路基冻胀区双块式无砟轨道动力特性研究

纵连式无砟轨道在路基冻胀区域极易产生轨道结构断裂破坏及结构层离缝等病害。为研究纵连式无砟轨道在路基冻胀状态下的损伤机理,文章建立车辆-轨道-路基冻胀一体化动力学分析模型,对路基冻胀状态下轮轨动力响应特征、轨道结构动力响应特征及影响因素进行分析。结果表明:路基冻胀波长为10 m时,双块式无砟轨道各动力特征达到最大值;冻胀波长大于20 m时,各动力特征逐渐趋于稳定;列车荷载在层间离缝位置处使得轨道结构反弯,轨道结构层顶部纵向拉应力增大;20 m以下冻胀波时,拉应力超过或接近设计强度值;无砟轨道各动力响应特征最大值随冻胀幅值的增加显著增大,季冻区施工及运营期间应控制冻胀幅值增加。     

路基冻胀对CRTSⅢ型板式轨道变形的影响研究

研究目的:严寒地区高速铁路路基冻胀变形时常出现,局部冻胀变形不仅影响无砟轨道的平顺性,还可能导致层间离缝发生。为此,本文建立CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基系统有限元模型,以分析不同路基冻胀波长和路基冻胀幅值下轨道结构的变形特征。研究结论:(1)路基冻胀作用下轨道结构各层的上拱变形与路基冻胀波形基本一致,轨道结构各层的变形受路基冻胀位置影响较大;(2)轨道结构各层的变形、轨道结构层间离缝以及轨道结构各层的上拱波长均随路基冻胀幅值的增大而增大,且底座板与路基表层的离缝远大于自密实混凝土与底座板间的离缝;(3)随着冻胀波长的增加,轨道结构各层的位移、轨道结构层间离缝随之减小,但轨道结构各层的上拱波长逐渐增大;(4)冻胀波长增大对轨道结构变形和减小层间离缝有利,路基冻胀幅值限值应根据冻胀波长来确定;(5)本研究成果可为路基冻胀变形控制提供参考。     

基于高速铁路路基冻胀的无砟轨道受力特征

研究目的:季冻区高速铁路路基冻胀变形较为普遍,局部冻胀变形会给无砟轨道受力带来较大影响,甚至有可能带来结构层开裂。为此,本文建立高速铁路无砟轨道-路基冻胀耦合计算模型,以路基冻胀变形曲线作为冻胀变形的输入条件,分析路基冻胀变形波长和幅值对不同类型无砟轨道结构受力的影响,同时对CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板凹槽限位优化为凸台限位方案以及下部设置沥青混凝土封闭层的影响进行分析。研究结论:(1)路基冻胀变形幅值越大,冻胀波长越小,无砟轨道结构层应力均越大;(2)双块式无砟轨道在路基冻胀下道床板和支承层应力较大,易产生开裂,不宜应用于季冻区;(3)底座板限位凹槽是CRTSⅢ型板式无砟轨道在基础冻胀变形下的受力薄弱环节,将其优化为凸台后,能够较大程度降低结构在基础变形下受力;(4)在CRTSⅢ型板式无砟轨道底座板下设置沥青混凝土层时,轨道板及底座板应力均有降低趋势,沥青混凝土层弹模越低,应力降低幅度越大;(5)本研究结论可为基础冻胀变形控制标准的制定和季冻区高速铁路无砟轨道的选型提供参考。     

路基阴阳坡冻胀对过渡段无砟轨道受力与变形的影响

铁路路基冻胀受阳光照射角度影响,存在冻胀幅值在线路横向分布不均匀现象,即阴阳坡效应。为研究路基阴阳坡冻胀对路桥过渡段无砟轨道受力与变形的影响,建立无砟轨道-路桥过渡段空间耦合模型,分析路桥过渡段阴阳坡效应比、冻胀幅值、冻胀波长与列车荷载等多种因素下轨道结构受力、层间离缝与钢轨不平顺等特征。研究结果表明：路基冻胀的阴阳坡效应对底座板应力分布及轨道几何不平顺影响较大。阴阳坡效应比从0增至1的过程中,底座板阴坡的应力增幅可达18.6%,钢轨垂向变形量相差可达1.94 mm;冻胀波长10 m,冻胀幅值从5 mm增至10、20 mm时,离缝量增幅可达2.26倍与1.87倍;冻胀幅值10 mm,冻胀波长从10 m增至20 m时,底座板应力减小73.37%,离缝量减小81.66%;路基冻胀导致车辆动力响应大幅增加,路基冻胀的阴阳坡效应导致车辆横向动力指标增大。     

