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。     

客货共线无砟轨道钢轨支点压力时程特性分析方法

采用Tekscan压力测量系统现场测试了遂宁—重庆客货共线无砟轨道钢轨支点压力, 提出了高斯函数型钢轨支点压力时程表达式, 并通过现场实测数据对其进行验证; 根据钢轨支点压力时程表达式, 采用时序式加载法对轨道结构模型施加荷载, 并将其动力响应结果分别与车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型的计算结果和现场实测结果进行对比。研究结果表明: 现场实测客货车对钢轨支点的最大压力分别为29.91和82.49 kN, 与中国铁道科学研究院测试结果的相对误差小于20%, 故Tekscan压力测量系统可精确测试钢轨支点压力; 高斯函数拟合所得客货车对钢轨支点压力的时程曲线与实测曲线的相关系数分别为0.962 7和0.966 7, 最大压力与现场实测值的相对差异分别为5.15%和0.46%, 最小压力与现场实测值的相对差异分别为7.23%和24.11%, 故采用高斯函数能较好地模拟客货车对钢轨支点压力的时程曲线, 且货车作用下钢轨支点压力时程的模拟精度略高于客车; 基于时序式加载法的荷载激励-轨道-路基模型计算结果与车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型计算结果和现场测试结果相比, 轨道板最大位移相对差异分别为5.41%和2.70%, 底座板最大位移相对差异分别为2.86%和5.71%, 轨道板最大加速度相对差异分别为14.00%和23.20%, 底座板最大加速度相对差异分别为13.61%和8.73%。可见, 基于时序式加载法和高斯函数型钢轨支点压力时程表达式的荷载激励-轨道-路基模型可靠, 该方法无需建立车体模型, 既能保证计算效率, 又具有很高的精度。      

疲劳荷载下无砟轨道混凝土中氯离子传输研究

疲劳荷载作用下，无砟轨道混凝土的抗氯离子渗透性能是影响其服役特性的主要因素之一. 为分析混凝土在疲劳荷载作用下氯离子的传输变化规律，首先针对浸泡于氯离子溶液的混凝土试件进行弯曲疲劳试验，然后利用COMSOL有限元软件建立结构力学场与氯离子传输场的两场耦合模型，模拟氯离子在混凝土中的扩散行为. 研究结果表明:当侵蚀时间为2 d时，应力比为0.3、0.5和0.7对应的氯离子扩散深度分别为7、11、16 mm，混凝土中氯离子扩散深度随荷载应力比的增大而增大；两场耦合有限元模型计算得到的氯离子含量与试验测试结果基本吻合，验证了模型的合理性；混凝土中氯离子扩散深度随侵蚀时间的增大而增大，采用一元二次多项式可较好地描述扩散深度与侵蚀时间的关系.      

减振CRTS Ⅲ型板式无砟轨道路隧过渡段动力分析

为了设置合理的过渡段长度,最大限度地减小路基与隧道之间变形差对行车安全性和舒适性的影响,基于有限元方法和车辆-轨道垂向耦合动力学理论,建立了列车-轨道-路隧过渡段垂向耦合动力分析模型.以钢轨挠度变化率、车体加速度和轮轨力等作为评价指标,对路隧过渡段动力特性进行分析,提出了路基与隧道内同时设置过渡段时,减振橡胶垫层的刚度建议值和布置方式,以及仅在隧道内设置过渡段时过渡段长度的建议值.研究结果表明:过渡段橡胶垫层的刚度可采用分级过渡的方式,减振橡胶垫层的刚度比不宜超过2;在过渡段,以车体振动加速度为控制指标,从保障行车安全和减小过渡段维修工作量的角度出发,建议隧道内过渡段的设计长度为25~30 m.      

列车荷载对板式无砟轨道力学性能的影响分析

为研究无砟轨道混凝土在客、货车作用下的劣化规律,基于损伤力学概念,引入损伤变量对混凝土室内循环加载进行试验研究. 首先,建立钢轨-扣件-轨道板-CA砂浆层-底座板-地基有限元实体模型,获取试件试验等效应力水平,通过列车车速确定加载频率,然后确定合理的荷载组合模拟工况;其次,应用MTS加载系统对混凝土试件进行循环加载测试,利用无损检测系统测试了不同加载次数下混凝土的动弹性模量以及抗折强度;最后,将动弹性模量和抗折强度作为损伤变量,根据测试结果得到不同应力水平、加载频率作用对轨道板材料力学性能劣化规律的影响. 试验结果表明:在客货车荷载作用下,动弹性模量的损伤程度在加载200万次时约为抗折强度的损伤程度的2倍;应力水平一定时,加载频率越小,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤程度越大,并且在10 Hz与15 Hz频率之间较明显;加载频率一定时,应力水平越大,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤越严重,应力水平为0.7的混凝土在1 000次左右的加载循环加载下发生破坏;低速的客货车荷载会加快混凝土初期损伤,较高速度的客货车荷载会加速无砟轨道结构后期损伤的发展.      

客货共线砂浆离缝高度对轨道结构的动力影响

客货共线条件下CRTS I型板式无砟轨道CA砂浆与轨道板普遍存在离缝,为了得到CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响规律,基于车辆-轨道耦合动力学以及子结构模态叠加法,将ANSYS计算的轨道部件子结构的自振特性输入SIMPACK,使用力元连接轨道各部件形成轨道系统,通过轮轨接触面及柔性钢轨节点间的位移和力的数据传递,实现列车和轨道子系统的耦合,建立了含CA砂浆离缝的CRTS I型板式无砟轨道的垂向耦合模型,研究了客货混运条件下CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响. 研究表明:随CA砂浆离缝高度增大,钢轨动态位移、轨道板振动响应及CA砂浆动应力均显著提高;当CRH380通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.24 mm和0.27 mm,轨道板在25 Hz处振级分别增大了21.0 dB和21.7 dB,离缝根部砂浆最大动应力均达到0.2 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响趋于平缓;当SS7E通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.48 mm和0.66 mm,轨道板在8 Hz处振级分别增大了15.5 dB和19.4 dB,离缝根部砂浆动应力分别达到0.24 MPa和0.36 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响仍有较大的增长.