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。     

高速铁路有砟轨道横向阻力宏细观分析

研究目的:道床横向阻力是保持列车平稳安全运行的重要因素,砟肩部位是横向阻力重要组成部分,但高速铁路为防治飞砟采取降低砟肩堆高措施,导致道床横向阻力降低。为探究不同速度等级下高速铁路有砟道床横向阻力变化情况,本文进行了Ⅲc型轨枕在不同道床几何断面下横向阻力现场试验。同时,基于3D扫描与离散元法,以颗粒簇Clump和墙体单元分别模拟道砟颗粒和轨枕,细观分析阻力大小、分担、力键及接触特性。研究结论:(1)速度由200 km/h提升至250～300 km/h、300 km/h以上(350 km/h)道床断面条件下,试验结果分别相应降低6. 6%、11. 8%,数值研究分别降低12. 6%、24. 2%,建议300 km/h以上(350 km/h)应采取措施满足横向阻力要求;(2)轨枕底部及轨枕端部占约80%道床横向阻力,枕心部位道砟并未充分参与和作用,宜采取轨枕结构设计、密实和部分胶结方案;(3)轨枕底部-道砟在轨枕横向位移时接触数目较小,轨枕底部结构和纹理可进行优化以增大接触数目;(4)本文研究结果对不同时速下有砟道床断面选型具有一定指导意义。     

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。     

米轨混凝土枕道床横向阻力离散元数值模拟

研究目的:为分析米轨混凝土枕有砟道床横向阻力变化特征,本文首先通过圆筒堆底试验与离散元模拟对道砟的摩擦系数进行标定,然后采用离散元法研究匀速推动轨枕和变速推动轨枕两种情况下米轨道床横向阻力特性,同时用单根轨枕测试法开展米轨道床横向阻力试验以验证离散元模型的正确性,最后利用离散元模型探究道砟堆高和道床肩宽对米轨混凝土枕有砟道床横向阻力的影响。研究结论:(1)通过圆筒堆底试验与离散元模拟发现,道砟颗粒摩擦系数取0. 63时与试验结果相吻合;(2)与匀速推动轨枕相比,变速推动轨枕得到的道床横向阻力仿真值与实测值更吻合,因此变速推轨枕得到的道床横向阻力的仿真精度更高;(3)米轨混凝土枕有砟道床横向阻力随着砟肩堆高的增加而增大,砟肩堆高150 mm能显著提高米轨混凝土枕有砟道床横向阻力;(4)随着道床肩宽的增加,米轨混凝土枕有砟道床横向阻力不断增大,当道床肩宽在400～500 mm之间时对道床横向阻力的提高最经济有效;(5)本研究成果可为米轨铁路无缝线路设计理论和米轨铁路有砟道床设计理论提供参考。     

双块式轨枕道床横向阻力试验与力学分析

研究目的:道床横向阻力是保持轨道几何形位及无缝线路横向稳定性的重要参数。随着有砟轨道运营技术条件复杂化,对轨枕设计和选型提出更多挑战,发展更加安全、可靠、经济、可用轨枕技术方案成为研究热点。针对国内有砟道床上铺设双块式轨枕及其横向阻力研究较少的情况,本文通过进行一系列工况下双块式轨枕和Ⅲc型轨枕横向阻力试验,研究双块式轨枕横向阻力基本特性与影响规律。研究结论:(1)在相同道床断面条件下,双块式轨枕横向阻力高于Ⅲc型轨枕,前者较后者提高幅度13.6%~25.5%;(2)砟肩宽度增加,双块式和Ⅲc型轨枕的道床横向阻力均提高,但增长效果无明显差异;(3)砟肩堆高能显著提高双块式和Ⅲc型轨枕的道床横向阻力,如当砟肩堆高从0 mm增加到150 mm时,道床横向阻力分别增加4.2 kN(51.9%)、2.7 kN(38.0%),即砟肩堆高对双块式轨枕更有效;(4)本研究结论可为双块式轨枕在我国轨道工程上的应用奠定理论和试验基础。     

中法有砟道床断面设计技术标准分析

为在国际铁路竞争市场中提高中国标准的国际认可程度,中国宜充分借鉴吸收国外标准。通过对比分析中法两国有砟道床断面设计差异,结论如下:(1)中国规定道床厚度主要根据列车轴重和速度取值,法国标准除此之外还考虑轨枕类型;(2)两国标准中新建线路砟肩宽度范围相近,中国标准进一步明确道床顶面宽度;(3)中国标准中无缝线路除在速度等级250≤v<300 km/h时正线堆高为10 cm外,其余均为15 cm;法国标准中,针对断面不同加固程度,堆高为0～15 cm;(4)中国标准正线边坡坡度采用1∶1.75,法国标准采用(1∶1.5)～(1∶3.0)。法国标准灵活性较强,适用工程范围更广,我国标准可借鉴其设计取值方法以提高对于不同国家工程的经济适用性。     

