列车荷载作用下板式轨道与饱和地基动力分析

研究目的:近年来随着我国大量高速铁路的建成及投入运营,列车高速运行对周边环境振动的影响日益显著。且在沿海地区,高速铁路干线修建在饱和软土地基上,饱和软土地基具有剪切波速低、含水量高等特性,高速列车会在饱和软土地基上引起较大的振动响应。因此,本文采用板式轨道-饱和地基耦合振动模型研究了高速列车荷载作用下轨道和饱和土体的振动响应问题,为有效解决高速列车引起的环境振动问题、优化高速铁路路基设计提供理论指导。研究结论:数值分析结果表明,采用多孔饱和介质模拟饱和土地基能够更准确地分析高速列车引起的振动响应,增大轨道刚度可有效控制钢轨位移响应,且在路基设计过程中合理控制基床厚度可减小土体中液相介质的存在对土体动力响应的影响。     

重载铁路桥上无砟轨道扣件关键参数研究

研究目的:为研究重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道扣件系统关键设计参数取值,本文基于弹性地基梁理论和车辆-轨道耦合动力学理论,建立32.5 t轴重重载货车-长枕埋入式无砟轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道静、动力学性能的影响规律,提出重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道扣件系统设计参数取值。研究结论:(1)钢轨垂向位移和钢轨轨底应力随扣件系统刚度的增大而减小,车体垂向振动加速度、轮重减载率、轮轨力和桥梁垂向振动加速度随扣件系统刚度的增大而增大;(2)钢轨垂向位移、钢轨轨底应力、车体垂向振动加速度、轮重减载率和桥梁垂向振动加速度随扣件间距的增大而增大,但轮轨垂向力随之减小;(3)综合考虑轨道变形以及工程造价,建议重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道扣件系统的静刚度取为40～60 k N/mm,扣件系统的动刚度取为80～100 k N/mm,扣件间距取为0.6～0.65 m;(4)本研究成果可为重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道结构设计提供参考。     

城际铁路桥上纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数研究

为研究城际铁路纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数取值,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立客车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对桥上无砟轨道系统动力响应的影响规律,并基于层次分析法,对桥上无砟轨道系统动力特性进行综合评价。结果表明:随着扣件系统刚度增大,钢轨垂向位移减小,车体振动加速度、轮轨垂向力、轮重减载率和桥梁振动加速度均增大;随着扣件间距的增大,轮轨垂向力减小,车体振动加速度、轮重减载率、钢轨垂向位移和桥梁振动加速度均增大;综合考虑轨道变形以及工程造价,建议扣件系统刚度为50～80 kN/mm,扣件间距为0.6～0.7 m。     

扣件失效对城市轨道交通列车-浮置板式轨道系统竖向振动响应的影响

利用基于横向有限条与无砟轨道板段单元的车轨系统竖向振动分析方法,研究1对和多对扣件失效时城市轨道交通列车-浮置板式轨道系统的竖向振动响应。研究结果表明,当列车通过扣件失效的轨道时,轮轨相互作用增大,其中钢轨竖向位移及加速度增长最明显,且随着失效扣件数目增加,动力响应增长越明显;即使毗邻轨道的扣件工作状态良好,也受到失效扣件的影响,钢轨竖向位移及加速度增长显著;扣件失效会加速轨道结构破坏,甚至危及行车安全。     

钢轨重型化对轮轨系统动力响应及动力传递的影响

运用能量法建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合大秦线轨道结构力学参数,分别计算分析了45,50,60和75 kg/m共4种钢轨支承下轮轨系统各结构的动力响应,研究钢轨重型化对轮轨系统动力特性的影响。研究发现:钢轨重型化对车辆系统的动力响应影响较小,而对轨道结构和路基的影响显著;随着钢轨质量及抗弯刚度的增大,车体位移、车轮加速度、轮轨力、钢轨位移、扣件力、轨枕振动位移及枕下支承力降低,车体加速度、钢轨加速度先增大后减小,轨枕加速度增加。     