高速铁路路基不均匀冻胀变形对轮轨系统的动力影响研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,开展高速铁路无砟轨道路基不均匀冻胀变形对高速轮轨系统的动力学影响研究,分析不同程度的路基不均匀冻胀变形对高速车辆-轨道耦合系统振动响应的影响规律。研究结果表明:路基的不均匀冻胀变形会加剧轮轨动态相互作用,对行车安全性和乘车舒适性产生不良影响,同时易引起较强的轨道结构振动,进而影响轨道结构的长期服役性能;随着路基不均匀冻胀变形波长的减小和冻胀变形幅值的增大,高速车辆-轨道耦合系统的垂向振动动力学指标均出现增大趋势,研究发现应重点关注波长20 m以内的路基不均匀冻胀变形及其幅值的增大;对于路基不均匀冻胀变形较严重地段,可通过适当降低车辆的运行速度,以有效降低轮轨系统的动态相互作用,从而减小路基不均匀冻胀变形对高速行车安全性的影响,但是,限速措施对于改善高速乘车舒适性的效果并不明显。     

路基冻胀-融化-沉降循环作用下高速铁路板式无砟轨道伤损演化与变形分析

为研究路基冻胀-融化-沉降循环作用下,无砟轨道结构的伤损演化规律和变形特性,基于有限单元法及混凝土塑性损伤模型,建立路基上单元板式无砟轨道静力分析模型。计算结果表明:(1)小波长条件下,底座板在冻胀过程中易在幅值两侧对应第一块轨道板的板端萌生损伤,但随波长的增加,轨道结构塑性损伤得以缓解;(2)路基冻胀-融化-沉降循环作用引起轨道不平顺,其幅值呈增加-减小-反向增加的变化趋势,但波长较小时,反向增加的幅度极小;(3)路基回落过程中,轨道结构存在部分残余变形;(4)底座板与基床表层间的离缝呈张开-闭合-张开的循环性变化规律,离缝宽度随路基变形幅值的增大而增大;(5)路基变形波长对离缝宽度及纵向分布有极大影响。     

高速铁路路基不均匀沉降对CRTS Ⅲ板式轨道受力变形的影响

应用有限元方法建立土质路基上CRTS III型板式无砟轨道系统空间耦合模型,研究路基不均匀沉降作用下板式轨道的受力和变形特性,以及路基发生不均匀沉降时底座板和路基表层之间接触应力和脱空区域的变化规律。结果表明:路基发生不均匀沉降时,无砟轨道结构在重力作用下会发生跟随性变形;轨道板、自密实混凝土和底座板在路基沉降作用下的应力受路基沉降波长和幅值的综合影响,路基沉降幅值越大,轨道各层受力越大,波长为20~30 m的路基沉降对轨道应力的影响较大;底座板和路基表层间的接触应力和脱空区域随着路基沉降幅值的增大而增大,随着路基沉降波长的增大出现先增大后减小的变化趋势。由此可见,路基不均匀沉降会对轨道结构的受力和变形产生明显影响,严重时会造成轨道脱空,对行车安全舒适性产生较大影响,应加以严格控制。     

基于动力分析的CRTSⅢ板式无砟轨道路基冻胀控制标准研究

哈大高速铁路的冬季运营经验表明,严寒地区高速铁路路基冻胀问题比较普遍。路基冻胀引起的轨道静、动态不平顺影响高速列车运行平稳性,有必要制定高速铁路路基冻胀控制标准。本文应用有限元方法建立车辆-轨道-路基冻胀分析模型,分析路基冻胀作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道变形规律及车辆-轨道结构的动力响应特征。计算结果表明:冻胀主要影响列车垂向动力学性能;随着冻胀量的增加,车辆运营平稳性明显下降,其中波长较短冻胀的影响更剧烈;当冻胀达到10m波长、15mm冻胀量时,底座板动态拉应力超出其抗拉强度。基于动力学分析结果绘制冻胀控制标准临界曲线,对路基不均匀冻胀进行划分。     

