某线框架板式轨道CA砂浆伤损动力试验研究

为进一步明确无砟轨道部件伤损对轨道结构受力和行车安全的影响,需要对典型病害类型展开现场动力学试验。本次现场试验主要针对框架板式轨道CA砂浆伤损进行动力测试试验,从而分析CA砂浆伤损(碎裂、掉块等)修复前后钢轨及轨道板的动力学响应,评估CA砂浆伤损对轨道结构受力和行车安全的影响,以及针对现场CA砂浆碎裂等病害的现有修复技术加以评估。     

温度梯度与板下脱空对列车轨道系统动力响应的影响

砂浆脱空是CRTSⅠ型板式无砟轨道典型病害之一,其与温度梯度荷载共同作用下,轮轨系统受力状态将受到较大影响。本文运用轮轨系统动力学原理和有限元法,建立列车-无砟轨道-路基系统耦合动力空间模型,计算分析温度荷载、脱空长度对车辆及轨道系统动力响应的影响。结果表明:温度梯度荷载仅对轨道结构动力响应影响较大;温度梯度荷载与板下脱空同时存在,脱空长度超过0.8m时,其对车辆及轨道系统动力响应影响较大,尤其当轨道板存在正温度梯度110℃/m、行车速度350km/h、脱空长度1.2m时,轮重减载率为1,严重威胁行车安全。建议高速铁路无砟轨道脱空长度不超过0.8m,并加强极端气候下的损伤检测。     

快修砂浆对CRTSⅡ型板式轨道结构的动力影响分析

以CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,基于轮轨系统动力学原理,建立含有快修砂浆的车辆-轨道垂向耦合动力学模型。对比列车以不同速度通过普通砂浆区域与快修砂浆区域的不同工况,旨在研究快修砂浆对轮轨系统动力性能的影响,分析快修砂浆对车辆系统动力特性、轮轨垂向力、轨道动力特性和轨道部件垂向位移的影响。研究结果表明:应用快修砂浆会引起轨道刚度局部变化,列车高速通过时会引起较大的砂浆动应力,对砂浆产生不利影响。对于允许行车速度为350 km/h的线路,建议修复后限速为200 km/h,待砂浆完全达到设计强度和力学性能时再恢复运营速度。     

砂浆脱空对纵连板式无砟轨道轮轨动力性能影响研究

采用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的"对号入座"法则建立车辆-纵连板式无砟轨道空间耦合振动模型。根据已建模型建立CA砂浆脱空的分析模型,分析CA砂浆脱空对车轨动力响应的影响,分析脱空长度以及行车速度对纵连板式无砟轨道车轨动力响应的影响。研究结果表明:砂浆脱空后,当砂浆脱空长度大于1.2m后,随着脱空长度的增大,车辆的动力响应也随着增大,当脱空长度达到1.8m时,轮重减载率达到0.98,车体加速度达到1.64m/s2,均已超过限值。砂浆脱空后,随着行车速度的增大,系统动力响应也随着增大。当脱空长度为1.8m时,车体加速度均已超过限值,所以考虑行车舒适性建议控制脱空长度不超过1.8m。     

层间离缝对车辆-CRTSⅢ板式轨道系统响应影响

研究目的:CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝不仅影响轨道的动力响应,而且危及行车安全。本文以车辆及层间离缝CRTSⅢ型板式无砟轨道系统为研究对象,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立此系统动力学模型,探讨层间离缝宽度及长度对车体加速度、轮轨力、钢轨位移及加速度、轨道板位移及加速度、底座板位移及加速度等动力响应的影响规律。研究结论:(1)当层间离缝纵向长度为1. 2 m,层间离缝宽度超过1. 5 m时,上述动力响应随层间离缝宽度的增大而增大,车体加速度、轮轨力、钢轨位移及加速度增幅不大,但轨道板位移及加速度、底座板位移及加速度增幅显著,特别是轨道板位移及加速度,较正常状态最大增幅分别为121%和81. 9%;(2)层间离缝横向贯穿后,在离缝长度小于1. 2 m时,对车轨系统动力响应影响较小;在离缝长度为1. 2 m至2. 4 m时,系统各部件动力响应明显增大,当离缝扩展至轨道结构中心位置以后,系统各部件动力学响应增大更为明显,尤其是轨道板位移和加速度,较正常状态最大增幅达到18. 87倍和10. 38倍,在离缝长度等于3. 0 m时,钢轨竖向位移达到2. 45 mm,已超过规范要求限值,所以离缝长度应控制在3 m以内;(3)在层间离缝长度为4. 8 m时,车体竖向加速度达到1. 56 m/s2,已超过规范要求限值,危及列车行车安全;(4)本研究结果可为CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝养护维修工作及行车安全提供指导。     

