高速铁路道砟飞溅理论计算与试验研究

根据有砟轨道特点,建立动车组和有砟轨道车—线多孔介质动态空气动力学分析模型,分析列车底部至轨道道床顶面之间空气流动特性。并通过京沪高铁黄河大桥风压测试和道砟飞溅监测,研究列车底部空气动力学效应。研究结果表明,理论建模分析和实测结果基本吻合,所建分析模型用于计算道床顶面所受压力是可行的,道床表面所受负压随列车速度提高而增大,在列车时速达到350 km/h时,试验区段未发生道砟飞溅。     

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。     

客运专线无砟轨道临界速度计算方法研究

无砟轨道是我国客运专线首选的轨道结构型式,轨道临界速度是线路运营速度的基础。在总结相关研究结果的基础上,结合无砟轨道的结构特征分别建立了两种不同计算无砟轨道临界速度的方法:①首先建立无砟轨道叠合梁模型,然后推导单层轨道振动微分方程,并在此基础上推导了单轮作用下无砟轨道临界速度的解析解;②首先建立列车-无砟轨道系统耦合振动动力学模型,然后通过动力仿真分析得到无砟轨道临界速度数值解。对两种方法进行了对比。     

减振型板式无砟轨道轨道板受力分析研究

介绍减振板式无砟轨道的结构组成和计算参数,建立了梁体有限元计算模型,计算分析了列车荷载作用下减振板式无砟轨道的受力,考虑轨道板受温度梯度荷载、桥梁挠曲变形,在制造、运输和施工时对减振轨道板的受力影响,对轨道板在这些因素下的受力进行了分析,为结构设计提供计算依据.     

列车荷载-水耦合作用下无砟轨道水平裂纹尖端强度因子有限元计算模型

针对CRTSⅡ型板式无砟轨道结构层间裂纹扩展的典型现象,建立列车荷载-水耦合作用下裂纹尖端强度因子的三维计算模型。依据水压力在裂纹表面作用的特点,基于弹性力学及断裂力学原理,引入双协调方程、Westergaard应力函数,得到应力分量及位移分量。把裂纹表面受到均布水压力引起裂纹尖端强度因子增大的问题,简化为裂纹表面受无数集中力时的叠加而引起裂纹尖端强度因子的增大问题。结果表明,CRTSⅡ型板式无砟轨道水平裂纹扩展类型为Ⅰ型,依据Ⅰ型裂纹失稳扩展发生在应变能密度因子S最小方向,确定CRTSⅡ型板式无砟轨道水平裂纹沿着原来的裂纹面扩展。通过ANSYS-Workbench-Fracture Tool平台下裂纹尖端强度因子计算,建立了有限元计算的模型,计算结果合理性通过复合试件拉伸试验得到了验证。     

列车竖向荷载下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力特性试验研究

采用1∶1足尺模型对列车竖向静荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道结构受力特性进行试验,并对CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体理论分析模型进行验证。按实际工艺在实验室内建造一段CRTSⅡ型板式无砟轨道,通过试验机和分配梁模拟同一转向架2个轮对的竖向荷载,利用应变片、应变计、压力盒和位移计等测试元件,对钢轨、轨道板、水泥乳化沥青砂浆和底座的受力与变形进行测试。根据无砟轨道梁板和梁体理论,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道结构有限元分析模型,对轨道结构在相同荷载工况下的受力与变形进行理论分析。将试验结果与计算结果进行对比,验证CRTSⅡ型板式无砟轨道梁板和梁体理论模型的正确性和适应性。     

铁路无砟轨道吸声板降噪效果分析

铁路无砟轨道区段的噪声辐射比有砟轨道区段严重,常采用轨道表面铺设吸声板来降低轮轨噪声对周边环境的影响。为了控制铁路无砟轨道区段的轮轨噪声辐射,根据微穿孔板吸声理论建立多孔吸声板吸声系数计算模型,并将计算得到的吸声系数输入到轮轨噪声预测系统中,得出轨旁噪声的频谱和等效声级,分析多孔吸声板的空隙率、厚度和孔径对降低轮轨噪声的影响规律。研究结果表明:多孔吸声板的空隙率越大,对轮轨噪声的吸声效果越好,但太大的空隙率会降低对中高频轮轨噪声的吸收,建议空隙率应该控制在0.4%～0.6%之间为宜;多孔吸声板厚度越大,对轮轨噪声的吸声效果越好,但板厚过大会影响到其他行车安全问题,板厚应控制在既能高效降低噪声、又能保证行车安全的限值之内;多孔吸声板的孔径越大,对轮轨噪声吸声效果越差。     

高速铁路板式无砟轨道-路基结构动力特性研究

针对列车走行的实际情况,将板式无砟轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立包含车辆、钢轨、板式轨道和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度对车辆运行品质、系统动位移以及动应力的影响。结果表明:车体加速度、动轮载和轮重减载率均随车速的提高而增大,呈线性分布,当列车高速通过无砟轨道-路基结构时,列车运行的安全性和舒适度指标都能满足要求;系统动位移受速度影响较小;轨道板易发生疲劳破坏,需采用双层、双向配筋;路基面动应力随速度的提高而增大,但数值比有砟轨道的小;路基动应力沿路基深度方向衰减较慢,在基床表面下3 m处,动应力只有基面的25%左右;无砟轨道的基床加速度远小于有砟轨道的加速度值,表明无砟轨道结构可以有效地改善列车荷载对路基基床的振动作用。     