高频荷载作用下无砟轨道裂纹内动水压特性试验

研究无砟轨道以裂纹为主要形式的伤损问题时,水对裂纹扩展有重要影响。为明确裂纹内部水压力的分布规律及压力大小的影响因素,浇筑带水平裂纹的无砟轨道试件,考虑万能伺服液压机疲劳加载与水耦合作用条件,采用高灵敏度传感器测量水压,试验研究了裂纹不同位置压力变化规律和加载频率、荷载幅值对水压力的影响。试验表明,裂纹内部水压力随荷载幅值而正负交替变化,随着裂纹深度的增加,水压力增大;当加载幅值不变时,水压力随加载频率增加而增大;当加载频率不变时,水压力随着荷载幅值的增加而增大,荷载幅值和频率的影响可拟合为一个多项式关系。     

城市轨道交通路基沉降与无砟轨道轨面不平顺映射关系

路基沉降会影响轨面不平顺,为了分析路基沉降与无砟轨道轨面不平顺间的映射关系,基于温克尔弹性地基耦合梁理论和有限元方法,建立考虑层间接触非线性整体道床轨道梁-体空间有限元模型,对轨道自重荷载和设计列车动荷载作用下轨面不平顺与路基沉降间映射关系展开研究,并在此基础上,提出城市轨道交通无砟轨道线路路基不均匀沉降的安全限值。分析结果表明:路基发生不均匀沉降时,无砟轨道结构在自重荷载和列车动荷载作用下发生跟随性沉降变形,且各层沉降幅值从上到下依次增大;路基沉降幅值越大轨面不平顺越明显,20 m沉降波长条件下,沉降幅值超过25 mm时轨道结构与路基间易形成脱空;轨面不平顺对路基沉降波长也极为敏感,20 mm沉降幅值条件下,当沉降波长超过25 m时路基与轨道结构间脱空现象明显缓解,此时轨面不平顺基本可与路基变形保持一致。     

轨面不平顺对高架支承块轨道结构振动特性影响试验研究

针对轨面不平顺对高架支承块轨道结构振动特性的影响进行现场试验,分别从时域和频域对比分析不同轨面不平顺状态下轨道结构的振动响应,重点考虑10～1 000 Hz频率范围内的振动.分析结果表明:轮轨冲击力和轨道结构振动加速度幅值随轨面不平顺幅值的增加而增大,同时也受到轨面不平顺类型和波长分布的影响;轨面不平顺引起的钢轨振动频率主要分布在50～1 000 Hz的范围内,承轨台、桥面板垂向振动频率分布在40～200 Hz的范围内,轨面不平顺的波长分布是影响轨道结构振动频率分布特性的主要因素之一;降低谐波型轨面不平顺幅值0.2mm,可以减小钢轨垂向振动水平14.1dB.建议将轨面不平顺谱加入轨道质量的评价指标中.     

温度和列车动荷载作用下双块式无砟轨道道床板损伤特性研究

采用混凝土损伤塑性模型描述双块式无砟轨道道床板的力学行为,以变温作用下道床板最大损伤状态作为初始条件、车辆—双块式轨道耦合动力分析得到的各钢轨支点压力作为轨道路基的外部激励,进行变温和列车动荷载共同作用下道床板损伤的演变规律及道床板损伤对结构受力影响的研究.结果表明:在降温过程中道床板会发生横向弯曲变形,产生损伤,导致受拉承载力下降;在升温过程中由于降温导致的道床板拉伸损伤不可恢复,所以道床板损伤值不变,最终保持在0.23左右,但刚度出现恢复现象;车辆经过已损伤的道床板时,道床板内部裂纹交替张开与闭合,刚度出现短暂的部分恢复阶段,刚度退化系数最大幅值为0.057,而道床板损伤值不变,且道床板的位移和加速度幅值、支承层与基床表面的动应力幅值均比无损伤时增大,拉应力幅值减小;损伤塑性模型能很好地反映道床板混凝土的软化及刚度退化行为.     

