温差和列车荷载作用下中低速磁浮轨道结构变形分析

中低速磁浮轨道F型导轨的变形直接影响列车运行安全性与舒适性,是磁浮交通线下结构设计需要研究的问题。结合国内某中低速磁浮试验线工程,建立了包括轨排、高架梁及其联结件的磁浮轨道结构有限元模型,计算分析温差和列车荷载作用下导轨竖向与纵向位移响应。结果表明:在温差荷载作用下导轨竖向变形呈上拱抛物线形,最大上挠量为5.1 mm,跨中和梁端轨缝伸缩量为-4.7~0.3 mm;在温差和列车荷载共同作用下导轨上拱明显减小,某些工况下导轨近似回落至水平状或呈下挠变形,最大下挠量为2.51 mm,跨中和梁端轨缝伸缩量在-4.6~3.8 mm。     

中低速磁浮轨排结构动力性能试验研究

测试了中低速磁浮轨排系统在列车通过时的动力响应,获得了轨排结构在动力荷载作用下的自振频率、动应力、位移动力系数以及螺栓力。结果表明：轨排结构的竖向振动一阶频率和二阶频率分别为9.088 Hz和17.614 Hz,横向振动的一阶频率和二阶频率分别为6.426 Hz和17.614 Hz;轨排结构的横向振动与竖向振动相耦联,但并非是扭转振动所致;导轨和轨枕的应力变化与车速关系不明显;在所测车速范围内,位移动力系数随着车速的增加呈增大趋势。     

中低速磁浮交通轨排连接性能对轨道动力响应的影响

中低速磁浮交通轨道结构振动直接影响着行车安全。以中低速磁浮轨排-桥梁结构为研究对象,通过锤击模态试验、有限元理论模拟等方法分析螺栓连接性能对轨道动力响应的影响。研究表明:锚固螺栓在正常工况下,F轨的竖向自振频率集中在60~100 Hz,谐响应频率在80 Hz以上;锚固螺栓的松动导致F轨自振频率大幅降低,谐响应频率明显降低;在列车荷载作用下轨排振动大幅提高。锚固螺栓松动改变了轨排的振动传递性,直接影响悬浮控制系统的调节过程,容易引发异常共振。     

高温环境下列车荷载对宽窄接缝损伤行为的影响

针对高温环境下 CRTS II 型板式轨道易受列车荷载作用产生宽窄接缝伤损的问题展开研究，建立有限元模型，分析了轮载作用位置、轴重大小以及制动力等列车荷载作用特征与高温环境耦合作用下宽窄接缝损伤行为及发展规律。研究表明：列车荷载与温度耦合作用下宽窄接缝伤损主要发生在宽接缝下部；轴重作用位置会影响宽窄接缝最先出现损伤的位置及发展趋势；轴重会加剧宽窄接缝的损伤程度，当轴重超过 5t 时，会使宽窄接缝损伤急剧增大；制动力对宽窄接缝影响与作用位置有关，且当制动力作用于宽窄接缝正上方时对宽窄接缝损伤影响最大。列车荷载对宽窄接缝影响主要体现在改变伤损位置、形态及发展趋势上，且对伤损发展有一定的加剧作用。     

高温环境下列车荷载对宽窄接缝损伤行为的影响

针对高温环境下 CRTS II 型板式轨道易受列车荷载作用产生宽窄接缝伤损的问题展开研究，建立有限元模型，分析了轮载作用位置、轴重大小以及制动力等列车荷载作用特征与高温环境耦合作用下宽窄接缝损伤行为及发展规律。研究表明：列车荷载与温度耦合作用下宽窄接缝伤损主要发生在宽接缝下部；轴重作用位置会影响宽窄接缝最先出现损伤的位置及发展趋势；轴重会加剧宽窄接缝的损伤程度，当轴重超过 5t 时，会使宽窄接缝损伤急剧增大；制动力对宽窄接缝影响与作用位置有关，且当制动力作用于宽窄接缝正上方时对宽窄接缝损伤影响最大。列车荷载对宽窄接缝影响主要体现在改变伤损位置、形态及发展趋势上，且对伤损发展有一定的加剧作用。     