30 t轴重重载铁路有砟轨道道床结构设计研究

重载铁路因列车重量和长度增加、机车和车辆轴重提高,大幅增加了作用于线路上的荷载,对铁路道床有更高的要求。结合路基结构设计,提出了我国30 t轴重重载铁路有砟轨道道床可采用单层和双层2种结构。综合理论计算和室内试验给出了道床断面关键参数:道床厚度350 mm,砟肩宽度500 mm,砟肩堆高150 mm,道床边坡1∶1. 75。针对提出的道床结构在瓦日线重载铁路铺设了试验段,开展了30 t轴重列车实车试验。试验结果表明:实测脱轨系数最大值为0. 27,轮重减载率最大值为0. 21,轮轴横向力最大值为37. 1 kN,可满足列车运营安全性要求;实测横向阻力为13. 7 kN/枕,能够保证无缝线路横向稳定性;道床厚度采用350 mm相比300 mm可降低道床底面应力38. 8%。     

中俄高速铁路有砟道床技术条件分析——时速350 km高铁设计参考与借鉴

为厘清中俄高速铁路有砟道床技术条件差异及其内在原因,通过对两国不同轨距高速铁路有砟道床设计规范及技术条款进行分析,针对莫喀高铁和京张高铁(350 km/h)运营要求,考虑到轨距、温度变化不同因素影响,所得主要结论如下:(1)道床砟肩宜采用无堆高形式,道床边坡宜采用1∶1.75,加强道床夯实。道床厚度宜采用35 cm,如在桥隧地段、路基基床表层采用沥青层、弹性轨枕可降低为30 cm;(2)结合欧洲高铁经验,道床纵向阻力不应小于14 kN/枕,横向阻力不应小于12 kN/枕,可满足时速350 km要求;(3)时速350 km及其以上必须进行飞砟设计和措施研究;(4)时速350 km须进行轨枕设计,可通过形状和尺寸方式。由于轨距不同,建议莫喀高铁轨枕长度采用2.7 m、京张高铁采用2.6 m。     

济青高速铁路聚氨酯固化道床的动力特性测试分析

为验证350 km/h高速列车运营条件下聚氨酯固化道床的安全性、振动特性以及道床表面风场分布规律,在济青高速铁路开展了340～385 km/h逐级提速试验。测试结果分析表明:350 km/h高速列车运营条件下聚氨酯固化道床的行车安全性指标满足要求;相比于无砟轨道结构,聚氨酯固化道床具有更好的减振效果,在Z记权条件下其插入损失约为9.4 dB;线路中心正负风压变化最剧烈,是线路横断面中最容易发生道砟飞溅处。     

高速铁路飞砟防治专用聚氨酯适用性研究

研究目的:道砟飞溅是高速铁路有砟道床面临的重要问题,为防治飞砟,本文针对5种低强度防飞砟专用聚氨酯,提出一种可捣固的道床全断面表层固化方案。根据道床纵、横向阻力试验判定喷涂聚氨酯对道床的加固作用;根据风洞试验判定防飞砟性能;根据捣固测试判定可捣固性能;根据单轴无侧限压缩试验判定聚氨酯固化强度增长特征。研究结论:(1) 1号至5号聚氨酯(强度分别为1. 38 MPa、3. 70 MPa、5. 30 MPa、14. 20 MPa、27. 40 MPa)固化后,道床纵向阻力相比固化前提升约6%～16%,道床横向阻力提升约9%～17%,对道床稳定性起到了有效的提升作用;(2)采用强度最低的1号聚氨酯固化时,道床在30 m/s风速(相当于350 km/h列车通过)下并未产生道砟位移情况;(3)除5号聚氨酯强度稍大,捣固时破坏了一定数量的周围粘结,其余4种均可正常完成捣固维修,根据对比分析选取4号聚氨酯为最优;(4) 4号聚氨酯完全硬化需要7 d,可在喷涂1 d后达到最终强度的69%,2 d后达到88%;(5)本研究结果对时速350 km及以上有砟道床结构选型、养护维修具有参考意义。     