CRTSⅡ型板式轨道关键参数对高速车辆-轨道垂向耦合振动响应的影响

基于CRTSⅡ型板式无砟轨道关键参数对行车安全的影响,指导轨道结构的优化,利用有限元方法和轮轨系统耦合动力学原理,建立车辆-轨道-路基系统垂向耦合动力学模型,研究轨道结构关键参数对列车的振动特性和轮轨垂向作用力的影响规律。研究结果表明：轨道板厚度对行车平稳性基本无影响;当扣件刚度从20 kN/mm增加到100 kN/mm时,轮对和转向架的振动加速度分别增加43.94%和7.98%,轮轨垂向力增加29.83%;扣件阻尼从20 kN·s/m增大到100 kN·s/m时,轮对和转向架的振动加速度分别减小21.64%和7.09%,轮轨垂向力减小9.48%,车体变化不大;为保证行车的安全性和平稳性,扣件阻尼和混凝土支承层厚度应尽可能取较大值。     

温度作用下轨道板与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道的影响分析

轨道板与水泥乳化沥青砂浆离缝是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要伤损形式之一,水泥乳化沥青砂浆具有支承、缓冲、传载等作用,离缝将影响无砟轨道的变形与受力。基于弹性地基梁体理论和有限元方法,建立了路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型,分析在温度荷载和自重作用下不同离缝长度以及产生离缝后CA砂浆层参数对轨道结构的影响。结果表明:轨道板的翘曲位移及纵向应力均随着离缝长度增大而增加;当离缝长度超过1.95 m时,轨道板的翘曲变形及纵向应力都急剧增大,建议轨道板与CA砂浆层离缝长度不宜超过1.95 m。     

宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损对无砟轨道-简支梁桥结构受力性能影响

基于弹性地基梁体理论,考虑宽窄接缝与轨道板之间界面开裂与CA砂浆脱空耦合伤损,建立伤损状态下的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道-简支梁桥结构有限元模型,分析宽窄接缝与CA砂浆不同伤损型式和不同位置耦合伤损尺寸在正温度梯度荷载作用下对无砟轨道-简支梁桥结构受力及变形的影响。研究结果表明:宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损较宽窄接缝界面开裂或CA砂浆脱空单一伤损型式对结构受力与变形更为不利;当耦合伤损面积超过0.975 m×0.765 m,长度超过0.975 m或宽度超过0.51m时,轨道板拉应力超过其抗拉强度,影响结构的正常使用;随耦合伤损尺寸的增加,轨道板和CA砂浆的垂向位移均显著增大,底座板和桥梁的垂向位移呈微弱减小趋势;宽窄接缝与CA砂浆耦合伤损位于轨道板板边对结构受力和变形影响最大,耦合伤损位于板端次之,耦合伤损位于板角影响最小。     

高速铁路钢轨波磨对车辆—轨道动态响应的影响

在对高速铁路钢轨波磨现场调查、测试的基础上,根据铁道车辆—轨道耦合系统动力学理论,建立高速铁道车辆—板式无砟轨道动力学数值分析模型,采用现场测试得到的高速铁路钢轨波磨数据作为系统激励,研究不同深度的钢轨波磨对高速铁路轮轨相互作用、车辆运行稳定性的影响。结果表明:不同深度的钢轨波磨虽不会改变轮轨力波动的相位特征,但随着钢轨波磨深度的增加,轮轨垂向作用力、轮重减载率和轮对振动加速度均有明显增加,而构架和车体的振动加速度增加很小,可忽略不计;高速铁路钢轨波磨虽不影响乘坐舒适度,但会加速车辆簧下部件的伤损和破坏。     