高铁线路轨道高低不平顺激励下的钢轨挠曲特性研究

基于我国高铁线路和典型服役车辆技术参数,建立车辆-轨道耦合动力学模型,仿真分析高铁线路轨道高低不平顺激励下的钢轨挠曲位移,通过对比模型仿真结果与钢轨挠曲解析解的方式验证耦合模型的准确性;在轨道子模型中输入我国高铁无砟轨道谱反演的轨道高低不平顺和余弦型轨道不平顺样本,研究轨道高低不平顺幅值和波长对钢轨挠曲位移影响规律;采用非线性最小二乘法和有理式方程,拟合速度350 km·h-1条件下轨道高低不平顺幅值和波长的比值与钢轨挠曲位移最大值之间的函数关系。结果表明：钢轨挠曲位移主要由前4阶谐波成分组成,基频由轨道高低不平顺波长和车辆运行速度决定;轨道高低不平顺波长大于20 m时,幅值和波长的比值与钢轨挠曲位移最大值呈反比例关系,比例系数与车辆和轨道参数有关,本文模型中比例系数的计算结果为0.151。研究成果有利于从控制钢轨挠曲位移量的角度制定轨道高低不平顺养护维修措施,为轨道波长管理提供理论依据。     

平稳性快速算法及其在高速铁道车辆动力学分析中的运用

导出了轨道车辆基于虚拟激励原理的平稳性快速算法。当车辆系统受多点全相关随机激励时,首先基于虚拟激励法导出轨道车辆响应功率谱的简易算法,然后利用所获得的功率谱和反演技术,获得系统响应的幅值谱,由此可快速获得轨道车辆的平稳性指标。运用该算法还可以方便地分析轨道谱中单一波长对车辆运行平稳性的影响,以及定义和分析对平稳性有影响的线路敏感波长范围。以某型高速客车为例,分析了其垂向和横向的响应功率谱、平稳性指标,还利用反演技术获得了加速度的时域信号和幅值谱,最后分析了轨道谱中单一波长对车辆平稳性的影响。分析表明,运行速度越高,对平稳性影响的波长范围就越宽,线路的维护难度也越大。     

轨道不平顺峰值管理与均值管理的分析

峰值管理和均值管理是评价轨道平顺状态的常用方法。为对比分析这两种方法的特点,采用傅里叶逆变换反演美国六级高低不平顺轨道谱,用反演的随机样本来分析轨道不平顺截止波长和周期不平顺对两种方法评价结果的影响。研究结果表明:轨道不平顺截止波长对均值管理和峰值管理的评价结果均影响很大,均值管理的稳定性较峰值管理好;峰值管理可以反映出周期不平顺幅值或波长对轨道不平顺的影响,均值管理只能反映周期不平顺幅值对轨道不平顺的影响,无法反映波长的影响。建议制定连续的扣分管理值,以确保峰值管理在不同截止波长下的稳定性;建议在均值管理中引入波长权重。     

基于声发射参数分析的红层泥岩高周循环加卸载损伤及变形特性

为研究不同应力上限及加载频率条件下软弱红层泥岩的损伤及变形特性,基于声发射损伤监测手段开展高周循环加卸载试验,系统分析应力上限与加载频率对红层泥岩损伤及裂纹扩展模式的影响。结果表明：当应力上限低于屈服临界动应力值时,泥岩经历先剪缩后缓慢剪胀的过程,岩样中微裂隙的发展与黏土矿物的膨胀逐渐占据主导地位;低频AE信号产生于静载阶段,而高频AE信号主要出现在循环加载阶段,且随加载频率的增大,超过300 kHz的超高频声AE信号占比逐渐增大;红层泥岩循环荷载下所产生的裂纹总体以张拉裂纹为主,但第I阶段剪切裂纹占比相对其他阶段较大,且随着动应力幅值减小或加载频率的增大,剪切裂纹所占比例减小;在裂隙自愈合效应下,泥岩中由动载引起的损伤裂隙会被逐渐修复,且随着放置时间的增加,声发射Kaiser效应逐渐减小甚至消失。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道板下离缝动力影响分析及运营评估

