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。     

高速列车作用下场地振动的分析方法及特性研究

基于车辆动力学和有限元-无限元结合方法 ,建立高速列车-无砟轨道-路基-场地土动力相互作用三维数值分析模型,提出一种研究高速列车引起周围场地振动的分析方法,计算列车荷载作用下周边地基土的动应力和动位移,与既有文献中的结果对比验证本文方法,分析地基土性状对高速铁路场地振动的影响。该模型利用ABAQUS软件,同时结合FORTRAN、MATLAB程序模拟高速列车在钢轨上的实时运行,考虑轨道不平顺,将无限元作为地基土的边界,与模拟地基土实体的有限单元进行耦合,较好解决了振动波在模型边界的反射问题,为列车、轨道、路基系统动力学和轨道交通环境振动分析提供了新的研究思路和计算方法。     

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。     

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.     

不同轨道状态对轮轨附加动荷载影响

根据随机振动基本理论，建立了轮轨相互作用模型，分析列车速度提高后，轨道不平顺谱、轨道刚度等参数对轮轨附加动荷载的影响，本文主要对不同轨道状态下的轮轨附加动荷载进行了研究，研究结果认为，采用合理的轨道结构，减小轨道的不平顺，可以明显降低轮轨附加动荷载，是减少由于列车速度提高后轮轨动力作用的有效措施。     

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.     

青藏铁路多年冻土区路基结构的动力分析

研究目的:本文对青藏铁路冻土路基在列车荷载下的结构动力进行了分析研究,为多年冻土区路基工程设计和铁路运营安全分析提供了依据。研究方法:以青藏铁路清水河多年冻土区试验段路基结构为工程背景,利用列车——轨道二维动力模型得到的道床底部列车荷载激励曲线,对冻土路基结构进行有限元时程反应分析,探讨冻融状态下路基的列车振动荷载效应。研究结论:无论是暖季融化还是寒季冻结状态,列车振动荷载产生的土体压应力都大大高于静荷载,车速对土体动应力反应有明显影响;冻结状态下,路基中下部土体的动力反应较大,而暖季融化时路基顶部土体对动应力有较显著的放大作用,因此,在工程设计和运营养护时应有针对性地对结构进行加强。     

200km/h提速线路轨道不平顺对车辆横向振动影响分析

轨道不平顺是列车振动的主要激扰源,其状态直接关系到列车运行的平稳性、安全性和舒适性,也是限制列车最高运行速度的主要因素之一。本文基于轨检车现场实测数据,对我国提速线路轨道不平顺、列车振动加速度进行了统计分析及相关分析,并探讨了线路轨道不平顺对列车横向动力特性的影响。结果表明:提速线路轨道不平顺幅值服从正态分布;轨向不平顺对列车横向振动有显著影响;当列车以200 km/h的速度运行时,为了避免列车在不平顺激励下产生共振,应该对40 m波长的轨道不平顺进行控制。     

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。     

重载车桥耦合作用下48 m钢桁梁桥动力性能

研究目的:随着社会经济发展和人们需求的提高,铁路货运能力亟待进一步提高,在既有铁路网基础上加大铁路列车轴重是有效提高铁路运能的主要途径之一。列车轴重增大后车桥振动效应将增加,既有铁路网中的钢桥能否适应铁路轴重的提高成为列车轴重能否增加的关键问题。本文为分析重载列车作用下钢桥动力性能,选取既有线中常用跨度48 m钢桁梁桥为研究对象,通过轮对与轨道接触处的力与位移相互关系建立空间重载铁路车-桥系统耦合振动分析模型,在与实测结果对比基础上,对影响重载铁路钢桁梁桥动力性能的轨道不平顺、列车轴重和列车速度等因素进行系统分析。研究结论:(1)轨道不平顺功率谱、列车轴重和列车速度均对重载列车作用下的钢桁梁桥的动力性能有着重要影响;(2)美国六级轨道不平顺与桥上实际线路不平顺更加接近;(3)重载铁路运输中27 t轴重列车通过48 m钢桁梁桥时建议对列车运行速度进行限制。     

金山铁路既有线提速路基动力响应分析

基于无限元人工边界和基床—路堤—场地子结构系统,建立上海金山铁路既有线有限元模型,根据实测路基响应特征构造基床顶面动荷载,模拟列车以现行速度通过路基产生的动荷载,分析列车在现行速度43km· h-1和目标速度160 km· h-1范围内变化时,普通路基在动荷载作用下的动力响应规律.研究发现:如果既有线路基床不改造,列车速度从43km· h-1提高至160km· h-1时,基床顶面动应力峰值将增大17％左右;路基面动应力沿基面以下深度方向呈指数形态衰减;与现行速度条件下基床顶面以下6.2m的影响深度相比,提速后影响深度增加了1.2m.     