合成轨枕式无砟轨道结构垂向动力特性分析

通过合成轨枕式无砟轨道结构的半车—轨道垂向耦合动力学模型,研究了焊接不平顺激励下,扣件刚度、枕下支承刚度等对结构垂向动力特性的影响。分析表明:扣件刚度、阻尼及树脂砂浆弹性模量对行车安全性及平稳性影响不大。扣件刚度增加,对轨道系统的动力特性有一定影响,其中钢轨位移减少最为显著;扣件阻尼增加后,钢轨垂向振动加速度明显减小;树脂砂浆弹性模量增加,轨枕垂向振动加速度减小显著,钢轨垂向振动加速度增加。     

轨道刚度对车辆-轨道系统频率响应的影响

研究目的:目前,轨道刚度变化对车辆-轨道耦合系统频率响应的影响规律尚不明确,本文基于车辆-轨道耦合动力学理论,以既有提速线路为例,从频率角度,研究轨道刚度变化对车辆-轨道耦合系统振动响应的影响。研究结论:(1)轨道刚度的变化,对车体、转向架的振动影响较小,对轮对及轨道结构的振动影响较大;轨道刚度的增大,对27 Hz以下的低频振动基本无影响,27~70 Hz之间的中低频振动略有降低,100 Hz以上的中高频振动显著增大;(2)随扣件刚度的增大,轮轨力谱以及轮对、钢轨振动加速度谱的最大值均显著增大,且振动频率有向高频发展的趋势;(3)随道床刚度的增大,频率响应谱的最大值变化相对较小,轮轨力、轮对、钢轨和轨枕的振动频率向高频移动;(4)总体上看,扣件刚度对耦合系统振动响应的影响较大,在线路维修时应及时更换恶化的扣件系统,道床刚度变化的影响相对较小,其维修周期可适当延长;(5)该研究可指导轨道结构的优化设计以及轨道的养护维修。     

扣件胶垫温变特性对车辆-轨道-桥梁耦合振动响应的影响研究

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆-轨道-桥梁耦合振动时域模型中进行分析.研究结果表明:扣件的动刚度和阻尼随温度降低而增大,低温时更为显著.从时域响应来看,当温度降低时,车体加速度和桥梁位移基本无影响,轮轨力、扣件力、轨道板加速度和桥梁加速度增大,钢轨的位移和加速度则减小.从频域响应来看,当温度降低时,轮轨力和扣件力在低频基本无变化,轮轨力主频向高频偏移且峰值增大,扣件力中高频峰值明显增大.钢轨在8～100 Hz范围内振动减弱,在125～315 Hz振动加剧,轨道板在80～400 Hz振动加剧,桥梁在80～250 Hz振动加剧.     

扣件胶垫温变特性对车辆-轨道-桥梁耦合振动响应的影响研究

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆-轨道-桥梁耦合振动时域模型中进行分析.研究结果表明:扣件的动刚度和阻尼随温度降低而增大,低温时更为显著.从时域响应来看,当温度降低时,车体加速度和桥梁位移基本无影响,轮轨力、扣件力、轨道板加速度和桥梁加速度增大,钢轨的位移和加速度则减小.从频域响应来看,当温度降低时,轮轨力和扣件力在低频基本无变化,轮轨力主频向高频偏移且峰值增大,扣件力中高频峰值明显增大.钢轨在8～100 Hz范围内振动减弱,在125～315 Hz振动加剧,轨道板在80～400 Hz振动加剧,桥梁在80～250 Hz振动加剧.     

地铁波磨下胶垫频变对轮轨高频振动的影响

研究目的:为研究地铁钢轨波磨条件下扣件胶垫频变特性对轮轨系统振动响应的影响规律,本文首先测试并表征地铁扣件橡胶垫板的频变力学特性,然后建立地铁车辆-轨道垂向耦合动力学频域分析模型,并以某地铁实测钢轨波磨数据作为激励输入,计算和分析地铁扣件胶垫频变特性对轮轨系统高频动力响应的影响。研究结论:(1)在双对数坐标系下,扣件胶垫刚度(阻尼系数)随激振频率呈近似线性正相关(负相关);(2)考虑胶垫频变特性后,除钢轨振动加速度外,轮轨系统在波磨诱发频率范围内的动力响应均显著减小,但钢轨振动响应主频仍然在波磨诱发频带;(3)胶垫频变特性会增大轮轨系统在35～90 Hz以及700 Hz以上频段的振动响应,因此在预测地铁环境振动和高频轮轨噪声等问题时应考虑扣件胶垫频变特性;(4)本研究结论可为地铁钢轨波磨条件下轮轨系统的准确动力评估提供理论与试验依据。     

