高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基精细化有限元模型与验证

高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基的动力响应是高速铁路设计、施工和运维普遍关注的问题。为了较好地掌握高速列车荷载作用下的无砟轨道、路基以及地基各结构的动力响应,采用实体单元对无砟轨道结构、路基和地基进行建模,考虑扣件系统的5层垫片和弹条,以超弹性材料本构关系模拟橡胶垫片的大变形行为,以三维黏弹性静-动力统一人工边界模拟无限地基,以静动力顺序分析模拟路基和轨道的建造过程,以实测轮轨力模拟列车高速运行时产生的激励,构建高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基精细化有限元模型,采用实测数据,从动位移、动应力和动应变三方面对模型进行验证。研究结果表明,所建模型间接地考虑了空气和轨道不平顺对高速运行列车荷载的影响,考虑了扣件系统多层垫片间接触压力的传递和扩散,能很好地模拟列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基系统的动力响应,与实测结果吻合很好。高速列车荷载作用下基床表层的动应力小于20 kPa,动应变处于10με量级,表明路基处于小应变和弹性变形状态。该模型可用于深入研究高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基的动力学行为,为高速铁路无砟轨道结构及路基设计、优化提供一种有效的计算分析手段。     

高速行车条件下桩板结构-地基土系统的空间振动性能分析

结合某高速铁路桩板结构路基,建立桩板结构-地基土系统空间有限元模型,分析桩板结构路基动力特性。结果表明:其横、竖向基频理论计算与现场实测值比较接近。采用随机振动理论计算机模拟高速列车通过桩板结构路基全过程,系统仿真列车运营性能指标及桩板结构振动响应,与现场实测结果较好吻合。依据国内有关规范,综合评判高速列车运营和桩板结构路基空间振动性能。结果表明:高速列车通过桩板结构路基时,列车具有足够的抗脱轨安全度和优良乘客舒适性,桩板结构路基自身动力响应也较小,能满足高速列车安全、平稳运行要求。     

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。     

高速铁路路基-地基系统振动响应分析

推导了有砟轨道-路基-地基系统在轮轨接触点处的柔度矩阵,建立了考虑轨道不平顺的车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。通过算例分析了单台TGV高速动车引起的路堤本体-地基系统振动,得到路堤本体表面的垂向位移,研究了列车速度、轨道不平顺、基床刚度和路堤土体刚度对路堤本体振动的影响。研究结果表明:路堤本体垂向位移主要由移动列车轴荷载引起;随着列车速度的提高,路堤振动的"波动性"明显增加;基床刚度和路堤土体刚度对路堤振动影响显著,可通过增大基床和路堤土体刚度来减小高速列车引起的路基振动。     

高速铁路路基动力响应规律及其影响分析

高速列车荷载的数值模拟主要有静力荷载乘以动力系数表示的动力荷载模式、现场实测得到的荷载模式、实验室采用的荷载模式和模拟列车动荷载模式。论述连续弹性支承无限长梁模型、弹性点支承梁模型、车辆-轨道耦合系统动力模型,结合秦沈客运专线实际,计算分析铁路路基动力响应（位移、加速度、应力）的分布规律及其影响因素,并将模拟计算出的路基动力响应数值与秦沈客运专线现场实测数据进行对比,论证采用列车荷载模拟方式和分析计算模型的正确性和可行性。     

高速铁路环境振动黏弹性边界数值模型及验证

为研究有限元法在高速列车荷载引起的环境振动问题研究中的应用及模拟精度,采用数值方法分析列车运行引起桥梁附近自由场振动问题,数值模型包括列车-轨道-桥梁耦合模型和墩-桩-土耦合模型。其中,墩-桩-土模型采用有限元方法建立,引入黏弹性人工边界从半无限介质土体中截取出有限计算域。通过在模型截取边界施加切向和法向弹簧-阻尼单元,消除模型边界处波的反射与透射。其计算精度通过求解Lamb问题可知,黏弹性边界相比固定边界更加接近于解析解。再将黏弹性边界应用于车致环境振动数值模型,数值分析结果与现场测试结果进行对比,可以看出实测时程与分析结果时程曲线波形和幅值均吻合较好,从1/3倍频程对比曲线可以看出,地面响应峰值频率约为50 Hz,数值分析与现场实测结果在响应优势频段吻合较好。由总振级结果可知,地面响应随与振源距离的增加而减小,数值分析结果与实测响应结果在各测点的具体数值存在一定差值,但差值较小,且振动衰减趋势基本一致。     