CRTSⅡ型板式无砟轨道在运营初期高温季节中出现区域性板下离缝现象,影响高速列车正常运营和轨道结构耐久性。本文建立考虑轨道板和CA砂浆间离缝的精细化车辆-轨道空间耦合动力学分析模型,分析离缝状态下车辆、轨道的动力学响应,研究不同离缝量、离缝范围及车辆行车速度的影响。结果表明:离缝量增加导致车辆、轨道动态响应加剧,离缝量在6~8mm以上时加剧效应明显;离缝范围在2块板下导致的轮轨垂向力及钢轨、砂浆层纵向应力更明显,轨道板纵向应力也较大,因此在养护维修时应重点关注离缝范围在2块板下的情况;离缝区域临时限速是保证列车运营安全、降低轨道结构应力的有效手段,本文提出的限速建议值可为离缝区域限速运营提供参考。     

CA砂浆层破坏对无砟轨道结构受力特性影响

CA砂浆层掉块破坏是无砟轨道结构运营过程中最突出的病害之一,其破坏程度对无砟轨道结构运营的安全性与适用性具有重要影响。通过采用修正Burgers模型转换Prony级数表征CA砂浆的黏弹性,建立CRTSⅠ型板式无砟轨道结构三维有限元模型,通过模拟CA砂浆层在板端和板中不同区域薄层掉块,研究车轮荷载作用下不同掉块位置、不同掉块大小对无砟轨道结构动力特性和结构位移的影响,分析掉块处轨道结构损伤演变规律和趋势,给出破坏界限建议值,为无砟轨道结构的养护维修提供理论依据和指导。研究结果表明：无论板端还是板中掉块,CA砂浆层破坏造成轨道板垂向加速度、垂向位移和纵向拉应力增幅明显,CA砂浆层掉块边缘位置的压应力急剧增大,而底座板垂向位移及受力逐渐减小;车轮荷载作用下,CA砂浆层板端薄层掉块达到0.912 5 m,板中掉块达到1.25 m时,轨道板的垂向振动和CA砂浆的压应力将会显著增大,应及时对轨道结构进行检修,避免轨道结构破坏快速扩展。     

普速铁路轨道三角坑管理标准探讨

基于25K型普速客车,运用多体动力学软件建立车辆-轨道耦合动力学模型,分析直线段、缓和曲线段存在不同基长和幅值的三角坑时,不同车速下列车运行时的安全性和舒适性,得到三角坑基长、幅值和车辆动力响应的关系,并根据既定的车辆动力响应评价标准,研究普速铁路三角坑管理标准。研究结果表明:相同基长下,幅值越大车辆动力响应越大;但相同幅值下,不同基长的三角坑对车辆动力响应的影响并不一致,三角坑基长较短时三角坑变化率限值均由轮重减载率控制,基长较长时三角坑变化率限值则由脱轨系数或轮重减载率控制。最后给出了我国普速铁路不同速度等级下三角坑管理标准建议值。     

128m大跨度铁路应急钢桁梁极限荷载

利用ANSYS软件建立128 m跨铁路应急钢桁梁的非线性有限元模型,研究不同杆件损伤位置、不同损伤长度和不同损伤形式等不同损伤状态下钢桁梁的极限荷载。结果表明:非损伤状态下,钢桁梁因构件屈服发生大变形而失稳破坏,极限荷载系数为2.231,能够保证安全运营;损伤位置对结构极限荷载影响明显,损伤位置越靠近跨中,影响越大;跨中为杆件损伤最不利位置,损伤程度较大时,结构将因杆件局部应力过大而发生强度破坏;随着损伤长度增加,极限荷载呈现先迅速下降、后小幅上升并逐渐趋于稳定的变化趋势,损伤程度越大,损伤长度对极限荷载的影响越明显;损伤形式对极限荷载影响差异较大,杆件的截面损伤和材料屈服强度退化对极限荷载影响显著,而杆件的材料刚度退化的影响可基本忽略。