扣件系统频变和温变特性对钢轨振动特性的影响

为研究扣件系统刚度和阻尼的频变以及温变特性对钢轨振动特性的影响,针对钢轨-扣件系统,采用格林函数法推导钢轨任意位置的位移导纳,计算考虑扣件系统频变和温变特性后钢轨的点导纳和位移导纳,并与不考虑扣件系统的频变和温变特性情况进行对比。研究结果表明:在一定频率范围内,激振频率的增大会提升扣件系统的刚度,降低系统阻尼,进而增大钢轨的共振频率,并加剧钢轨大于钢轨共振频率的高频振动响应,不利于高频振动的纵向衰减,但对钢轨的pinned-pinned振动无影响;在一定温度范围内,温度的降低会提升扣件系统刚度和阻尼,有助于减弱钢轨小于共振频率的低频振动响应,却会加剧钢轨的高频振动,进而加剧钢轨振动辐射噪声。     

不同减振垫刚度下板式轨道减振特性研究

板式减振垫轨道能降低列车运营对周围环境的影响,确保城市轨道交通引起的振动满足环保要求,在高等减振设计中普遍采用。基于轮轨耦合作用,建立城轨列车-板式减振垫轨道-下部基础有限元模型,对不同减振垫刚度下板式轨道结构进行模态、谐振分析,并对其减振性能进行研究。研究表明:(1)减振垫轨道结构的固有频率随着减振垫刚度的增大而增大,振型包括轨道板的平动、转动、弯曲和钢轨的侧翻、扭转;(2)钢轨至轨道板的传递损失集中在15~30 d B,而轨道板至基底的传递损失峰值达51 d B;(3)车体加速度、轮轨垂向力、钢轨加速度、基底垂向加速度随着减振垫刚度的增大呈增大趋势,而钢轨位移、轨道板加速度和位移呈减小趋势;(4)板式减振垫轨道在25~100 Hz频段的减振效果较好,特别是1/3倍频程中心频率63 Hz处,插入损失达24 d B;在1~25 Hz频段的减振效果一般,而且局部频段出现振动放大的情况。     

双块式无砟轨道的共振性能分析

为了避免双块式无砟轨道在列车荷载作用下产生共振,使得钢轨位移过大而影响列车平稳性,运用谐响应有限元法和轨道动力学理论建立双块式无砟轨道计算模型,考虑了列车荷载、扣件刚度、阻尼影响因素,对模型进行共振频率与钢轨位移计算.结果表明:扣件刚度影响无砟轨道共振频率及钢轨位移,而阻尼及列车荷载影响钢轨位移.     

线路不平顺对桥上CRTSⅡ型板轨道振动的影响

研究目的:轨道不平顺引起的列车振动和轮轨相互作用力随着列车速度的提高成倍增大。对车辆-轨道-桥梁耦合振动而言,桥梁变形和轨道不平顺相互叠加形成轨面位移,因而轨道不平顺对系统动力响应的影响更加显著。本文针对轨道不平顺对客运专线高架轨道结构振动特性的影响进行研究,分析三种实测中长波轨道不平顺状态,即路基有砟轨道不平顺、桥上有砟轨道不平顺以及隧道无砟轨道不平顺对高架轨道结构振动响应产生的影响。研究结论:(1)在相同运营条件、相同养护条件下,不同轨道结构的不平顺状态对轮轨冲击作用力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度的影响不同,但对桥梁振动加速度的影响较小;(2)在客运专线轨道中长波不平顺激励下,钢轨振动频率主要分布在20～250 Hz范围内,轨道板、桥面板垂向振动频率分布在20～150 Hz范围内,轨面不平顺度的波长成分是影响轨道结构振动频率分布特性的一个主要因素;轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度受随机不平顺的短波长成分的影响显著;(3)除了轨道结构类型的影响,轨道不平顺功率谱大小与波长特性对轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度也产生了显著的影响,建议在进行轨道不平顺控制时将轨道不平顺谱纳入高速铁路客运专线轨道质量的评价指标当中;(4)本研究成果对加深认识我国高速铁路轨道不平顺对高架轨道结构振动特性的影响具有一定的理论意义和实用价值。     