列车移动荷载引起的地基土应力状态变化

将列车移动荷载简化为多组轮轴荷载,通过多点加载模拟列车在轨道路基结构上的移动过程。以遂渝线板式无砟轨道路基结构为对象,应用FLAC 3D软件建立轨道-路基-场地三维动力分析模型,对轨道、路基结构的动力响应进行分析,细致分析了列车荷载移动过程中作用线正下方地基中土单元的应力路径和主应力轴的旋转现象。结果表明:地基土单元动力响应具有明显循环特征;主应力轴始终沿顺时针方向旋转,且连续旋转了180°。     

地震激励下高速列车动态响应与运行安全边界研究

为研究地震对高速列车动态响应与运行安全的影响,建立地震激励下车辆-轨道耦合动力学模型,地震波被简化为周期性的横向正弦波加入车辆轨道仿真模型中。基于仿真计算,对地震作用下高速列车的动态响应、脱轨机理及运行安全边界进行详细地分析和讨论,给出地震下高速列车安全运行及脱轨边界。分析结果表明:地震所引起的轨道结构大幅横向振动对高速列车的安全运行影响极大;横向地震波激励下,车轮与钢轨频繁地发生分离、车轮的大幅度抬升和车辆激烈的横向滚摆运动是造成高速列车脱轨的主要原因。     

路基不均匀沉降对列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性的影响

基于列车—轨道耦合动力学理论,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,并对建立的三维非线性有限元耦合动力学模型进行相应的程序验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上无砟轨道线路上高速行驶时,在路基不均匀沉降作用下,列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性进行研究。研究结果表明:(1)路基不均匀沉降对车体振动加速度影响极大,路基不均匀沉降对车体振动加速度的影响与无砟轨道类型关系不大;(2)路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性有一定的影响,影响小于对车体振动加速度的影响,路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性的影响与无砟轨道类型有一定的关系,总体来讲,路基不均匀沉降对I型板式无砟轨道动力特性的影响要大于对双块式及Ⅱ型板式无砟轨道的影响。     

高速列车作用下双块式无砟轨道与路基垂向耦合振动分析

针对双块式无砟轨道和路基的结构特点,建立车辆-轨道-路基垂向耦合动力学频域分析模型,模型充分考虑机车车辆、双块式无砟轨道和路基的相互耦合作用。车体、转向架和轮对被视为多刚体系统,一系和二系悬挂用弹簧阻尼元件模拟;双块式无砟轨道和路基系统视为多层叠合梁模型,彼此用弹簧阻尼元件联结。推导双块式无砟轨道和路基系统振动响应的解析表达式,计算得出轨道和路基耦合系统的动柔度特性,结合虚拟激励法提出该模型在轨道随机不平顺激励时动力学响应的求解方法,分析高速列车荷载作用下双块式无砟轨道和路基的随机振动响应及其振动传递特性。研究结果表明:在10～5 000Hz频率范围内,钢轨的动柔度幅值远大于道床与路基的动柔度幅值,而道床动柔度幅值在30Hz以上频段大于路基的动柔度幅值;钢轨振动的能量分布频段较道床和路基要宽,道床和路基振动主要集中于163.9Hz左右频段;对于无砟轨道和路基耦合系统的振动功率,钢轨最大,道床次之,路基最小;道床和路基振动功率在100Hz以上中高频段,衰减比较快,而在100Hz以下低频段,其衰减不明显;在300Hz以上高频段,钢轨-路基间振动衰减较大,其主要原因是受钢轨-道床间振动衰减波动的影响。     

