桥头引线与轨道刚度——美国联邦铁路局研究结果RR07-12

随着时间的推移，桥梁两端外的轨道（桥头引线）常常发生下陷（如图1所示）。桥梁两端外轨道下陷，亦称冲击，是经常造成列车走行不平稳的地方，与其他位置的轨道相比，更需要经常进行轨道找平作业。人们普遍认为，轨道下陷是由于车轮通过桥梁上轨道与桥梁两端外轨道之间刚度急剧变化处所产生的动态车轮作用力所致。图2显示的是铺碴桥面桥梁上的轨道与该桥梁两端外轨道间轨道刚度（或称轨道模量）差。 通过减少轨道刚度差，或使刚度过渡更为渐进，以此来消除桥头引线轨道下陷，为此虽然经过了多次尝试，但都收效甚微。由此引发了对轨道刚度差理论的研究，以期发现以往努力未成功的原因。 为评估轨道刚度差造成桥头引线下沉，及其影响列车走行质量的程度，采用五种了不同的方法。其中包括技术上最复杂的方法和最基本的方法。五种方法的结果得到的结论相同：桥梁端头轨道刚度的变化对桥梁引线处的轨道下沉或列车走行质量未造成实质上的影响。     

桥头引线与轨道刚度

研究背景 桥头引线（距桥梁两端约50英尺的轨道）经常出现下沉．需要不断进行轨道找平。人们普遍认为这是由于桥梁上的轨道刚度大，而桥梁外的轨道刚度低．从而形成刚度差所致。     

考虑轨道静态变位的简支梁竖向刚度限值研究

研究目的:高速铁路桥梁在徐变、温度、桥墩沉降等作用下会发生多种静态变位,进而影响轨道平顺性与列车走行舒适性和安全性。本文将桥梁静态变位与列车活载下的动态变形统筹考虑以获取简支梁竖向刚度限值,使得列车在一定轨道静态变位的简支梁上具有优良的走行性。研究结论:(1)小于活载挠度的初始桥梁上拱对列车走行性有利,而初始下挠、桥墩不均匀沉降、轨面随机不平顺及过大的初始上拱均为不利因素;(2)规范在桥梁刚度的限值上留有一定富余度,跨度越短、车速越高则对桥梁静态变位的要求越严格;(3)设计时可在预测桥梁静态变位的基础上合理选择桥梁刚度,养护时则可根据当前桥梁的实际刚度和静态变位组合采取整治措施;(4)本研究成果可为铁路桥梁刚度设计、运营维护及规范修订提供参考。     

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力特性的影响

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统的动力学特性具有重要的影响,直接关系到桥上列车的行车安全性和运行平稳性。基于列车—轨道—桥梁动力相互作用理论,以高速铁路常用的简支箱梁桥和双块式无砟轨道为研究对象,采用列车—轨道—桥梁动力学仿真通用软件TTBSIM2.0,研究桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力性能的影响规律。结果表明:当桥梁梁体的刚度或者桥墩的横向刚度不足时,车辆和桥梁的相关动力性能指标将随着刚度的减少而急剧增大,严重影响列车过桥时的安全性和平稳性;当梁体垂向刚度不足时,有可能会引发车桥共振现象;当桥梁结构刚度满足设计规范要求时,车桥系统动力响应指标随刚度变化不明显,此时行车速度和轨道不平顺成为影响行车安全性和平稳性的主要因素。     

轨道过渡段刚度突变对轨道振动的影响

建立轨道过渡段基础刚度突变的轨道振动微分方程,推导单轮作用下轨道变形的解析表达式。利用该解析解和叠加原理,研究轨道刚度突变对轨道振动的影响,分析单轮对和TGV高速列车在3种轨道刚度比时的轨道动力响应。结果表明,轨道刚度突变对轨道振动影响较大,轨道动力响应随着刚度比和列车速度的增加而增加。在理论分析基础上,提出轨道过渡段整治原则:过渡段宜采用分层(3~4层)强化基础刚度的措施;列车在过渡段运行时应满足所引起的动力系数小于或等于1.2及过渡段各层之间的刚度比在0.5~1之间;过渡段每层平缓距离,当列车速度小于或等于160 km.h-1时,取5 m,当列车速度大于160 km.h-1时,取10 m。     

铁路路桥过渡段桥头路基下沉病害的整治

路基工程一般是在桥梁建成后施工,路桥过渡段在铺轨前集中填筑,几乎没有静置沉降和趋于稳定的时间,运营后初期沉落变形较大,需进行频繁维修才能保证线路的平顺性,随着铁路运营速度不断提高,路桥过渡段桥头下沉引起的轨道不平顺影响列车安全.因此,分析路桥过渡段桥头下沉病害产生的原因,采取有针对性的措施加以整治,以满足列车提速对轨道平顺性的要求.     

