重载铁路过渡段路基动力响应特性试验研究#br#

掌握列车移动荷载作用下路基的动力响应特性可为路基沉降预测,状态评估提供依据。开展重载铁路过渡段路基动力响应测试,研究动位移峰值沿线路纵向及边坡方向的变化规律,分析路肩处动位移峰值的随机分布规律。研究列车动荷载作用下路基的动力响应特征,并揭示振动能量沿路基边坡的衰减规律。结果表明：列车动荷载对路基的作用具有明显的周期性,可将相邻车厢的两个前后转向架作为一个加载单元,在该加载单元的重复作用下路肩处的动位移峰值服从正态分布。重载列车动荷载作用下路基的振动频率主要分布在0~20Hz范围内,振动能量从路肩向坡脚方向衰减剧烈,基床层受列车动荷载影响显著,而基床以下路基受列车动荷载影响非常微小。分析结果有助于评估列车荷载作用下路基的瞬时及长期动力稳定性,同时为采用模型试验及数值分析手段研究路基动力响应特性时准确模拟重复列车动荷载提供了思路。     

模拟路基动力响应的原位激振试验研究

动荷载下路基动力响应规律是研究路基长期动力稳定性的基础。采用自行研制的分离式变频激振器,开展铁路路基动力响应的模型试验,研究不同激振频率、动载水平下铁路路基本体的动力响应规律,掌握石灰改良土+粉质黏土填筑的铁路路基本体的共振频率约为25 Hz,路基表层的振动加速度、动应力随着激振频率的增加而显著增大;弄清了振动加速度、动应力沿深度和水平方向的变化规律,两者在主要影响深度1.5 m处已衰减90%,表明其沿深度方向的衰减速度较无砟轨道路基情况下快,而两者沿水平方向的变化受到应力扩散效应的影响,在浅层水平面会迅速衰减,而一定深度(0.7 m)处反而比较稳定,反映了路基动力响应的空间变化特征。     

板式轨道–路基相互作用及荷载传递规律的物理模型试验研究

全面地介绍了一种全比尺路基动力试验装置,可用于轨道结构与路基之间的动力相互作用以及路基和地基长期变形等方面的试验研究,报告了前期试验中针对高速铁路板式轨道与路基的动力相互作用以及列车轮轴荷载在轨道结构和路基中传递规律的一些重要结果。首先,总结了试验中列车荷载传递到轨道板上的分布规律,通过与理论模型的对比分析,提出了一种简便可靠的荷载分布简化模式用于路基的动静力分析;其次,分析了轨道结构和路基的动力响应与加载频率之间的关联性,并通过集中质量模型讨论了共振发生机理和共振频率的确定方法,结果表明系统存在一个共振频率在16 Hz左右,此时系统的各项动力响应达到最大;最后,通过不同频率加载试验确定了路基中沿深度方向动力附加荷载的衰减特性与加载频率之间的相关性。作为研究高速铁路路基和地基的一种有力的综合试验装置,该设备产生的大量试验数据将为进一步研究高速铁路路基中的岩土工程问题提供重要的支撑作用。     

中—强膨胀土地区铁路路堑基床动静态特性模型试验

为研究以中—强膨胀土为地基的高速铁路路堑基床在不同服役环境下的动静态特性,在实验室内进行1∶1大比例尺模型试验,分别对基床在干燥状态、降雨和地下水位上升3种服役环境下以4 Hz频率进行100万次激振,监测路堑基床不同位置的动态响应和变形规律。结果表明：轨道正下方位置基床范围内的动应力主要受服役环境影响,与激振次数关系不大;动应力沿深度的衰减曲线近似成二次曲线型;膨胀土路堑基床变形受服役环境的影响大于振动次数;干燥状态和降雨时,基床变形随着振动次数的增加先增大后趋于稳定,地下水位上升时,基底膨胀土膨胀变形,并引起基床产生回弹变形;基底膨胀土干缩湿胀过程中的“过程性变形差”会造成轨面标高反复变化,极大的增加线路维护工作量。     

轨道结构形式对箱梁中高频振动的影响研究

为探讨不同轨道结构对桥梁中高频振动的影响,在频域内建立考虑多轮对相互影响的车辆-轨道系统耦合模型和桥梁有限元模型,以某城市轨道交通30 m简支箱梁的现场动载试验为依据,对所建模型进行验证。在此基础上,采用数值方法就三种轨道结构形式（埋入式轨枕、梯形轨枕以及钢弹簧浮置板）对箱梁中高频振动的影响规律及原因进行了探讨。结果表明：“车轮-轨道系统”的固有频率影响轮轨力的峰值频段;频率低于“钢轨-扣件系统”的固有频率时,钢轨的动柔度受到轨道结构形式的影响;各轨道结构系统的固有频率决定着力传递率的衰减趋势,并在该固有频率附近放大力传递率;轮轨力（外因）与力传递率（内因）共同决定着传递到箱梁上的力,从而影响箱梁中高频振动;对于箱梁中高频振动的减振效果而言,钢弹簧浮置板最优,梯形轨枕次之,埋入式轨枕最差。     

高速列车运行引起的地面振动对通信塔的影响

本文通过对高速列车运行时引起地面振动进行实测,研究地面振动的特点和衰减规律。实测数据表明,地面竖向振动随着距轨道中心线距离的增大而减小;地面的横向振动随距离的衰减规律是先增大后减小,在距轨道中心线距离5m处出现振动反弹放大区。利用ANSYS建立地基土~通信塔三维有限元模型,依据规范对此通信塔进行了静力分析,并采用时程分析方法计算通信塔在静力荷载和地面振动共同作用下的响应。分析数据表明,随着距轨道中心线距离的增大,地面振动对通信塔的影响逐渐减小。     

