高速铁路过渡段动态响应试验与仿真对比分析

研究目的:目前,国内外在高速车辆-轨道-路基耦合动力学理论及应用方面的研究大多侧重于轮轨关系。同时,各国铁路部门对路桥(涵)等过渡段型式进行了施工工艺、行车效果的现场实测和研究,取得了许多重要的研究成果。然而,对于无砟轨道各种过渡段路基的动态响应,目前的研究还很少。本文结合武广客运专线过渡段试验工点现场实测数据,考虑车辆、轨道和路基结构的特点和主要影响因素,建立一个可靠的车辆-轨道-路基空间耦合模型,以便进行高速铁路过渡没动态响应研究。研究结论:(1)有限元模型仿真计算结果与试验实测数据对比分析得到桥路过渡段结构的动态响应曲线变化趋势一致性很好;(2)高速铁路过渡段长度设置宜控制在40 m左右,可有效减小甚至消除过渡段结构层的动态响应,可以保证列车高速行车的安全性和舒适性;(3)桥路过渡段不同结构层的动应力、振动加速度、动位移等动态响应特征明显不同,主要表现为峰值大小、峰值出现位置有所差异,设置过渡段区段后,列车行驶引起的动态响应会明显减小到普通路基动态响应值;(4)过渡段结构层的动态响应受行车速度、列车轴重大小等因素影响,通常随行车速度、轴重的增大而呈现出增大趋势,其中受列车轴重影响显著;(5)本文研究结论可对高速铁路过渡段设计建设提供参考。     

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。     

遂渝铁路无砟轨道涵洞附近CA砂浆层动应力测试分析

研究目的:进一步深入研究无砟轨道的运营安全性, 为研究无砟轨道路涵过渡段的动力学特性积累数据资料,铁道部集中组织了遂渝铁路无砟轨道综合实车试验.研究结论:相对重载货物列车而言,动车组具有轴重轻、车辆减振性能好等特点,CA砂浆层承受的动应力较小,对线路的动力作用较不显著.相对行车速度而言,车辆轴重对CA砂浆层动应力的影响较为显著.车辆的轴重和行车速度对过渡段范围动应力沿线路纵向分布规律的影响不大.     

遂渝铁路路涵过渡段动应力测试分析

通过测试试验列车以不同速度通过路涵过渡段时的路基面动应力,分析研究行车速度、行驶方向等各种因素对路涵过渡段路基面动应力幅值变化的影响以及动应力沿线路纵向的分布规律。结果表明,列车行驶速度对路基动应力值影响很大,采用正梯形的过渡段结构型式,以及过渡段长度的设置基本能满足时速200 km客货共线铁路的技术要求。     

23 t轴重货车条件下铁路路桥过渡段动力性能分析

对锦赤(锦州—赤峰)铁路朝阳北至锦州段铁路路桥过渡段进行23 t轴重货车条件下实车运行测试,分析货物试验列车以不同速度通过时路桥过渡段的受力、变形以及振动特性,评价23 t轴重货车条件下铁路路桥过渡段动力性能的工程适应性和设计合理性,为其养护维修提供基础数据。测试结果表明:该路桥过渡段的各项动力性能参数均满足相关规范的限值要求,其动力性能满足货物列车以80 km/h运行时的安全性要求。     

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。     

遂渝铁路刚性路基动应力测试分析

通过对遂渝铁路刚性路基进行动应力现场测试,分析研究刚性路基沿路桥过渡段线路纵向的动应力分布规律、列车速度和动应力的关系以及列车驶向对动应力的影响;并且将测试数据与一般路基过渡段进行对比分析。分析表明:桥隧间刚性短路基较好地解决了路桥间长期存在的巨大刚度差问题,表现为桥台及其附近位置的路基面动应力值相对较小并变化平稳。     

