高速列车作用下板式轨道引起的地面振动

根据波数域内分层大地波动方程的求解理论,建立高速列车作用下板式轨道—大地耦合振动分析模型。利用Fourier变换,在频率—波数域内求解振动微分方程,再通过Fourier逆变换得到大地表面的振动位移响应。通过算例分析列车运行速度对板式轨道周围地面振动的影响。结果表明:列车运行速度越高,线路周围地面的振动响应越大。当列车速度大于200 km.h-1时,路基表面位移的幅值随车速提高迅速增大;然而当列车速度增至350 km.h-1时,位移幅值最大值又出现了回落。距离板式轨道中心线越近,行车速度的变化对地面振幅的影响越显著。尤其当列车速度接近地基的Rayleigh波波速时,由于引发共振而使地面振动位移出现峰值。     

移动荷载作用下周期支撑轨道结构振动研究

视轨道结构为轨枕(或扣件)周期支撑的无限长周期结构,利用匀速移动谐振荷载作用下周期结构在频域内响应的性质和叠加原理,将求解匀速移动荷载作用下轨道结构振动响应问题的关键转化到在频域内解1个8元一次方程组。运用给出的解析方法对移动荷载作用下轨道结构的振动研究表明:在中低速单个移动谐振荷载作用下,钢轨位移频谱的峰值出现在荷载频率附近,且随着荷载速度的增加,频谱峰值变小,峰值位置向轨道固有频率靠近;力群的叠加使钢轨位移的频谱分布加宽;随着移动速度的增加,列车轴荷载下钢轨的位移频谱向高频移动;轨道结构有多个临界速度,提高基础的刚度,可以提高轨道的最小临界速度;基础阻尼能明显减缓轨道结构的强振动。     

移动荷载作用下路基上板式轨道动力学特性分析

利用ANSYS软件分别建立了轨道板与混凝土底座对缝及错缝布置的板式轨道结构有限元模型,研究了在各种速度的移动荷载作用下两种轨道布置方式的动力学响应以及路基刚度对轨道的影响。研究结果表明:对于两种布置方式,钢轨位移和钢轨支点压力差别较小;CA砂浆动应力和轨道板垂向位移有一定的差别;路基表面动应力和路基面垂向位移差别较大。     

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。     

客运专线板式轨道动力反应分析

研究目的:根据板式轨道的受力特点,建立高速列车作用下板式轨道动力反应模型.利用Fourier变换,在频率-波数域内求解振动微分方程,再通过Fourier逆变换,得到列车在匀速和变速情况下轨道、轨道板及底座动位移在时域-空间域内的计算公式.结合算例,分析列车在不同速度、正加速度和负加速度下,轨道、轨道板及底座动位移的变化特性.研究结论:通过对板式轨道动力反映的分析表明:轨道结构存在一个临界速度,列车在匀速运行情况下,沿轨道方向的钢轨、轨道板及底座的动位移随列车轮对作用位置达到最大值;在变速运行情况下,钢轨、轨道板及底座动位移在不同速度与加速度处出现峰值;在减速运行情况下,轨道结构动位移仍在不同速度与负加速度处出现峰值;且在正加速度增加与负加速度减小的情况下,各结构动位移随之减小,反之亦然.     

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。     

路基不均匀沉降值对板式轨道动力响应的影响

基于系统动力学和有限元理论,建立荷载-板式轨道力学分析模型,模拟了路基余弦不均匀沉降对板式轨道结构动力响应的影响,分析了不同路基沉降量对轨道板和混凝土底座的动应力和动位移的差异影响。结果表明:在速度为300 km/h的移动荷载下,路基沉降量从0 mm增加到30 mm,混凝土构件的纵向应力、垂向应力、动位移呈先陡后缓的增长趋势,拐点为20 mm沉降量;处于沉降槽起始部位的1号轨道板上表面和位于沉降槽中心的3号混凝土底座下表面受沉降量影响最大,为易发生破坏部位。     