无砟轨道纵向连接形式对列车—板式无砟轨道—路基系统振动特性影响

运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的"对号入座"法则,建立列车—板式无砟轨道—路基的竖向振动方程组,用Matlab编制相应计算程序,并用ANSYS软件验证,分析在随机不平顺激扰下,列车高速运行时板式无砟轨道不同纵向连接形式对列车—板式无砟轨道—路基系统振动特性的影响。研究表明:板式无砟轨道纵向连接形式对车体垂向加速度、钢轨垂向加速度、轮轨垂向力、扣件压力的影响极小,但对板式无砟轨道各部件及路基受力有较大影响,轨道板与底座纵连,可以大大降低轨道板和底座的振动和动应力,无砟轨道动力特性总体较为优良。     

无砟轨道温度梯度荷载对列车-路基上板式无砟轨道系统动力特性的影响

在吸收国内外研究成果的基础上,建立能够考虑无砟轨道—路基系统各部件间接触状态非线性的列车-路基上板式无砟轨道三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维有限元耦合动力学模型进行相应验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上板式无砟轨道线路上高速行驶时,在列车荷载和无砟轨道温度梯度荷载共同作用下,列车-路基上板式无砟轨道耦合系统动力特性进行研究。研究结果表明:无砟轨道温度梯度荷载对列车-路基上板式无砟轨道耦合动力学系统轮轨力特性影响很小,但对无砟轨道各部件动力特性有显著影响,在进行无砟轨道各部件动力特性研究时,有必要考虑无砟轨道温度梯度荷载的不利影响;对于Ⅱ型板式无砟轨道,无砟轨道温度梯度荷载对列车-路基上板式无砟轨道耦合动力学系统动力特性影响与裂缝间距有很大关系,裂缝间距越小,其影响越小。     

地铁预制板式无砟轨道空间力学特性研究

针对地铁预制板式无砟轨道力学特性理论研究存在的不足,建立地铁预制板式无砟轨道三维非线性有限元空间力学模型,研究单一及组合荷载下普通和减振地段地铁预制板式无砟轨道空间力学特性。研究结果表明:列车和无砟轨道下部基础不均匀沉降荷载对地铁预制板式无砟轨道力学特性有较大影响,而温度荷载只对挡块受力有一定的影响;列车荷载、无砟轨道下部基础不均匀沉降荷载及组合荷载下减振地段和普通地段地铁预制板式无砟轨道力学特性差别很大;单一荷载计算结果叠加和组合荷载计算结果有较大差别,宜对组合荷载下地铁预制板式无砟轨道力学特性进行分析研究;地铁预制板式无砟轨道有限元分析模型宜考虑层间接触状态非线性,并考虑挡块与轨道板相互作用。     

客运专线土质路基上无砟轨道结构的振动特性仿真研究

依据系统工程理论的思想,建立列车无砟轨道结构耦合系统的有限元模型,时客运专线土质路基上板式、双块式无砟轨道结构和普通碎石道床轨道结构在高速行车条件下的耦合系统动力学性能进行了仿真分析研究.对比分析这3种类型的轨道结构系统振动响应与系统振动传递函数,评价无砟轨道结构的振动特性.结果表明:无砟轨道结构的平顺性很好;结构各部分的振动随着列车行驶速度的增大而增大;钢轨、道床板、路基的主要振动频带范围均随着列车行驶速度的增大而增大;有砟轨道的弹性最好,板式无砟轨道的弹性次之,双块式无砟轨道的弹性较差.     

高速铁路无砟轨道水致伤损现状及模拟分析

由于积水和高速列车的作用,我国无砟轨道服役过程中出现了材料软化、掉块、冒泥冒浆等水致病害。通过资料收集、成果总结与现场调查,对高速铁路无砟轨道水致伤损的类型、产生原因及危害进行了系统的总结。按照病害成因及水的不利影响程度将无砟轨道水致伤损分为积水导致的材料软化问题和冲刷导致的掉粒、离缝、冒浆问题。针对典型的层间离缝冒浆现象,建立列车与水耦合作用下层间离缝流固耦合三维计算模型予以分析,发现离缝内动水压力与行车速度的二次方成正比。建议在无砟轨道运营过程中及时做好排水工作,在遭遇强降雨时或对积水严重的路段列车应减速运行。     

列车竖向荷载与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道开裂的影响分析

无砟轨道结构轨道板裂缝和结构层间离缝会导致结构性能退化,承载力降低,危及行车安全。基于弹性地基梁—体理论,建立路基上无砟轨道结构有限元模型。在正常状态和轨道板底部存在不同程度离缝状态时,对轨道板在列车竖向荷载下产生裂缝的位置和路径,以及2种状态下轨道板的翘曲位移和翘曲时轨道板底部地基弹簧拉应力进行分析。研究结果表明:无砟轨道板仅在列车竖向荷载作用下不会产生裂缝。当轨道板底纵向全部脱空且横向脱空宽度达到钢轨底面内侧边缘位置时,列车竖向荷载板端加载不会生成裂缝,板中部加载会产生裂缝。裂缝大致沿着轨道板纵向中心线附近开裂,在板端斜向板两侧边缘发展,预裂缝能够有效阻断裂缝的扩展路径。     

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.     