基础沉降对土路基上板式轨道动力性能影响分析

研究目的:无砟轨道的稳定性和耐久性由线下基础决定,而土路基上无砟轨道铺设成功的核心是不均匀沉降的控制,因此研究不均匀沉降对轮轨系统的动力影响对工程设计很有必要。研究方法:应用车辆-轨道耦合动力学理论,建立了土路基上车辆-板式轨道耦合动力学垂向模型,并编制相应的仿真计算程序。研究结果:选用不同沉降工况进行计算,得出轮轨系统的动力响应,以及不均匀沉降对轮轨系统的动力影响规律。研究结论:当车辆通过路基不均匀区段时,轮轨动力作用急剧增大,CA砂浆和路基面动应力明显增大,设计速度为250 km/h时,路基不均匀沉降建议控制在20 mm/20 m以内,困难路段不得超过30 mm/20 m,设计速度为300 km/h时,路基不均匀沉降建议应控制严格在20 mm/20 m以内。     

应用快修砂浆修补CRTS Ⅰ型板式轨道充填层后轨道结构受力及行车安全评估

CA砂浆层作为板式轨道的一个重要部件,具有支承、调整与缓冲等功能,在自然环境和列车荷载的共同作用下,容易产生伤损。快修砂浆作为一种修补伤损CA砂浆层的材料,需满足在天窗时间内完成修补并达到安全通车条件的要求。基于弹性地基梁体模型和轮轨系统动力学原理,建立了CRTSⅠ型梁体有限元模型和车辆—轨道垂向耦合动力学模型,从轨道结构静力及动力性能两方面对快修砂浆修补后的轨道结构进行了评价。结果表明,砂浆层最大垂向压应力为349.5 k Pa,轮对和转向架的加速度最大值分别为7.53g和0.43g,均在限值范围内,轨道结构的安全性和列车运行安全性可得到保证。     

CRTSⅡ型板式轨道参数对车辆频率响应的影响

研究目的:为研究CRTSⅡ型板式无砟轨道结构参数对高速车辆运行品质的影响,本文建立高速车辆-CRTSⅡ型板式轨道垂向耦合系统动力分析模型,将频率分析法与辛数学方法相结合进行求解,分析轨道板厚度、混凝土支承层厚度、扣件系统刚度和阻尼、CA砂浆弹性模量和阻尼对高速车辆频率响应的影响。研究结论:(1)轨道结构参数对车体、转向架振动的影响较小,对轮轨垂向力和轮对垂向加速度的影响较大;(2)轨道板厚度不宜过大或过小,若过大则在50～70 Hz范围内的轮对垂向加速度、轮轨垂向力的频率响应增大,若过小则在30～50 Hz范围内的频率响应增大;(3)在满足轨道结构强度的前提下,适当减小混凝土支承层的厚度,可降低轮对垂向加速度和轮轨垂向力;(4)在满足轨道几何形位和轨道动位移的前提下,采用小刚度、大阻尼的扣件系统,可降低轮对垂向加速度和轮轨垂向力;(5)本研究成果可为CRTSⅡ型板式轨道的设计提供理论依据。     

板端离缝下CRTSⅢ型板式轨道动力特性研究

轨道板与自密实混凝土层之间的板端离缝是CRTSⅢ型板式轨道的主要伤损型式之一,为分析板端离缝对路基上CRTSⅢ型板式轨道动力特性的影响,建立车辆-CRTSⅢ型板式轨道-路基垂向耦合振动模型,研究不同板端离缝长度对车辆和轨道系统动力响应的影响。研究结果表明:板端离缝将增大车辆和轨道结构的动力响应。当脱空长度超过1.54m时,轨道结构的垂向位移出现拐点,扣件系统上拔力接近允许限值10 kN,板端离缝区域附近的自密实混凝土层所受的垂向压应力增大28.75倍。板端离缝导致自密实混凝土层更易发生劣化,从无砟轨道耐久性方面考虑,建议当CRTSⅢ型板式轨道板端离缝长度达到1.54 m时应及时进行养护维修。     