朔黄铁路重载扩能的路基强度评估

采用轻型动力触探N10试验、地基系数K30试验和弹性波探测等对朔黄重载铁路两个过渡段路基进行加固前后路基状态的检测,结合轴重分别为25t、27t、30t,行车速度分别为80km/h、100km/h共6种不同扩能方案,进行路基动力响应的有限元模拟和拟静力分析,对朔黄铁路重载扩能的路基强度条件进行评估。结果表明,加固前过渡段路基强度和承载力较低,不满足朔黄铁路进一步重载扩能的要求。采用斜向高压旋喷桩加固强化后,路基强度明显提高,加固后的朔黄铁路路基强度能够满足轴重27t、速度100km/h的行车要求,但尚不具备开行30t轴重重载列车的条件。     

轨道不平顺引起路基翻浆冒泥机理研究

在朔黄线翻浆冒泥较严重的区段进行了现场试验,对比了钢轨轨缝处和钢轨平顺段的动应力幅值大小,列车的轴重、运行速度对路基竖向动应力的影响。试验表明:正对钢轨接缝处路基的竖向动应力约为平顺段的1.6倍,此时传给路基的荷载不能简单地认为是循环荷载而是冲击荷载,路基土在降雨和过大动应力下迁移到线路表面进而表现为翻浆冒泥;竖向动应力随轴重的增加呈非线性增长,随着速度的增长以波浪形式增长。     

基于强度折减法的重载铁路路基边坡稳定性三维模型分析

既有线开行大轴重列车是发展重载铁路的重要途径,但提高轴重会影响路基边坡的稳定性。将强度折减法应用于重载铁路路基边坡稳定性的三维分析,并与传统极限平衡法和二维强度折减法计算结果进行了对比,表明基于强度折减法的重载铁路路基边坡稳定性三维有限元分析是可行的。采用三维强度折减法分析了列车轴重对路基边坡稳定性的影响,结果表明在既有线上开行大轴重列车将降低路基边坡的稳定性,应事先对薄弱路段进行加固,以保证行车安全。     

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。     

轴重40 t重载铁路路基基床结构设计技术探讨

针对大轴重货运车辆轴距小的技术特点,分析重载铁路路基承受列车荷载的空间分布规律;基于列车荷载引起路基累积变形效应区沿深度的变化机制,讨论主要承受列车荷载的基床结构与路基填料之间的相互影响关系;根据工程设计的强度、变形、长期稳定性控制要求,探讨40 t超大轴重下基床结构的设计方法。研究表明:提出的“4Z1800/2400”四轴标准轴型荷载模式能较好反映超大轴重列车荷载的路基应力叠加效应;建立的路基累积变形效应不超过基床厚度的设计方法,综合考虑了荷载与填料多因素的影响,是对单因素应力比值法的完善。以累积变形处于缓慢收敛状态的长期稳定性为主控因素,提出轴重40 t重载铁路路基基床层状结构设计指标建议:基床厚度3.5 m,对应基床以下路基K30不低于110 MPa/m;基床表层采用级配碎石强化,厚度0.7 m,要求基床底层K30大于等于130 MPa/m。     

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。     

高低不平顺条件下高速铁路桥-隧过渡段路基的动力特性

基于D'Alembert原理的能量弱变分和整体Lagrange格式,建立了无碴轨道桥-隧过渡段半无限三维空间动力有限元计算模型,结合高速车辆振动的几何不平顺条件,采用一与不平顺管理标准相应的激振力来模拟列车高速移动的竖向动荷载.通过数值分析,研究了高速移动荷载和不平顺条件下桥-隧过渡段路基的动态响应,揭示了几何竖向上"凸"或下"凹"不平顺等因素对其路基变形、动应力及加速度的影响规律,并与部分实测资料进行了对比,证实了计算模型的正确性.合理选择"超高"填筑过渡段,能减小过渡段路基动态响应,其研究结果为高速铁路过渡段的设计与施工提供了重要基础.     