路基刚度不均匀对无砟轨道动力特性影响研究

为了分析路基刚度不均匀对无砟轨道结构动力特性的影响,采用层状体系理论,应用ABAQUS有限元软件,建立无砟轨道—路基多层体系动力学模型。模型荷载考虑自重荷载和移动车轮荷载,路基刚度不均匀部位的性状采用不同的面积和刚度进行模拟,分析了路基各种不均匀性状对无砟轨道结构动位移和动应力的影响。计算结果表明:轨道结构的动位移随着路基刚度不均匀部位面积的增大而增大,随不均匀部位刚度值的减小而增大;基床底层刚度对轨道结构的动力特性影响也很大,据此提出了路基刚度不均匀面积及不均匀程度的限值,为路基施工质量检验和控制提供理论依据。     

列车速度对车辆—轨道—路基系统动力特性的影响

根据列车运行的实际情况,将轨道一路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立车辆、钢轨、轨枕、道床、路基和地基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度变化对车辆运行品质、动位移以及路基动应力的影响.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;具有二系悬挂的高速列车通过有砟轨道路基结构时,列车的安全性及舒适度均能满足要求;系统动位移受速度影响较小;路基面动应力随速度的提高而增大,并在横向呈马鞍形分布,在纵向呈抛物线形分布;路基动应力沿路基深度方向衰减较快,在基床表面下3m处,动应力只有基面的16%左右.研究结果与已有部分研究结论吻合较好,表明模型具有较高的可靠性.     

高速移动荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道基础结构动应力分布规律

运用ANSYS软件,建立路堤上的CRTSⅡ型板式无砟轨道基础结构的动力有限元模型,研究不同速度移动荷载作用下轨道和路基动应力的分布和传递规律。结果表明:在不同的轨道和路基层内动应力沿横向的分布规律与移动载荷的速度相关性不大,而与各层距钢轨底面的距离关系很大;轨道板应力沿横向呈驼峰形分布,最大值位于钢轨正下方,钢轨之间应力水平基本一致;路基动应力随深度的增加,在距离钢轨底面1m范围内急速衰减,在1～4m范围内基本呈线性快速衰减,超过4m后衰减较为缓慢;不同位置的路基动应力总体上随着移动荷载速度的增加而增大,在80～350km·h-1的车速范围内具有较为明显的线性关系,而当速度小于80km·h-1或者大于350km·h-1时变化不明显。     

轨道结构动力分析的傅里叶变换法

将傅里叶变换法应用于轨道结构动力分析，首先对轨道结构振动方程进行傅里叶变换，求解傅里叶变换域中的振动位移，再通过快速离散傅里叶逆变换得到轨道结构的振动响应。该方法适用于任何复杂的轨道结构动力学问题。文中针对轨道结构连续弹性单层梁模型和双层梁模型，用傅里叶变换法求得了单轮通过时的轨道临界速度，分析不同的轨下橡胶垫板和弹性扣件、荷载速度及激振频率对轨道结构振动的影响。研究表明，轨道结构有多个临界速度，特别需要关注的是最小的轨道临界速度，这一速度容易被中、高速列车超过，从而引起轨道结构的强烈振动。另外，用连续弹性单层梁模型得到的最小轨道临界速度与理论计算结果一致；对双层梁模型，则很难用解析的方法求得轨道临界速度。     

不均匀沉降对无砟轨道路基动力特性的影响

为探讨不均匀沉降对高速铁路无砟轨道路基动力特性的影响,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基系统的三维动力有限元模型,计算并对比分析有病害和无病害条件下路基的竖向动应力、动位移及振动加速度在空间上的分布规律,结果表明路基不均匀沉降导致无砟轨道路基的动力响应幅值及其空间分布规律发生明显的改变,且主要集中在支承层宽度范围、路基面以下0~1.5m深度内。由不均匀沉降引起路基动应力幅值可达100kPa,为无病害路基的3倍以上,动加速度幅值为无病害路基的2倍以上,在列车循环荷载作用下沉降区域将加速扩大,对路基产生非常不利的影响。     