关于列车-轨道(桥梁)时变系统空间振动方程的建立及其求解

分析了国内外在列车一轨道(桥梁)时变系统空间振动方程的建立及其求解过程中存在的根本问题：基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则(它不是一般的有限元分析中的计算机编码法和刚度集成法),可以很好地克服这一根本问题,同时还可以简便有效地建立并求解此时变系统空间振动方程,在直线轨道及桥梁上货物列车脱轨计算中取得了良好效果。对2座桥上列车走行安全性、平稳性及舒适性进行了分析,分析结果已被有关铁路局采用。     

移动列车荷载下桥上有砟轨道偏心研究

为研究列车作用下有砟轨道中线与桥梁中线偏心发展机理,以石太线上行多跨连续钢筋混凝土上承式拱桥为例,建立考虑轨道结构层间相互作用及轨道与桥梁弹性耦合效应的轨道-桥梁模型,研究桥上有砟轨道结构参数对有砟轨道-桥梁偏心影响规律.研究结果表明:增加轨下扣件横向刚度能显著减小线梁偏心,轨枕-道床横向支撑刚度对偏心影响较小,而散体道床横向剪切刚度及梁轨界面横向刚度的影响可以忽略;随着道床厚度的减小,线梁偏心减小;外轨超高对偏心有一定影响;随着有砟轨道中心与桥梁中心初始均匀偏心增加,线梁偏心呈较快发展趋势.     

铁路钢桥横向刚度限值分析

根据对发生过脱轨事故桥梁的分析,得出桥上列车脱轨的主要原因是桥梁横向刚度不足。多起桥上列车脱轨事故表明:现有铁路钢桥横向刚度限值不能预防列车脱轨,原因是现有桥梁横向刚度限值分析方法不能分析桥上列车走行安全性。基于列车脱轨能量随机分析理论,提出新的铁路桥梁横向刚度限值分析方法。具体步骤是:建立具有安全系数的预防脱轨条件,确定在设计车速下预防脱轨的桥梁横向刚度限值,代入此值检算桥上列车走行平稳性与舒适性。该方法确定的桥梁横向刚度限值既能保证列车平稳舒适运行,又可防止脱轨。运用此方法,制定的提速线32和40 m上承式钢板梁桥的横向刚度限值分别是主梁中心距为2.36和2.55m,提速线3×80连续钢桁梁桥的横向刚度限值是主桁中心距为6.61 m。     

桥梁横向刚度对列车走行安全性的影响

结合发生过脱轨事故的桥梁,定性分析了桥梁横向刚度对列车脱轨的影响。进一步运用列车脱轨能量随机分析理论,对比分析了老滦河桥上、下行线上的列车走行安全性,分析了增大钢板梁主梁中心距对提高桥梁抗脱轨能力的影响。分析结果表明,桥梁横向刚度不足是引起桥上列车脱轨的主要原因。最后提出,预防桥上列车脱轨的根本途径是使桥梁具备满足行车安全需要的桥梁横向刚度,即加固可能发生脱轨事故的既有线桥梁,或对拟建桥梁制定预防列车脱轨的桥梁横向刚度标准。     

高速列车诱发地面波与轨道强振动研究

在高速运行的条件下,当列车达到某种速度时,列车将引起轨道和大地的强烈振动。本文通过建立轨道振动微分方程,得到单轮作用下轨道变形的解析表达式。在此基础上,利用叠加原理,研究轨道临界速度与单轮和高速列车诱发轨道强振动的关系,分析了轨道基础弹性模量和轨道抗弯刚度对轨道临界速度及轨道振动的影响。计算表明,轨道基础弹性模量是影响轨道临界速度的主要原因。尤其是当轨道基础为软土地基时,轨道临界速度很低,容易被中高速列车超过。当列车速度接近轨道临界速度时,轨道将发生强烈振动。分析还显示当列车速度低于轨道临界速度时,提高轨道抗弯刚度对减小轨道振动的作用并不明显,但当列车速度接近轨道临界速度时,增加轨道抗弯刚度对减小轨道振动的作用则非常显著。     

地震作用下高速铁路列车—无砟轨道—桥梁系统动力响应及列车走行安全研究

在总结和吸收既有研究成果的基础上,以铺设CRTSⅡ板式无砟轨道的高速铁路简支梁桥为工程背景,对地震作用下高速铁路列车—无砟轨道—桥梁的动力响应及列车走行安全性进行系统研究,提出地震时不同条件下高速列车在桥上安全运行限速     

无砟轨道结构层对高速铁路列车—桥梁系统动力响应的影响

基于非线性弹性Hertz接触理论和Kalker蠕滑理论,建立了高速铁路列车—无砟轨道—桥梁精细化计算模型,以高速铁路32 m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序分别计算有(无)无砟轨道列车—桥梁系统的动力响应及列车走行安全指标并作对比分析。计算结果表明:对于桥梁的动力响应,不考虑无砟轨道时结构变位等动力响应减小;对于列车的动力响应,不考虑无砟轨道时,多数列车动力响应及走行安全指标有较大增加。     

轨道过渡段动力特性的有限元分析

运用有限元方法和Lagrange方程,建立列车-轨道-路基耦合系统动力分析模型,提出车辆单元和轨道单元,推导2种单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵,并用Matlab编制了计算程序.利用文中提出的车辆单元和轨道单元,考虑列车速度、路基刚度以及过渡段轨道不平顺和路基刚度综合影响因素对轨道过渡段动力特性进行分析.分析表明:过渡段路基刚度突变对钢轨垂向加速度和轮轨作用力均有影响,其影响随着列车速度的提高而增大;过渡段轨道不平顺和路基刚度变化2种因素同时存在对钢轨垂向加速度和轮轨作用力的影响非常明显,其峰值远大于1种影响因素引起的动力响应;列车速度、路基刚度以及过渡段轨道不平顺和路基刚度综合影响因素对车体垂向加速度的影响甚微,其原因是车体附有的一、二系弹簧阻尼系统起到了很好的减振作用.     