土参数随机性对高速铁路周围环境振动影响的概率分析

为探究场地土参数的随机性对高速铁路环境振动的影响,获取场地土剪切模量和阻尼比的后验随机分布样本,建立列车-轨道-地基土耦合模型计算高速列车通过时场地土表面的随机振动响应。基于概率分析理论,采用核密度估计方法推演地面随机振动响应的概率密度函数,获得高速铁路环境振动的1/3倍频程计权振级以及具有95%置信水平的Z振级双侧置信区间,对随机土参数振动影响的敏感性进行了深入的探讨,并进一步提出了采用“环境振动阈值”和“距离过渡区”对高速铁路周围已建和拟建建筑物进行评估和预测的方法,具有一定的工程应用价值。研究结果表明：在交通环境振动的预测和评价中,土参数的随机性不容忽视;土参数的随机性对高频振动和远场振动的影响较明显;在距离振源较远的区域,场地土材料阻尼比的随机性对环境振动的影响大于土体剪切模量随机性的影响。     

列车振动作用下沉管地基砂土液化可能性研究

根据土动力学和轨道动力学的原理 ,利用列车 轨道系统动力分析模型和提出的隧道结构 地层动力分析模型 ,分析高速列车作用下沉管地基的动力响应 ,根据模型计算了京沪高速铁路南京上元门沉管隧道地基在高速列车作用下的动剪应力分布 ;通过对现场地质资料的回归分析得到了沉管隧道 3个典型断面的地基抗液化剪应力 ,据此分析了沉管地基在高速列车作用下的液化可能性 ,以便为沉管隧道的进一步设计施工提供参考     

基于轨道元的运动有限元分析

基于轨道纵向条带状分布的规则性结构,建立轨道元的运动有限元数值计算方法与轨道结构空间整体模型,分析钢轨与轨枕所采用的空间Timoshenko梁单元有限元控制方程的形成,阐述轨道元单元移动的数值计算过程和边界条件的处理方法.轨道元作为数学模型,从形式上表现为轨枕间距长度范围内的一段轨道截矩,涵盖一根轨枕及其相应钢轨、扣件、弹性垫层、道床与路基在内的动力学特性,应用列车前后适时"增加与缩减"一个(或多个)轨道元的方法,可进行无限长轨道结构的动态响应分析.理论计算与实测结果对比表明,所建基于轨道元的运动有限元模型及其程序能够反映轨道结构的振动特性及进行相应的动力性能分析.     

高低不平顺条件下高速铁路桥-隧过渡段路基的动力特性

基于D'Alembert原理的能量弱变分和整体Lagrange格式,建立了无碴轨道桥-隧过渡段半无限三维空间动力有限元计算模型,结合高速车辆振动的几何不平顺条件,采用一与不平顺管理标准相应的激振力来模拟列车高速移动的竖向动荷载.通过数值分析,研究了高速移动荷载和不平顺条件下桥-隧过渡段路基的动态响应,揭示了几何竖向上"凸"或下"凹"不平顺等因素对其路基变形、动应力及加速度的影响规律,并与部分实测资料进行了对比,证实了计算模型的正确性.合理选择"超高"填筑过渡段,能减小过渡段路基动态响应,其研究结果为高速铁路过渡段的设计与施工提供了重要基础.     

地铁列车运行时引起的隧道内振动荷载研究

地铁环境振动研究首先需要确定隧道内的振动荷载。针对以往采用的解析计算模型确定地铁振动荷载时对列车、轨道、地基各子模型的影响研究不够,基于车辆-轨道-隧道-地基模型对此进行详细分析。研究结果表明:不考虑轨道不平顺时,列车可以直接简化为移动点荷载,考虑轨道不平顺时,不同列车模型确定的地铁振动荷载差别不大,但轮轨力存在一定差异,列车最好采用整车模型。整体式轨道的地铁振动荷载最大,有砟轨道次之,浮置板轨道最小。浮置板可以有效减少地铁振动荷载的幅值和频率,但随着浮置板长度增加振动荷载趋于恒定。地基模型对地铁振动荷载影响很小,地基可直接简化为Winkler模型。对计算模型中不同子模型的影响进行分析,可为地铁振动荷载的确定提供一定的参考。     