既有线提速路基动应力分析

通过对既有线提速区段路基的调研和试验,得出结论,动应力与轴重、速度及线路平顺性有关。列车提速时,轴重增加和轨道不平顺对路基动应力影响最大。路基面动应力在横向呈马鞍分布,动应力沿深度方向衰减较快。采用当量折算和Boussinesq公式推算出的提速后路基动应力与实测值接近。在既有线提速改造中,重点应消除路基病害,提高基床特别是基床表层的强度和稳定性。     

高速铁路路基结构时变系统耦合动力分析

在车辆的走行过程中,上部与下部是相互作用和影响的,因此,轨道交通问题实际上就是线路上下部结构和车辆系统的体系匹配问题。本文针对列车走行的实际情况,将轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立了包含车辆、钢轨、轨枕、道床和路基作为一体的二系垂向耦合动力分析模型。作为模型的验证,结合京秦线提速改造工程进行了列车-路基动力仿真计算,得出在不同行车速度条件下,机车车辆通过路基段加固前后状态下的车体加速度、动轮载、轮重减载率及道床和路基主要动力性能指标,并与实车试验进行对比。试验测试结果验证了理论模型和分析方法的有效性,为高速铁路路基的动力特性分析和设计提供一些参考。     

重载铁路桥上无砟轨道动力学选型研究

为给孟加拉帕德玛大桥铁路连接线桥上无砟轨道结构选型提供依据,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立重载货车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析不同轴重货车通过桥上不同类型无砟轨道时的动力响应。结果表明:随着列车轴重的增大,桥上无砟轨道部件的动力响应明显增大;从降低轨道结构位移的角度考虑,优先选取现浇板式无砟轨道和单层长枕埋入式无砟轨道等单层无砟轨道结构;从降低轨道与桥梁的接触应力及桥梁振动加速度的角度考虑,应优先选取单元板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道等双层无砟轨道结构。重载铁路桥上无砟轨道选型应综合考虑桥上无砟轨道的动力特性、线路特点及其与相关专业的接口等因素综合确定,相关成果可为重载铁路桥上无砟轨道选型提供参考。     

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。     

武广高铁红黏土路堑基床动响应现场测试与分析

研究目的:路基基床承受列车和轨道荷载,必须具有足够的强度和稳定性.随着列车速度不断提高,对路堑基床在高速列车动载作用下的力学响应进行现场测试分析,对于正确的进行高速铁路路基设计具有重要的指导意义.研究结论:通过动响应现场实测,研究了时速300～350 km的机车通过武广高铁红黏土路堑基床时的动响应规律.分析了不同方向列车行驶条件下,振动速度、振动加速度、动应变、动应力沿基床横向、深度方向的分布规律.分析表明:竖向测试断面上振动速度、振动加速度、动应变、动应力等动响应参数均随深度增大而衰减;横向测试断面上,右线车作用下基床动响应近似呈倒“V”字形变化,左线车作用下随水平距离的增大而减小.与有砟轨道基床动响应测试成果对比表明:同等条件下,无砟轨道基床动响应小于有砟轨道,且无砟轨道下动响应衰减速率慢,影响深度大,因此建议高速铁路无砟轨道基床厚度取5.0m左右.研究结果对其它高速铁路的建设有重要的借鉴作用.     

高速铁路无砟轨道路基填料动力试验荷载分析

为获得高速铁路无砟轨道路基填料的动力试验参数,建立无砟轨道-路基系统三维有限元数值模型,模拟8辆编组的动车运行过程,结合实测数据分析轨道不平顺、列车速度、轴重、深度等因素对竖向动应力的影响。结果表明:路基动应力的一次加卸载过程,由同一转向架的两对轮载或相邻转向架的两对轮载共同完成;车速对动应力幅值影响较小,但引起路基承受荷载的作用频率呈线性增大;列车车轴重每增加10 kN,路基表面的动应力增加约0.97 kPa;无砟轨道路基承受荷载的作用频率为车长频率的1~4倍,且轨道不平顺没有改变荷载主频。依据动应力时程曲线特征及其频谱特征,采用全压正弦函数建立路基填料动力试验荷载表达式,加载频率可取车长频率的1~3倍。     

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。