桥上CRTS Ⅱ型底座板疲劳时变可靠性研究

主要研究桥上CRTS Ⅱ型底座板在列车荷载、温度荷载、桥梁变形共同作用下的疲劳时变可靠性。为探讨列车荷载、温度梯度、桥梁变形的作用效应，依据CRTS Ⅱ型底座板混凝土、钢筋的疲劳性能，建立列车荷载、温度荷载、桥梁变形共同作用下的CRTS Ⅱ型底座板混凝土弯压和钢筋弯拉时的疲劳时变极限状态函数，分析混凝土疲劳强度、温度梯度、混凝土疲劳弹性模量、桥梁变形曲率、模型不确定系数、列车荷载产生弯矩的统计特征，采用PHI2方法开展底座板疲劳时变可靠性分析，并与传统时点可靠度方法的分析结果做对比，探讨底座板疲劳时变可靠指标对列车荷载、温度梯度、桥梁变形曲率的敏感性。研究结果表明：在底座板服役期内，底座板轨下截面处的混凝土弯压和钢筋弯拉的疲劳时变可靠指标均满足规范要求；传统时点可靠度方法求得的可靠指标偏大，给CRTS Ⅱ型轨道结构营运带来安全隐患；桥梁变形曲率的变化对疲劳可靠指标的影响最大，列车荷载的影响相对较小，温度梯度对可靠指标几乎无影响；荷载参数的均值大于变异系数对可靠指标的影响。研究成果可辅助确定CRTS Ⅱ型底座板养护维修的时间和方式，为高速铁路结构的运维提供理论参考。     

高速铁路隧道气动效应现场测试分析

通过现场测试高速铁路列车引起的隧道气动效应，分析列车速度、列车编组、隧道长度等因素对气动荷载、振动加速度和微气压波的影响。结果表明：列车通过隧道时，隧道壁面及附属设施表面气动荷载峰值与列车速度近似呈2次方关系；8编组列车通过较短隧道时气动荷载峰值大于通过较长隧道时，16编组列车则相反；控制箱左右两侧气动荷载峰值相差较小，顶底部气动荷载峰值相差明显；在隧道防护门中部气动荷载峰值大于上部和下部，上部和下部气动荷载峰值接近；隧道壁面无显著振动，隧道附属设施表面振动明显；在距隧道入口200 m处压力梯度峰值与列车速度呈3次方关系，列车运行速度超过一定值后，出口附近压力梯度峰值高于入口附近；隧道出口20 m处微气压波峰值与列车速度近似呈6次方关系。     

高速列车对道碴的动力响应

利用车轮－－轨排－－道碴赤一体的有限元动力模型轨枕作用在道床顶面的荷载谱，进而将该载谱作为道床动力分析的输入，假设道床为尖变问题，分析高速列车以示同道碴厚度的动力响应。计算结果表明，增加道碴厚度能有效地减少小道碴的沉降、速度和加速度、使道床更稳定     

不同轨道状态对轮轨附加动荷载影响

根据随机振动基本理论，建立了轮轨相互作用模型，分析列车速度提高后，轨道不平顺谱、轨道刚度等参数对轮轨附加动荷载的影响，本文主要对不同轨道状态下的轮轨附加动荷载进行了研究，研究结果认为，采用合理的轨道结构，减小轨道的不平顺，可以明显降低轮轨附加动荷载，是减少由于列车速度提高后轮轨动力作用的有效措施。     

风荷载作用下大跨度桥梁的动力响应及行车安全性分析

根据桥梁结构动力学、车辆动力学、轮轨相互作用以及结构风振的基本原理，研究风、列车、桥梁构成的动力相互作用系统的振动机理。结合实桥的动力研究，建立风荷载作用下的列车和大跨度桥梁系统动力相互作用分析模型，研究桥梁在脉动风荷载和列车荷载同时作用下的振动特性，以及桥上列车受风荷载作用下运行的安全性和平稳性，从而得出风速、车速、桥型等多种因素对风-车-桥动力系统振动特性等影响的研究结论。主要研究内容如下。     

基于高速列车振动荷载的桩-土-结构相互作用分析

通过总结高速列车振动荷载相关研究,给出高速列车振动荷载简化表达式。将端承桩看作连续分布水平弹簧-阻尼单元的动力Winkler地基梁模型,建立不考虑轴向力影响的动力平衡微分方程,利用Laplace变换求得动力荷载作用下的水平动力阻抗,通过群桩模型计算结果验证其频率相关性,随着荷载频率变化,水平动力阻抗出现大幅度振荡。建立86 m×142m×86 m 3跨高速铁路刚构桥有限元模型,分析高速列车通过时考虑与不考虑桩土相互作用的桥梁动力响应。对比计算结果,考虑桩-土相互作用的影响,结构将产生更大的位移响应,而上部结构节点力却相应减小;随着列车运行速度变化,桩土相互作用强度也同时发生改变;土层材料参数的变化也将影响桩-土相互作用强度,而且浅层土的影响大于深层土。     