桥上有砟道床阻力特性及尺寸优化研究

研究目的:建立桥上有砟道床离散元仿真模型,通过足尺道床阻力试验进行标定,分析道床宽度、厚度等断面参数对道床阻力的影响,探讨横向阻力影响范围和道床各部分对阻力的分担特性,提出大跨桥上有砟道床尺寸的优化建议,以期减轻二期恒载,为桥梁设计创造条件。研究结论:(1)在一定道床宽度范围内,道床阻力随顶面宽度的增大而增大,顶宽由3 400 mm增大到3 800 mm时,横向阻力增长率由16.9%降至4.6%,纵向阻力受顶宽影响较小;(2)在一定道床厚度范围内,道床阻力随厚度的增大而增大,厚度由250 mm增大到450 mm时,道床横向阻力增长率由31.4%降至5.9%,道床纵向阻力增长率由18.6%降至4.0%;(3)距枕端400 mm宽度范围内的砟肩道砟是提供横向阻力的主要区域;(4)道床阻力主要由枕底、枕侧和枕端阻力构成,其中横向阻力枕底分担比例约为62%,枕端约为24%,枕侧约为14%;(5)综合道床阻力、经济性和运维需求,建议桥上有砟道床顶宽取为3 400 mm,厚度取为300 mm;(6)本研究结论可为大跨桥上有砟道床断面尺寸优化提供借鉴和参考。     

马东铁路有砟道床结构和几何断面选型与分析

研究目的:马来西亚东部沿海铁路(简称"马东铁路")具有设计速度较高、当地降雨量大、氯离子腐蚀严重、土质路基、工程造价低等特点,同时其国内窄轨铁路建设经验对该项目参考价值有限,给工程设计、施工和验收带来困难。本文根据马东铁路线路荷载、气候环境、地理区位等因素,基于中国、欧盟及美国铁路技术规范,对该项目有砟道床结构和几何断面选型中道床厚度、砟肩宽度、堆高、道床边坡与排水坡、底砟结构等进行对比、分析与确定,以期为炎热、多雨地区铁路工程项目设计与施工提供参考。研究结论:(1)通过中美欧铁路规范对比及相关研究,建议马东铁路道床厚度取350 mm,砟肩宽度取400 mm(或450 mm),堆高取100 mm,采用新Ⅱ型轨枕,边坡坡度取1∶1.75(或1∶1.5),采用传统底砟结构,排水坡坡度为5%;(2)沥青底砟层结构具有诸多优点,建议马东铁路优先采用;(3)本研究成果可为热带多雨地区有砟道床结构及几何断面选型提供参考。     

列车振动荷载作用下有砟道床力学性能研究

研究目的:为探究有砟道床性能随列车荷载作用下的变化特征,进行现场原位试验并通过离散元分析软件PFC3D建立有砟道床模型,研究道砟竖向速度及沉降、轨枕与道砟振动加速度、道床阻力及枕下支承刚度的变化。研究结论:(1)记录了距轨枕底面0. 1 m、0. 2 m、0. 3 m处道砟竖向速度(0. 033 m/s、0. 029 m/s、0. 015 m/s)、沉降位移(3. 1 mm、2. 3 mm、1. 5 mm)、振动加速度(43. 39 m/s~2、29. 27 m/s~2、17. 23 m/s~2、9. 78 m/s~2),可知峰值速度、沉降位移及振动加速度随着深度增加而减小;(2)记录了循环加载100次、200次、300次、400次时道床横向阻力(16. 87 k N、17. 23 k N、17. 56 k N、17. 66 k N)、道床纵向阻力(24. 55 k N、25. 23 k N、25. 89 k N、25. 99 k N)和枕下支承刚度,可知道床横纵向阻力、枕下支承刚度随着荷载次数增加而增大;(3)本研究成果对指导有砟道床设计、施工、养护维修及研究有砟道床力学性能具有参考价值。     

米轨铁路钢枕有砟道床横向阻力试验与仿真

研究目的:为探究米轨铁路钢枕道床横向阻力变化特征,本文开展米轨铁路钢枕道床横向阻力试验,并基于离散元法建立并研究米轨钢枕有砟道床横向阻力,通过试验结果验证米轨钢枕有砟道床离散元模型,同时采用离散元法分别探究砟肩堆高、道床肩宽和道床边坡坡度对米轨铁路钢枕道床横向阻力的影响.研究结论:(1)轨枕横向移动2 mm时米轨钢枕道...     

