桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力特性的影响

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统的动力学特性具有重要的影响,直接关系到桥上列车的行车安全性和运行平稳性。基于列车—轨道—桥梁动力相互作用理论,以高速铁路常用的简支箱梁桥和双块式无砟轨道为研究对象,采用列车—轨道—桥梁动力学仿真通用软件TTBSIM2.0,研究桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力性能的影响规律。结果表明:当桥梁梁体的刚度或者桥墩的横向刚度不足时,车辆和桥梁的相关动力性能指标将随着刚度的减少而急剧增大,严重影响列车过桥时的安全性和平稳性;当梁体垂向刚度不足时,有可能会引发车桥共振现象;当桥梁结构刚度满足设计规范要求时,车桥系统动力响应指标随刚度变化不明显,此时行车速度和轨道不平顺成为影响行车安全性和平稳性的主要因素。     

轨道过渡段刚度突变对轨道振动的影响

建立轨道过渡段基础刚度突变的轨道振动微分方程,推导单轮作用下轨道变形的解析表达式。利用该解析解和叠加原理,研究轨道刚度突变对轨道振动的影响,分析单轮对和TGV高速列车在3种轨道刚度比时的轨道动力响应。结果表明,轨道刚度突变对轨道振动影响较大,轨道动力响应随着刚度比和列车速度的增加而增加。在理论分析基础上,提出轨道过渡段整治原则:过渡段宜采用分层(3~4层)强化基础刚度的措施;列车在过渡段运行时应满足所引起的动力系数小于或等于1.2及过渡段各层之间的刚度比在0.5~1之间;过渡段每层平缓距离,当列车速度小于或等于160 km.h-1时,取5 m,当列车速度大于160 km.h-1时,取10 m。     

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.     

高速列车—轨道垂向耦合动力学的研究

探讨高速列车在轨道结构上运行时的垂向耦合振动问题是列车－轨道耦合动力学更深入的理论研究。本文建立了铰接式高速列车－轨道垂向耦合动力学模型及方程，运用新型快速数值积分方法编制了这一大型系统的动力学仿真程序，对铰接式高速列车垂向动力学性能，特别是车辆与车辆之间的耦合振动以及车辆与轨道之间的动力作用进行了系统仿真分析，并与非铰接式高速列车进行了比较。结果表明，铰接式高速列车具有优良的垂向动力性能。     

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。     

轨道刚度对车辆-轨道系统频率响应的影响

研究目的:目前,轨道刚度变化对车辆-轨道耦合系统频率响应的影响规律尚不明确,本文基于车辆-轨道耦合动力学理论,以既有提速线路为例,从频率角度,研究轨道刚度变化对车辆-轨道耦合系统振动响应的影响。研究结论:(1)轨道刚度的变化,对车体、转向架的振动影响较小,对轮对及轨道结构的振动影响较大;轨道刚度的增大,对27 Hz以下的低频振动基本无影响,27~70 Hz之间的中低频振动略有降低,100 Hz以上的中高频振动显著增大;(2)随扣件刚度的增大,轮轨力谱以及轮对、钢轨振动加速度谱的最大值均显著增大,且振动频率有向高频发展的趋势;(3)随道床刚度的增大,频率响应谱的最大值变化相对较小,轮轨力、轮对、钢轨和轨枕的振动频率向高频移动;(4)总体上看,扣件刚度对耦合系统振动响应的影响较大,在线路维修时应及时更换恶化的扣件系统,道床刚度变化的影响相对较小,其维修周期可适当延长;(5)该研究可指导轨道结构的优化设计以及轨道的养护维修。     

有砟轨道动刚度特性研究

为充分了解轨道动力特性,对有砟轨道动刚度展开研究。通过建立有砟轨道力学模型,分析0~2 000 Hz范围内轨道动刚度的振动特性,得出:轨道动刚度相对于轨道静刚度是随激振频率变化的,轨道动刚度在低频段受激振频率变化影响较小,在中、高频段内轨道动刚度振动幅值随激振频率变化而变化,是系统的固有特性,需通过对构件刚度、阻尼等参数调节。阻尼系数对轨道动刚度的幅值有影响,但不改变轨道的共振频率。质量阻尼系数对轨道动刚度波动范围及幅值的影响小于刚度阻尼系数的影响。阻尼系数增大,轨道动刚度波动幅值增大。     

车辆、轨道参数对列车—轨道系统振动响应的影响分析

应用列车－轨道时变系统振动能量随机分析理论，研究了准高速车辆、轨道参数对列车－轨道系统振动响应的影响规律，得出了一些较佳的参数选取范围。     

列车通过轨道不平顺和刚度突变时对轨道振动的影响

通过建立轨道振动微分方程,推导了单轮作用下考虑轨道不平顺和轨道基础刚度突变的轨道变形解析表达式。利用该解析解和叠加原理,研究了轨道不平顺和轨道刚度突变对轨道振动的影响,分析了单轮对和TGV高速动车通过不同的轨道不平顺和4种轨道刚度比时的轨道动力响应。计算表明,轨道不平顺和轨道刚度突变对轨道振动有较大影响,其影响随着轨道不平顺振幅、刚度比和列车速度的增加而增加。     