青藏铁路多年冻土区路基结构的动力分析

研究目的:本文对青藏铁路冻土路基在列车荷载下的结构动力进行了分析研究,为多年冻土区路基工程设计和铁路运营安全分析提供了依据。研究方法:以青藏铁路清水河多年冻土区试验段路基结构为工程背景,利用列车——轨道二维动力模型得到的道床底部列车荷载激励曲线,对冻土路基结构进行有限元时程反应分析,探讨冻融状态下路基的列车振动荷载效应。研究结论:无论是暖季融化还是寒季冻结状态,列车振动荷载产生的土体压应力都大大高于静荷载,车速对土体动应力反应有明显影响;冻结状态下,路基中下部土体的动力反应较大,而暖季融化时路基顶部土体对动应力有较显著的放大作用,因此,在工程设计和运营养护时应有针对性地对结构进行加强。     

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。     

高速铁路桥路过渡段动应力测试与分析

研究目的:高速列车的平稳、安全运营,需要路基结构物提供沉降小、刚度大、动力特性稳定的轨下支撑系统。在武广高速铁路设计中,为实现桥梁与路基的刚度和沉降平顺过渡,设置了桥路过渡段。在过渡段中预埋设动测元件,研究CRH2动车组高速通过过渡段的动应力的空间分布特性。研究结论:桥路过渡段路基基床表层动应力的最大值位于过渡段正梯形底部折角处,均值约12.73 kPa;桥路过渡段路基基床表层采用级配碎石加强后,动应力在垂向衰减较快,至基床底层底面时,衰减率达90%;列车速度由200 km/h增加到250 km/h时,路基基床表面动应力增加约20%;车速由250 km/h增加到350 km/h时,过渡段路基基床表面的动应力增加约10%。     

重载货车轴重与速度匹配关系研究

基于重载货车轨道耦合动力学模型,采用机车车辆与线路最佳匹配设计方法,进行货车轴重与速度的匹配研究.结果表明:25,27,30和40t轴重重载货车容许通过轨道低接头的速度应分别小于110,100,90和60km·h-1;40t轴重重载货车以60km·h-1速度在直线线路上运行时,其轮轨垂向力为249.6kN,非常接近英国铁路250kN轮轨垂向力的限值;在我国现有以60kg·m-1轨为主的干线铁路上开行30和40t轴重重载货车,对轨道结构的破坏比现有低轴重货车严重得多,但开行27t轴重重载货车是可行的;40t轴重重载货车在600m半径的曲线轨道上以40～120km·h-1速度运行时,轮轨垂向力最大值超过了英国铁路的250kN轮轨垂向力限值,轮轨横向力最大值非常接近我国《铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》所规定的77.80kN容许限值,另外轮轨磨耗功非常大,因此40t轴重重载货车还不能直接应用于我国现有60kg·m-1钢轨的轨道.     

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。     

重载铁路跨度12m钢筋混凝土简支T梁静动力适应性分析与试验研究

我国快速发展的经济对铁路运输能力的要求不断提高,既有铁路重载扩能运输改造进程不断推进,随之提高的列车轴重必然会降低既有铁路桥梁的活载储备量,从而导致T梁的整体刚度和耐久性下降。通过对不同跨径桥梁活载储备量的计算分析,进而选取跨度12 m混凝土T梁作为研究对象进行静力适应性分析,对梁体跨中截面主筋应力、梁体跨中截面上翼缘混凝土压应力及梁体跨中底板裂缝宽度进行检算;并且建立动力有限元模型,分析不同列车荷载作用对跨中横向加速度及横向振幅的影响规律,并与试验实测结果进行对比分析。研究结果表明:在270 k N和300 k N轴重重载列车作用下,梁体受拉钢筋最底部主筋应力均超过容许值;结构动力响应随着车辆轴重增大而增大; 12 m跨低高度简支钢筋混凝土梁横向动力适应性优于普通高度简支梁,两者均满足开行大轴重重载货车要求。