不同刚度的32m简支箱梁动力性能试验分析

研究目的:为研究不同刚度的高速铁路32 m简支箱梁在动车组列车作用下的工作状态,本文对6个图号的简支箱梁(优化前后的250 km/h有砟轨道、250 km/h无砟轨道、350 km/h无砟轨道)的实测梁体竖向挠跨比、自振频率及动车组作用下的动力响应数据进行分析。研究结论:(1) 32 m箱梁自振频率和挠跨比实测值大于设计值,截面优化后的竖向刚度与优化前相比均有所降低;(2)在同一型号动车组作用下,箱梁振动数值大小与梁体刚度大小呈反比;(3)设计速度250 km/h无砟轨道箱梁横向和竖向振动实测值最大,350 km/h无砟轨道箱梁刚度大于250 km/h有砟轨道箱梁但竖向动力响应数值相当,无砟轨道箱梁振动数值大于有砟轨道;(4)同一图号的32 m简支箱梁,当动车组轴重增大、桥上线路不平顺时,桥梁竖向动力响应与线路平顺状态时相比明显增大,会发生超过通常值的现象;(5)本文研究可为桥梁车桥耦合仿真计算、设计优化、运营性能评估提供参考。     

高速铁路封闭式声屏障的风压荷载试验研究

针对高速铁路封闭式声屏障在列车风与横风作用下的风压荷载问题,采用中南大学自主研发的横风-移动列车风洞试验系统,研究横风和列车风作用下声屏障的风压荷载分布.研究结果表明:圆形断面封闭式声屏障外壁风压系数分布沿环向先减小后增大,与单圆柱的风压分布大致相似,给定风速下最大负风压系数-3.38;单车通过声屏障时脉动风压幅值与车速平方近似成正比,同一截面风压沿环向非均匀分布,近侧的压力峰值高于远侧,最大相差16％;2车交会时,交会区域风压峰值明显增大且极值风压出现在交会截面,其值约为单车通过时极值风压的2倍.     

重载铁路隧道内无砟轨道动力响应

研究目的:采用少维修的无砟轨道结构是重载铁路长大隧道地段的必然选择,本文通过建立车辆-轨道耦合动力学模型,对不同车速、不同轴重、不同轨道结构、不同过渡形式下的系统动力响应进行对比,以确定出最佳轨道类型和过渡段类型,进而为无砟轨道在重载铁路隧道中的设计提供理论依据。研究结论:(1)车速增加对轨下结构的振动加速度影响较大;(2)随着轴重增加,除轮重减载率以外,其他各项指标均随轴重的增加而增大,且增幅较大;(3)长枕套靴式无砟轨道道床垂向应力较小,但脱轨系数大,道床垂向位移较大;双块式无砟轨道钢轨垂向位移小,但道床垂向应力、钢轨垂向力均较大;弹性支承块式无砟轨道脱轨系数和轮重减载率较小,道床垂向应力适中,利于重载铁路环境下铺设使用;(4)将有砟与无砟过渡段设置在路基上时,车辆运行的安全性指标控制得较好,并且因冲击而产生的钢轨加速度明显减小,且扣件的支反力也明显减小;(5)本研究成果对开展重载铁路无砟轨道结构设计具有参考价值。     

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。     

列车振动条件下古建筑群结构动力响应分析

为研究地铁列车振动对上方古建筑的影响规律,基于西安地铁4号线下穿和平门区段,建立不同行车速度组合工况有限元振动分析模型,用来分析和平门古建筑群的振动响应规律。并进行中国古建筑结构允许振动速度评价标准的比选、推导和确定,由结果可知:地铁单向或对向通过城墙时,不同车速对峰值位移几乎没有影响。城墙的峰值速度、加速度随着车速的增大而增大,在车速为80 km/h时达到最大。桥体在两种运行模式下的峰值位移、速度、加速度变化趋势与城墙相同,但最终值较大。综合比较,列车80 km/h对向行驶为最不利情况,此时城墙和桥体的速度、加速度分别为0.160,0.667 mm/s和0.679,2.998 mm/s~2。护城河桥的振动以竖直方向为主,而城墙在列车运营时主要呈水平方向振动。桥体的水平振动速度略大于城墙,且两者均小于容许水平振动速度,因此该地铁运营过程中可保证古建筑运营安全。     

地震作用下高速铁路列车走行性三项指标分析

研究目的:为了研究地震作用下列车运行的安全性,利用多体动力学原理建立动力平衡方程,将地震激励与轨道不平顺激励视为车辆的外荷载,采用MATLAB编程分别计算不同地震作用下地震峰值加速度一定时,列车走行性三项指标(轮重减载率、脱轨系数、横向力)随车速的变化规律,车速一定时地震峰值加速度对三项指标的影响,并比较不同地震动对各项指标的影响程度。研究结论:(1)将地震动调幅至0. 1g,不同地震动作用下轮重减载率在车速大于250 km/h均超过规定限值;(2)控制车速为100 km/h,在CHY004波作用下地震峰值加速度的增大均使得三项指标突增;(3)不同地震动作用对三项指标的影响有较大差异,车速为300 km/h时,横向力在调幅0. 2g的CHY004波作用下是TAFT波的4. 89倍;(4)本研究成果可为地震作用下的高速列车走行安全提供一定参考。