城际铁路桥上纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数研究

为研究城际铁路纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数取值,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立客车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对桥上无砟轨道系统动力响应的影响规律,并基于层次分析法,对桥上无砟轨道系统动力特性进行综合评价。结果表明:随着扣件系统刚度增大,钢轨垂向位移减小,车体振动加速度、轮轨垂向力、轮重减载率和桥梁振动加速度均增大;随着扣件间距的增大,轮轨垂向力减小,车体振动加速度、轮重减载率、钢轨垂向位移和桥梁振动加速度均增大;综合考虑轨道变形以及工程造价,建议扣件系统刚度为50～80 kN/mm,扣件间距为0.6～0.7 m。     

砂浆刚度和阻尼对高速列车-板式轨道时变系统竖向振动的影响

利用横向有限条与板段单元模拟板式轨道。考虑轮轨竖向位移衔接条件,基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了高速列车-板式轨道时变系统竖向振动矩阵方程;分析了CA砂浆的刚度和阻尼对此系统竖向振动响应的影响规律。计算结果表明,合理的CA砂浆刚度为1.0~1.5 GPa/m,尽量采用大阻尼的CA砂浆垫层将有利于降低轨道板的振动。     

钢轨磨耗演变预测模型研究

建立一种可计算沿钢轨纵向和横向三维分布的钢轨磨耗演化预测模型,利用车辆-轨道耦合动力学计算轮轨动态相互作用;基于Kalker非Hertz滚动接触理论进行轮轨滚动接触分析;选用Braghin磨耗模型计算材料磨耗;使用局部加权回归散点平滑法对计算的钢轨型面进行平滑处理。运用该模型计算分析CRH3型动车组以300km/h速度在Ⅰ型板式无砟轨道直线段运行时钢轨磨耗的演变形态。结果表明:钢轨光带沿轨道纵向几乎是平直的,光带宽度约为20mm;随着通过车辆数目的逐渐增加,钢轨的磨耗速率先减小后增大;钢轨磨耗后,轮轨接触点在钢轨上的分布集中于磨耗区边缘的两个狭窄区域;在线路初始运营阶段,钢轨磨耗对轮轨横向力的影响大于其对轮轨垂向力的影响。     

制动力作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道层间剪切破坏规律研究

层间剪切破坏是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要伤损形式之一。根据CRTSⅡ型板式无砟轨道结构,建立钢轨、轨道板、CA砂浆层、支承层、宽窄接缝三维有限元模型,采用双线性黏结滑移模型模拟CA砂浆层与轨道板间的黏结关系,根据轴距和车辆定距确定轮载与制动力加载位置,研究制动力作用下,不同制动力率、界面参数下轨道板和CA砂浆层间剪切破坏的影响机理。结果表明,制动力率对于界面剪切应力与界面伤损分布影响较小,界面的黏结性能对于制动力作用下的界面剪切应力与界面伤损分布影响较大;制动力对扣件四周的轨道板与CA砂浆界面黏结破坏作用较大,对于板中间位置界面黏结基本无影响;相同制动力作用下,起始伤损位移越小,界面越容易发生伤损;过大的剪切刚度会对层间界面的黏结产生不利影响。     

合成轨枕在既有线路基段的适应性研究

通过室内疲劳加载试验测试合成轨枕支承下轨道系统的耐久性及稳定性。结果显示,疲劳试验前后,系统各部件未发生伤损,系统具有较好的耐久性及稳定性。建立车辆-轨道耦合动力学模型,计算Ⅱ型混凝土枕及合成轨枕支承下轮轨系统动力响应,对比分析既有线路基段内采用合成轨枕后对轮轨系统动力响应及动力传递的影响。     

车辆作用下板式轨道动力分析模型及验证

基于车辆-轨道耦合动力学理论;采用多刚体动力学理论建立车辆系统动力学方程;以梁-板-板有限元模型模拟板式轨道;通过轮轨关系将车辆系统和板式轨道系统联系在一起;建立车辆-板式轨道耦合动力学模型。采用德国高速低干扰谱作为轮轨激励进行板式轨道动力学仿真分析。车辆参数按200 km/h动车组选取;轨道参数参照遂渝线板式轨道结构选取;计算多种车辆运行速度下板式轨道的动力响应;并与遂渝线无砟轨道综合试验段动力学测试结果对比。仿真计算结果与试验数据吻合较好,表明该模型正确可靠,可用于研究车辆荷载作用下板式轨道的动力学问题。     

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。