不同类型列车撞击盾构隧道动力响应研究

研究目的:盾构隧道为装配式管片衬砌结构,其整体稳定性相对较差,防撞能力较弱,一旦列车撞击事故发生在隧道内,列车的撞击荷载极有可能导致隧道破坏和失稳。本文基于H. H. T时间积分法,通过构建列车-刚性墙动力耦合模型,获取不同类型列车在相应速度区间内的撞击荷载时程曲线,研究不同类型列车撞击的荷载特性,并将所得撞击荷载施加在盾构隧道上,以揭示在不同类型列车撞击作用下盾构隧道管片衬砌破坏特性及其差异性。研究结论:(1)列车运行速度对于撞击荷载时程曲线变化趋势影响不大,但对于撞击荷载大小和撞击持续时间影响显著;(2)各类型列车的撞击荷载均经过撞击瞬间迅速增大、撞击中期持续震荡、末期逐渐减弱三个阶段,但不同类型列车的撞击荷载在撞击中期持续震荡时间不完全一致;(3)列车撞击作用下管片损伤区域分布范围呈现纵向大于环向的特点,不同类型列车撞击所致管片损伤的差异性主要体现在压缩损伤面积上;(4)在不同类型列车撞击荷载作用下管片结构将产生不同程度的张开和错动,并且管片接缝部位最大张开量和最大错动量均已超过工程容许限值;(5)本研究成果可为盾构隧道防撞优化设计和撞后隧道结构安全性评估提供参考。     

地铁列车振动荷载对下叠并行新建城际铁路盾构隧道的动力响应分析

以新建佛莞城际铁路盾构隧道与广州地铁3号线明挖段矩形隧道交叠并行工程为依托,研究地铁列车通过明挖隧道时产生的振动荷载对下部新建盾构隧道衬砌结构的动力响应,并对不同列车振动荷载下新建盾构隧道衬砌结构的动应力进行了分析.使用激振力函数法模拟地铁列车振动荷载,选取下部新建盾构隧道典型监测断面的监测点来研究在地铁列车振动荷载作用下衬砌结构的振动加速度、应力和竖向位移响应特性.结果 表明:轨道结构质量越差,列车运行速度越快,车体质量越大,列车振动荷载的幅值也相应增大;在地铁列车振动荷载作用下新建盾构隧道衬砌结构存在着明显的动力影响区;新建盾构隧道衬砌管片竖向位移曲线呈"W"形,且拱顶处的竖向位移幅值最大;随着地铁列车运行速度加快,新建盾构隧道的竖向沉降亦随之增大,地铁列车运行速度每增加30 km/h,隧道衬砌结构的竖向沉降平均增加2.66％.     

3万吨重载列车作用下小半径曲线段轨道结构横向稳定性分析

建立了朔黄铁路3万吨C80重载列车纵向动力学模型、机车和车辆动力学模型及轨道结构有限元模型，分析了重载列车通过小半径曲线段时最大车钩力分布、车辆运行安全性以及轨道结构横向稳定性。结果表明：3万吨重载列车最大压钩力一般大于拉钩力，压钩力最大值主要出现于第二个万吨编组的前部和第三个万吨编组的中部；3万吨重载列车作用下压钩力、拉钩力、轮轴横向力、轨排横向位移的最大值分别为1 205.00、1 062.10、83.88 kN和1.22 mm，均小于安全限值，满足列车运行安全和轨道结构横向稳定性要求；通信故障情况下脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轨排横向位移均大于正常通信情况下，且其最大值均出现于半径400 m曲线段。     

30t轴重荷载作用下桥上曲线动力响应影响范围

研究目的:结合我国近年来重载铁路设计情况,针对大轴重条件下桥上曲线设置实际,通过建立钢轨、轨枕、道床及桥梁多层体系有限元模型,理论上探讨800 m半径曲线地段30 t轴重列车荷载作用下线路结构动力性能,分析列车荷载作用下线桥动力响应影响范围问题,以供我国重载铁路线路设计参考。研究结论:(1)800 m半径曲线地段30 t轴重列车荷载作用下桥上曲线线路结构动力性能指标满足规范标准要求,桥梁及线路设计方案合理;(2)重载列车行经桥上曲线地段时,离心力及轴重作用引起的线路结构动力响应影响到列车运行位置相邻桥梁一跨范围(32 m);(3)列车编组大于4节后,编组数增加仅影响线路结构动力响应持续时间,不会对动力响应峰值产生影响;(4)本研究成果对重载铁路桥上曲线设计具有参考意义。     