悬挂式单轨双线曲线轨道梁的设计研究

悬挂式单轨的轨道梁既是承重结构,又兼作车辆的走行和导向轨道.为保证列车运行的安全性和舒适性,车辆系统对轨道梁在列车荷载作用下的变形有严格的要求.由于轨道梁为底部开口的薄壁钢结构,抗扭刚度较小,导致曲线轨道梁适用跨径较小,给工程建设带来困难.提出在左右线轨道梁之间设置横梁的结构方案,增加轨道梁的整体刚度,有效减小曲线轨道...     

车轮踏面擦伤及其检测新技术

随着列车向高速度、大密度、重载方向发展,车轮故障相对逐步增多,损坏轨道及车辆设备,甚至危及行车安全。其中最常见的车轮故障即“车轮踏面擦伤”。 踏面擦伤探源 列车在运行途中,经常需要进行加、减速或制动停车,如果制动力过大,制动缓解不良,或调车溜放时单方面使用铁鞋制动,或由于同一轮对的车轮直径相差过大等原因,使车轮在轨面上滑行,造成踏面上被擦成一块或数块平面,这就是常言所说的“踏面擦伤”。车辆在钢轨上滑行,或车轮踏面与钢轨、闸瓦强     

城市轨道交通大坡道及小半径曲线地段轨道结构受力和变形特性分析

采用有限元法建立了大坡道及小半径曲线地段的长枕埋入式轨道和浮置板轨道结构模型,分析列车紧急制动下坡通过曲线时的钢轨受力、轨道结构底部支反力及轨道板的位移。结果表明:浮置板轨道结构的钢轨纵向力大于长枕埋入式轨道钢轨纵向力;长枕埋入式轨道结构底部纵向支反力大于浮置板轨道隔振弹簧的纵向支反力,垂向支反力小于浮置板隔振弹簧垂向支反力。列车转向架处于浮置板两端时会引起轨道板垂向位移增大,对剪力铰影响较大;纵向位移自列车荷载作用处向浮置板两端递减,纵向位移最大值约为0.30 mm;列车通过曲线时易引起浮置板向外轨方向发生横向位移和倾斜。     

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。     

多跨简支梁桥上Ⅲ型板式无砟轨道制动力传递规律研究

为探究列车制动荷载作用下轨道、桥梁结构纵向受力特性及其影响因素,基于有限元法和梁-板-轨相互作用原理,建立多跨简支梁桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,对列车制动荷载作用下结构纵向受力特性、传递规律及其影响因素进行分析。结果表明:以全桥列车制动加载作为计算轨道及桥梁结构制动受力与变形时的最不利工况是偏安全的,并应以有载侧计算数据进行检算;桥上扣件需依据轨道板快速相对位移试算结果进行比选, WJ-8型小阻力扣件可适用于多跨简支梁桥且有较大安全冗余;桥上采用小阻力扣件或墩顶纵向刚度较小时均会使得列车制动荷载作用下的轨道板快速相对位移较大,不利于扣件的长期服役;轨道和桥梁结构制动检算过程中建议将桥跨数简化为10～15跨;需保证土工布隔离层的滑动性能,且应将其摩擦系数应控制在合理范围内。     

无砟轨道扣件刚度突变对高速列车动力的影响

研究目的:无砟轨道结构的弹性主要来源于扣件系统,在高速铁路无砟轨道施工或维修过程中,扣件系统可能出现安装不当或新旧轨下垫板不合理过渡的情况,从而在相邻的扣件间形成较大的刚度差或称刚度突变,静态条件下难以发现,但可能对高速行车的平稳性和安全性产生不利的影响。本文应用轮轨系统动力学理论和ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了车辆-无砟轨道-路基系统垂向耦合振动模型,根据扣件刚度实际检测的范围,考虑不同的扣件刚度突变工况,计算分析扣件刚度突变对高速车辆及轨道动力特性的影响。研究结论:经过计算分析表明:(1)当扣件刚度局部发生突变时,车体加速度最大值和最小值基本不变,即扣件刚度突变对行车平稳性的影响不大;(2)扣件刚度突变对轮重减载率即行车安全性的影响明显,尤其是列车速度超过300 km/h时,扣件刚度突变直接导致轮重减载率超标;(3)该研究成果可为高速铁路无砟轨道扣件刚度在施工或维修中加强检测、建立严格的控制标准提供理论依据。