兰新高铁穿越长城段减振型无砟轨道减振垫合理刚度研究

减振型轨道结构是控制文物振动的有效措施之一,然而,高速铁路中减振型轨道结构尚无成熟应用经验。结合兰新高铁穿越长城段项目建设功能需求,在明确长城体水平振动速度、钢轨垂向振动加速度及钢轨垂向位移等评价指标及限值基础上,采用仿真分析法开展了减振型无砟轨道减振垫刚度变化对各评价指标影响分析,分析表明:(1)长城体水平振动速度随着减振垫刚度增加而增大;(2)钢轨垂向加速度随着减振垫刚度增加而变化不大;(3)钢轨位移随着减振垫刚度增加而减小;(4)列车运营、轨道结构服役性能及长城体保护需求的减振垫刚度应介于40~166.7 MPa/m。兰新高铁工程实施采用46 MPa/m刚度减振垫,实车测试及工程应用表明:研究成果工程应用同时满足了高铁安全、平顺、舒适性和长城体高减振性能需求。     

弹性长枕无砟轨道垂向动力学计算分析

建立弹性长枕无砟轨道的梁—梁—板模型,计算垂向位移、加速度与行车速度的关系,扣件瞬时上拔力与行车速度的关系,垂向位移、加速度与扣件、枕套和路基刚度的关系,垂向位移、加速度与长枕、道床板质量的关系等;分析无砟轨道弹性长枕在不同扣件、枕套、地基刚度和不同弹性长枕、道床板质量下的动力响应;找出扣件、枕套、地基刚度及弹性长枕、道床板质量与垂向速度、加速度、轨枕侧滚等的关系。在弹性长枕、道床板质量和扣件、枕套、地基刚度不变情况下,计算列车不同速度下各垂向动力响应,找出列车速度与垂向位移、加速度的关系。     

重型钢轨质量调谐系统振动特性研究

为了探明新型重型钢轨质量调谐系统(HTMD)的振动特性,为既有轨道减振改造提供参考,利用ANSYS软件建立HTMD轨道三维有限元模型,分析HTMD轨道的振动响应和减振特性。研究结果表明,HTMD轨道的低阶模态分布比较密集,随着扣件刚度增大,轨道结构固有频率增大;当扣件刚度为6 k N/mm时,HTMD轨道固有频率为18.821 Hz;HTMD轨道在10~100 Hz频段,钢轨垂向加速度Z振级有20 d B左右的减小,比普通轨道有很大程度的降低,道床振动有15 d B左右的降低,与普通浮置板轨道结构相当。     

轨道交通列车过岔振动特性研究

建立了列车过岔有限元模型,利用轨道振动微分方程原理,定性研究城市轨道交通中不同轨下刚度和列车速度在道岔辙叉区对轨道振动特性的影响.分析了心轨尖端、心轨跟端及辙叉区共用垫板中心等特殊部位处的轨道振动特性.结果表明:列车速度的变化对钢轨最大竖向加速度和岔枕最大竖向加速度的影响较大;而辙叉区轨下刚度的变化对钢轨最大竖向位移、岔枕最大竖向位移及岔枕最大竖向加速度有较大的影响.     

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。     

轨道交通橡胶浮置板式轨道结构动力设计参数研究

利用车辆多刚体动力学与浮置板轨道段组合单元的车轨系统竖向振动分析模型,研究车辆移动荷载作用下浮置板厚度、轨下扣件刚度、橡胶支座刚度对轨道结构竖向振动的影响.在此基础上,提出浮置板厚度、轨下扣件刚度、橡胶支座刚度的合理取值范围.研究结果表明:随着浮置板的厚度增加,浮置板的位移和加速度呈下降趋势,橡胶支座反力则增大,但对钢轨的影响不大,浮置板厚度应取为0.3～0.5 m较合适;轨下扣件刚度对钢轨和轮轨竖向作用力影响较大,对浮置板影响很小,轨下扣件刚度应取较小值,以40 MN/m为宜;橡胶支座刚度对浮置板和钢轨的动力学响应及橡胶支座反力和轮轨竖向作用力都有很大影响,橡胶支座刚度应优选20 MN/m左右较合理.