列车振动荷载作用下高速铁路近距地铁平行隧道的动力响应特性分析

为研究高铁列车和地铁列车同向以不同速度行驶时的振动对高铁隧道衬砌结构的影响,采用模拟的列车振动荷载,在铁轨上施加对轮轴的模拟振动荷载并考虑列车速度来研究同向列车振动荷载下高铁隧道衬砌的动力响应特性。结果表明:在同向行驶的列车振动荷载作用下,对于隧道特定监测点而言,存在一个列车行驶振动响应的影响区,列车行驶至该监测点时,其振动响应最大;高铁隧道中部横断面衬砌振动响应从上到下逐渐增大,拱脚、拱底竖向应力幅值分别为拱腰的1.63、2.26倍,加速度最大幅值分别为拱腰的1.21、1.29倍。     

列车交叠动荷载对邻近基坑结构动力响应分析

运用Abaqus有限元软件,开展了在地铁列车交叠动荷载作用下基坑结构的动力响应研究。通过考虑7种不同工况,分析了基坑开挖过程中,地铁列车交叠动荷载存在对基坑结构内力与变形的影响规律。分析结果表明,地铁列车交叠动载对表层土体沉降有较大影响,且这种影响随着列车时速的增大而不断增大。地铁列车交叠动载对围护结构变形和弯矩有一定影响,但列车静载部分起控制作用。地铁列车交叠动载对支撑轴力影响不大。列车交叠动荷载的作用规律与单层列车动荷载作用规律有一定差异,在列车交叠动荷载的作用过程中,上层列车荷载起主要控制作用。     

我国高速铁路声屏障气动效应研究与探索

针对高速铁路声屏障的安全可靠性，从气动效应角度阐述其研究现状、研究成果及存在的挑战，并基于我国高速铁路声屏障应用场景，探讨列车脉动力的主要影响因素和声屏障结构的振动特性，结合技术标准中与气动效应相关的要求和规定，提出完善标准体系的相关建议，并对未来的重点研究方向进行展望。结果表明：列车脉动力受列车运行速度、列车车型及声屏障设置位置等因素的共同影响，列车脉动力与运行速度的平方基本服从线性关系；声屏障气动效应还与车头流线型、车体截面形状等列车气动性能参数相关，相同速度条件下不同车型的脉动力差异可达45%；在列车脉动力作用下，声屏障钢立柱以横向振动为主，呈现典型受弯构件的特征，而单元板以整体往复横向运动为主，振幅受安装状态的影响显著，声屏障动力性能评估重点为结构的低频振动；未来可结合声屏障结构振动特征和服役性能变化情况，深化声屏障气动荷载产生机理和动力分析方法的研究，探索声屏障服役性能演变机理和规律，完善声屏障结构安全性能检测评估体系，发展快速高效检测技术。     

砂层隧道列车振动响应与地基累积变形研究

采用动力有限元数值计算方法,对列车荷载作用下狮子洋隧道典型砂层段的动力响应进行计算分析。进一步借鉴路基累积变形计算方法,对列车长期荷载作用下隧道基底砂层累积变形计算方法进行探讨。狮子洋隧道基底砂层段孔隙水压力消散较快,基底土层实际动应力比小于其临界动应力比,隧道基底砂层不会由于列车长期运营而产生局部液化破坏;在列车荷载作用下,隧道衬砌结构中应力、位移均变化不大,隧道结构在列车运营荷载作用下处于安全状态;在列车长期运营荷载作用下,隧道基底砂层累积塑性变形小于25mm,隧道基底地基土累积塑性变形不会对列车长期运营造成破坏性影响。     

速度300 km/h列车振动荷载下隧道衬砌加速度响应规律分析

通过现场试验和有限元数值模型计算的方式,对衬砌在速度300 km/h列车荷载作用下的加速度响应规律进行了研究,经过高速铁路隧道现场衬砌振动测试和数值模型计算结果对比,验证了衬砌动力计算模型的正确性和可靠性;振动荷载在衬砌拱圈中的竖向振动加速度由墙角向拱顶呈下降趋势,拱圈横向振动加速度则呈现由墙角到拱顶先下降后增大的趋势,横向和竖向加速度的绝对值在接近列车侧均明显大于远离列车侧;证实了动车组列车轮对二阶固有频率对隧道衬砌拱圈振动加速度响应频率有较大影响;拟合得到了速度300 km/h列车作用下隧道衬砌拱圈横向和竖向振动响应加速度传递经验的三角函数公式。研究结果可为后续隧道衬砌在列车荷载作用下振动响应机制的研究提供参考。