高速铁路箱式路基沉降限值研究

为了解决低墩桥梁造价高,传统路基填料耗费多、占地面积大等难题,提出新型“箱式路基”结构。然而在高速铁路运营过程中地基不可避免会发生不均匀沉降,影响箱式路基服役性能和列车的安全运行。为确定新型箱式路基结构的沉降限值,从轨道结构受力变形和列车走行性2方面研究了地基沉降对箱式路基静、动力学特性的影响。考虑有砟和无砟2种轨道形式,根据箱式路基结构特点确定了错台、折角、对折和横向错位4种沉降类型;通过建立轨道-箱式路基非线性有限元模型,分析了不同沉降类型和沉降幅值下的扣件竖向力和10 m弦长矢度值;建立列车-轨道-箱式路基耦合动力学模型,采用联合仿真方法分析了不同沉降类型、不同沉降幅值和不同行车速度下的列车动力响应;综合静力、动力计算结果并结合规范得出了箱式路基沉降限值。研究结果表明,对于有砟轨道-箱式路基结构,除350 km/h错台沉降工况下的沉降限值由动力指标中的轮重减载率控制外,其他工况下的沉降限值均由静力指标中的10 m弦长矢度值控制;对于无砟轨道-箱式路基结构,其沉降限值不受动力指标控制,错台、横向错位沉降限值由扣件竖向力控制,折角、对折沉降限值由10 m弦长矢度值控制。有砟轨道-箱式...     

宝兰客专路堤段地面振动特性 试验研究与数值分析

基于高速列车动荷载激励引起的无砟轨道-路基-黄土地基体系的地面振动问题,对宝兰客专DK993+110处路堤区段地面振动进行试验研究和数值分析。对试验数据从时域和频域2个方面进行分析,研究不同车型的动荷载引起地面垂向振动加速度在黄土地基中的衰减规律,研究结果表明;在距离线路中心线10～24m衰减较快,随着距离增大,距离线路中心线24～42m衰减速度趋于平缓,且在30～42m处各型车引起地面振动均出现了振动反弹增大现象。建立车辆-轨道-地基系统模型,研究列车动荷载作用下的地面响应,发现与实测结果吻合良好,验证模型的合理性与计算的正确性,依据不同场地速度结构,通过改变地基介质模量比和覆盖层厚度的方式,分析地基介质模量比和覆盖层厚度对振动反弹增大的影响。分析车速对地面振动的影响,发现地面振动随车速增大呈增大趋势,且不同车速列车引起振动反弹区域也有一定差异。按《城市区域环境振动标准》评价该处地面振动Z振级,回归分析得出各型车引起Z振级符合对数衰减规律,但在振动反弹区30～42m处拟合效果较差,表明拟合公式适用范围应当限定在10～30 m之间。     

考虑土-结构相互作用的列车引起建筑物及地面振动分析

为研究由运行列车引起的建筑物及地面振动规律,本文建立列车-轨道-路基-周围地层-建筑物系统空间动力分析模型。在模型中,地基土-建筑物基础相互作用分为协调接触变形、弹性接触变形和非线性接触3种状况。计算3种接触状况下,运行列车引起建筑物及地面振动的动力响应规律。计算结果表明:在运行列车作用下,3种不同接触状况,货车引起土体及建筑物的振动大于客车引起的振动;考虑弹性接触和非线性接触时,能反映建筑物对振动波的反射,土体的振动比协调变形接触时要大;考虑非线性接触时土体与建筑物会产生能量的消耗,列车引起的建筑物的振动小于弹性接触变形和协调接触变形条件下的振动。本文建立的模型对由运行列车引起的建筑物及地面振动预测提供一定的帮助。     

列车运行引起的地基振动响应分析

文章结合E-B梁模型得到了列车荷载作用下地基的振动响应方程，结合该方程对上海地铁一号线现场实测的列车振动进行模拟，计算的位移幅值与实测值比较吻合，曲线形状也基本一致，表明计算模型能够反映出列车引起的轨道结构振动。     

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.