟轨道结构受力的影响,同时对CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板凹槽限位优化为凸台限位方案以及下部设置沥青混凝土封闭层的影响进行分析。研究结论:(1)路基冻胀变形幅值越大,冻胀波长越小,无砟轨道结构层应力均越大;(2)双块式无砟轨道在路基冻胀下道床板和支承层应力较大,易产生开裂,不宜应用于季冻区;(3)底座板限位凹槽是CRTSⅢ型板式无砟轨道在基础冻胀变形下的受力薄弱环节,将其优化为凸台后,能够较大程度降低结构在基础变形下受力;(4)在CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板下设置沥青混凝土层时,轨道板及底座板应力均有降低趋势,沥青混凝土层弹模越低,应力降低幅度越大;(5)本研究结论可为基础冻胀变形控制标准的制定和季冻区高速铁路无砟轨道的选型提供参考。     

严寒地区高速铁路无砟轨道扣件系统选型研究

研究目的:扣件系统是无砟轨道的关键部件之一,为指导严寒地区高速铁路无砟轨道扣件系统选型,本文结合严寒地区高速铁路的工程特点,分析严寒地区无砟轨道对扣件系统的需求,并通过介绍国内外无砟轨道扣件系统的应用情况,从扣件系统的技术特点及严寒地区适应性等方面进行对比分析,从而提出扣件系统选型建议。研究结论:(1)严寒地区高速铁路无砟轨道扣件系统选型应从几何形位保持能力、纵向阻力、养护维修、弹性垫层刚度、绝缘性能、几何形位调整能力、极端温度适应性等方面综合考虑;(2)有螺栓式紧固的扣件系统调整能力强,且扣压力衰减后可恢复;(3)不分开式扣件系统的零部件较少,易于养护维修;(4)有挡肩扣件的承载能力较强,所有扣件系统均需研究复合材料部件的低温性能和弹条的低温疲劳性能;(5)本研究结论可为严寒地区高速铁路无砟轨道扣件系统的选型提供参考。