武九扩能改造工程轨道结构竖向振动分析

本文利用有限元法，建立了车辆-轨道耦合系统竖向振动分析模型。利用该模型对列车经过错牙和折角时轨道结构的动力响应进行了分析，为既有线提速时轨道结构设计提供依据。     

有砟轨道与无砟轨道动刚度特性差异研究

轨道动刚度是不同激振频率的荷载作用下,轨道抵抗变形的能力,由于有砟轨道与无砟轨道两种轨道的组成差异造成两者间存在较大动刚度差异。随着行车速度的提高、中高频段激振荷载的增加,有砟轨道与无砟轨道间的动刚度差异逐渐增大,这对于行车平顺性与结构耐久性会造成较大影响,但目前缺乏轨道动刚度的相关研究。为研究有砟轨道与无砟轨道间的动刚度差异,根据两种轨道的结构特点,建立相应的ANSYS有限元模型,通过对比分析,得出两种轨道的轨道动刚度在中低频段存在较大差异,轨下动刚度在全频段存在较大差异。为保证有砟-无砟轨道过渡段的行车平稳性与结构耐久性,需要考虑两种轨道间的动刚度过渡设计。此外,轨道动刚度特性分析可以指导高速铁路高低不平顺控制,从而保证行车平顺性。     

浮置板式轨道结构隔振效果仿真研究

建立列车—轨道结构耦合系统有限元模型,将轨道不平顺作为列车—轨道结构耦合系统的激励源,对普通碎石道床轨道结构和浮置板式轨道结构的列车—轨道结构耦合系统动力学性能进行仿真研究,对比分析这2种类型的轨道结构系统振动响应与系统振动传递函数,评价浮置板式轨道结构的隔振效果。分析结果表明,浮置板式轨道结构与普通碎石道床轨道结构相比,振动加速度降低约70%,距线路5 m处大地振动加速度响应峰值降低约62.8%,相应Z振级衰减约10 dB,竖向振动加速度频率范围由0~200 Hz降到0~60 Hz,有效起到了振动隔离效果。     

悬挂式单轨车桥耦合动力分析

为研究悬挂式单轨运营过程中桥梁和车辆的动力响应变化规律,以某悬挂式单轨双线7跨30m简支梁方案为工程背景,运用通用有限元软件ANSYS建立桥梁有限元模型,分析桥梁的动力特性;然后在多体动力学软件SIMPACK中建立车桥耦合动力学模型,研究双线列车以运营速度对开通过桥梁时桥梁和车辆的动力响应,并分析轮胎刚度和列车编组对桥梁和列车动力性能的影响。分析结果表明:双线列车以65km/h的速度对开通过桥梁时,桥梁跨中的整体横向位移响应最大值为19.03mm,表明桥墩横向刚度较小;轮胎刚度对车桥系统的加速度响应有显著影响;3辆车编组过桥时,桥梁的竖向和横向响应值明显比1辆车编组大,因此,在车桥耦合动力仿真分析时,必须考虑列车编组对车桥系统动力响应的影响。     

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。     

基于车轨耦合的弹性地基梁板模型及算法

板式无砟轨道具有变形小、稳定性好的优点,在我国铁路客运专线上应用广泛。国内外学者在建立车辆、轨道以及车辆-轨道耦合系统模型及算法方面已做了许多工作。然而,已有的模型与实际情况尚有差异,有待进一步完善。根据板式无砟轨道的结构特点,采用板单元模拟轨下结构,建立了车辆-板式轨道耦合系统动力分析模型及算法,推导了板式轨道模型单元的刚度、质量以及阻尼矩阵;考虑轮轨非线性接触行为,引入交叉迭代法求解车辆-轨道耦合系统动力学方程;仿真分析了线路随机不平顺工况下,CRH3型动车通过CRTSⅡ型板式无砟轨道时,车辆和轨道结构的动力响应。该模型与算法比已有模型更接近实际,计算结果更准确可靠。     

线路道岔轨下刚度改变对轮轨动力性能影响研究

运用车辆-轨道耦合动力学理论,通过建立轨道道岔垂向几何及刚度不平顺激扰车辆模型,模拟计算了列车与道岔线路的相互作用。详细比较了在不同速度下,道岔轨下弹性改变前后列车对道岔的动力作用性能,并进行了试验验证。结果表明:道岔轨下增加弹性以后可大大减轻列车通过道岔时轮/轨垂向相互作用,有效地改善道岔线路和车辆的动力性能,提高设备的安全和使用寿命。     

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。     

车辆—轨道系统高中低频动力学模型的理论特征及其应用范围的研究

针对铁路在提速和高速发展中碰到的车辆—轨道系统的结构磨损加剧、关键部件疲劳破坏和噪声等问题,提出必须进行车辆—轨道系统高中低频范围的动力学模型研究。根据激扰的差异及其波长范围,针对车辆—轨道系统动力学在低频、中频和高频3个范围内存在问题的性质,建立符合研究要求的车辆模型、轨道模型和轮轨接触模型,并采用合理的数学方法求解。认为以车辆—轨道系统的频率特征为基础,进行完整的车辆—轨道系统动力学研究,可以有效研究车辆—轨道系统的短时动力学和长期行为之间的关系。