翻浆状态下无砟轨道路基动力响应特征模型试验研究

高速铁路无砟轨道基床翻浆是一种特殊的路基新型病害,影响高速铁路运营的舒适性和安全性,为分析无砟轨道路基基床翻浆对路基动力响应特征的影响,开展无砟轨道-路基基床大比例模型试验。试验结果表明:基床翻浆状态时,在动荷载下底座板对基床表层产生瞬态碰撞,使得基床表层土动压力随动荷载加载次数的增大而逐渐增大,沿深度衰减速率变快;基床翻浆改变了基床表层与底座板之间的动力传递特性,竖向振动加速度比值增大了1. 95倍以上,动位移比值增大了4. 56倍以上,振动响应从底座板传递至基床表层衰减梯度增大;基床表层翻浆不断恶化,会降低基床表层对底座板的支承能力,致使无砟轨道-路基基床动力响应加剧。     

客货混运铁路专线轨道振动分析

研究目的:分析客货混运铁路专线客车及货车引起轨道振动的规律。研究方法:通过建立考虑线路随机不平顺的轨道结构连续3层梁模型,论述了运用傅里叶变换法分析轨道结构振动的方法。首先对轨道结构振动方程进行傅里叶变换,求解傅里叶变换域中的振动位移,再通过快速离散傅里叶逆变换得到轨道结构的振动响应。研究结果:分析了客、货列车以不同速度运行时对轨道结构振动的影响。研究表明,在客货混运的铁路专线上,最不利的工况应是货车。在同样的列车速度条件下,货车引起的轨道位移比客车大45%~50%,货车引起的轨道加速度比客车大40%~50%,货车引起的轨道动压力比客车大50%~60%。研究结论:客货混运铁路专线比客运专线和货运专线更易损坏,建设客、货分离的铁路专线是有效的解决方法。     

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。     

重载铁路路基基床不同改良厚度的动力响应研究

重载列车荷载对路基基床的影响较为显著,为探究北方风沙地区选择水泥改良的粉细砂作为基床填料后路基体的变形及动力稳定性。通过动三轴试验对比分析了不同掺入率水泥改良土临界动应力大小及不同围压下回弹模量的变化规律,进一步结合FLAC3D建立三维动力仿真模型,重点探讨了列车激励荷载作用下路基基床换填不同厚度的5%水泥改良土时动应力、沉降变形、振动加速度的变化分布规律。结果表明:5%水泥改良土临界动应力、回弹模量较原状土提高幅度最大;路基体竖向动应力、位移、加速度峰值均随深度增加而逐渐减小;路基基床对动应力的扩散抑制作用较强,动荷载传递经基床后平均衰减约83.5%;路基沉降主要产生在中上部,且随基床底层改良厚度增加路基顶部最大竖向位移逐渐减小,最大减小约45.6%;此外,振动加速度传播经改良后的路基基床衰减幅度较明显,约为69.4%。     

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。     

基于强迫振动的列车-轨道-轨下结构垂向耦合动力分析方法及工程应用

将线路与线下结构分解为钢轨子系统和轨下结构子系统,其中钢轨子系统由上层钢轨和下层扣件一一对应的2层节点组成,钢轨处理为具有弹性离散点支承的连续梁,钢轨与扣件间的约束用弹簧-阻尼单元模拟,采用强迫位移和强迫速度的方法处理轨下结构对钢轨系统的作用,钢轨系统对轨下结构的作用则以外荷载方式施加,建立基于强迫振动的列车-轨道-轨下结构垂向耦合动力分析方法。应用该方法进行局部扣件失效对线路和车辆动力响应影响分析。结果表明:该方法能准确分析存在局部病害基础设施的动力特性;局部的扣件失效对轨下结构和车体振动影响较小,但会显著加剧轮轨之间的振动响应,车速350 km·h^-1时钢轨最大垂向位移为正常值的2.94倍,钢轨最大垂向振动加速度为正常值的2.97倍,最大轮轨力和轮重减载率分别较正常值增大了22.0%和50.2%。