严寒地区高速铁路冰雪飞溅特性及防治研究

研究目的:冰雪飞溅是严寒地区高速铁路有砟轨道面临的重要问题之一,列车结构和道床断面形式都是其重要影响因素。本文基于k-ε Realizable湍流模型,采用滑移网格技术,建立CRH3型高速列车-有砟道床模型,对列车绕流特性和道床空气动力学特性进行研究,揭示冰雪飞溅机理,以期为优化道床断面和防治冰雪灾害提供理论基础。研究结论:(1)车头、车尾和转向架区域,风速和风压出现大幅度波动,冰雪飞溅几率较高;(2)道床中心风压较大,风速较高,冰雪块极易发生飞溅现象,道床表面风压由内向外递减,轨枕槽内易出现冰雪块移动和堆积;(3)列车速度是影响冰雪飞溅的关键因素,随着车速增加,风压值随之变大,列车速度在250 km/h以上时,车速每增加100 km/h,风压峰值增加约1倍,冰雪飞溅几率明显增加;(4)风压随着砟肩堆高的增大而增大,在列车速度为350 km/h条件下,砟肩堆高由0 mm到150 mm,负压峰值增幅达9.0%,因此在保证道床横向阻力基础上宜降低砟肩堆高;(5)本研究结论可为冰雪飞溅防治提供工程依据及指导作用。     

CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道线路路基不均匀沉降限值研究

基于列车—轨道耦合动力学理论,考虑无砟轨道各部件间及无砟轨道与路基间接触状态非线性,建立列车—板式无砟轨道—路基三维非线性有限元耦合动力学模型,进行自重荷载、轨道中长波随机不平顺、轨道短波随机不平顺、路基不均匀沉降荷载、无砟轨道板温度梯度荷载共同作用下,高速铁路CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基不均匀沉降限值研究。结果表明:无砟轨道板温度梯度荷载对无砟轨道各部件受力均有较明显的影响,因此在进行无砟轨道线路路基不均匀沉降限值研究时有必要同时考虑无砟轨道板温度梯度荷载的影响;路基上CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道线路的路基不均匀沉降限值由底座板疲劳破坏控制,路基不均匀沉降幅值达到7mm时无砟轨道底座板的最大拉力达到疲劳破坏限值1.674MPa,因此建议高速铁路CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基的不均匀沉降限值为7mm/20m。     

高速列车作用下道床表面风场特性研究

道砟飞溅严重威胁高速铁路行车安全,其受道床表面风场特性影响明显。本文采用计算流体动力学方法,建立精确考虑轨道和车底外形的精细化仿真模型。基于验证后的模型,研究道床表面风速/风压空间分布规律,拟合分析行车速度、道床面高度和砟肩堆高对流场特性的影响,给出飞砟防治建议。研究结果表明:轨枕顶面和道心处风速/风压值较大,易发生道砟飞溅;轨道表面风压幅值与车速的平方成正比,与道床面高度、砟肩堆高成线性关系;若道床面高度、砟肩堆高均降低50mm,道床表面风压幅值将分别降低29.4Pa和9.7Pa,降低道床高度的效果更明显;道砟颗粒上、下表面压差是道砟飞溅发生的根本原因,可通过控制道床表面风压幅值、提高表层道砟稳定性等措施避免道砟飞溅。     

荷载幅值对无砟轨道结构裂纹水压力影响

研究目的:为分析无砟轨道结构裂纹内水压力变化特性,建立列车荷载-水耦合作用下裂纹水压力的计算模型。为验证模型的正确性,浇筑带裂纹的模型试件,采用万能伺服液压机施加循环动荷载,采用高灵敏度传感器测量裂纹内水压力,分析带水平裂纹的混凝土结构在循环荷载作用下,裂纹内水压力随加载幅值变化特性。以列车速度为250 km/h为计算实例,分析裂纹内控制点水压力随列车荷载幅值变化。研究结论:结果表明:(1)试验中随着循环幅值(45±20~70±45 kN)的增加,裂纹内测点水压力增大;(2)建立与试验条件一致的理论计算模型,试验数据与理论计算结果之间有误差存在,但是试验曲线与理论结果的变化趋势一致,计算模型是有效的;(3)采用列车荷载-水耦合作用下裂纹水压力的计算模型,计算当列车速度为250 km/h,裂纹开口量、宽度、深度分别为3 mm、1 m、1 m时,随着列车荷载的增加,裂纹内控制点水压力呈线性关系增大;(4)该研究结果可为分析无砟轨道结构伤损理论提供参考。     

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。