路基动力响应与动力破坏的大型振动台模型试验研究

 针对填方路基在强地震动作用下的动力响应和损伤破坏过程,设计并完成1∶20比尺的填方路基大型振动台模型试验。模型的尺寸为1.93 m×3.0 m×1.4 m(高×长×厚),采用土体材料制备,通过逐级加载的方式,在振动台上对填方路基进行模型试验。在不同类型、幅值、频率的地震波和白噪声激励下,对模型路基的动力响应、抗震薄弱部位、破坏过程以及地震动参数对动力响应的影响进行研究,分析路基及支挡结构的加速度和位移的变化规律。试验结果表明,在水平地震作用下,模型路基对输入地震波具有明显的放大作用,挡土墙顶部及路肩为加速度峰值最大的区域,是抗震薄弱的部位,整个模型路基首先在该位置出现裂缝;在不同的地震波作用下,路基坡面加速度峰值放大系数随着输入地震动幅值的增加呈现递减趋势,路基对输入波低频部分存在放大作用,对高频部分存在滤波作用;在逐渐加载的地震波作用下,模型路基逐渐出现多处开裂。试验结果可呈现填方路基在强烈地震作用下的损伤破坏过程及破坏形态,有助于揭示地震作用下路基结构的破坏机制,为路基的抗震设防提供相应的参考。     

爆炸荷载下岩质边坡动力特性试验及数值分析研究

 采用室内混凝土边坡模型试验方法,结合动力有限元程序模拟技术手段,对爆炸冲击荷载作用下岩质边坡的动力特性进行分析研究。研究结果表明：爆破地震波在边坡坡体上的传播及衰减特性与平地不同,质点振速峰值随爆心距的衰减相对要小得多,垂直与水平质点振速峰值衰减指数分别为0.76和0.42。比较坡顶与坡面测点振速发现,坡顶的垂直与水平质点振速峰值均大于坡面质点振速峰值,表明坡顶质点振速存在放大效应。比较迎爆侧3#测点与背爆侧4#测点的质点振动峰值,垂直和水平方向振速峰值分别降低72.7%和67.6%。由此可见,采用减震沟减震措施可以大大降低爆破振动强度,并能有效改善冲击荷载作用下边坡的应力状态。另外,比较试验与计算结果得出,质点振速及回归方程指数与试验数据均在同一量级上,坡顶质点振速随高程增加而放大,可见数值计算结果能很好反映实际爆破振动规律。     

高速铁路无砟轨道基础结构垂向位移分布特性分析

建立高速铁路无砟轨道-路基结构动力有限元模型,系统分析高速列车荷载作用下轨道和路基垂向位移在时间和空间上的分布规律,比较轨道不平顺和断面位置对位移分布的影响规律。数值分析结果表明,轨道不平顺和横断面位置对轨道和路基垂向位移分布的影响可以忽略不计;高速列车荷载作用下钢轨和轨道板垂向位移的最大值分别为0.79mm和0.238mm,结果都在京津铁路现场试验实测数据的范围之内;轨道板和底座的垂向位移沿横向衰减非常缓慢,仅分别降低了3.6%和6.5%,沿深度基本没有变化;路基各层面垂向位移在轨道宽度范围内沿横向仅衰减10%左右,轨道宽度范围外位移按指数函数快速衰减,在距离线路中心线3m和4m附近,基床表层和基床底层的垂向位移已衰减一半以上,路基位移沿深度线性衰减,在距钢轨底面4m附近,垂向位移衰减50%左右,到基床底面处位移衰减70%以上。     

高速铁路膨胀土路堑全封闭基床动力特性现场试验

膨胀土路堑基床病害是铁路建设中的难题之一。在分析膨胀土地区路堑基床病害特点和产生机理基础上,开展了半刚性防水结构层研发和全封闭基床设计工作。为研究新型基床结构的动力特性,在云桂铁路典型膨胀土路段填筑了100 m全封闭基床试验段,并进行大型现场激振试验。试验结果表明：①动应力、速度和加速度大小与基床服役环境有关,基床浸水后三者在干燥状态的基础上均出现不同幅度增大;②路基面动位移随距离的增加呈幂函数型衰减,其衰减拟合曲线函数表达式为y=0.562x^(-0.37);③基床动应力与激振频率关系曲线存在“双峰”现象,峰值频率分别为10 Hz和18 Hz;④激振频率位于16～21 Hz范围内时,速度和加速度随频率增加而迅速增大,其余频段二者随频率的变化不明显。     

参数化分析列车运行产生的路堤–地基振动

 为预测和分析高速列车运行产生的轨道和路堤振动及波动在沿线周围地基中的传播，利用2.5维有限元方法建立了轨道、路堤和下卧层地基在移动荷载作用下的动力耦合分析模型及无路堤情况下的轨道地基模型，求解三维地基的动力响应。对高速或低速运行的列车多轮重荷载产生的路堤和地基振动进行对比分析。通过参数化分析明确轨道刚度、路堤高度、地基土的剪切波速及阻尼系数、列车速度和振动频率等参数对地基振动和传播特性的影响。给出的方法和结论可用于分析软土地基上运行高速列车时的稳定性问题和评估列车运行对周围环境的振动影响。     

隧道爆破振动下既有建筑结构动力响应及#br# 损伤研究综述

针对隧道爆破振动引起建筑结构的损伤问题,首先阐述隧道爆破振动峰值振速和频率的衰减规律;然后总结隧道爆破下采用反应谱法、时程分析法、损伤指数量化法和现场试验测试法得出的结构振动反应特征,阐述隧道爆破下建筑结构的损伤机理和易损构件,并探究了基于高阶局部模态的爆破振动下结构振动的损伤机理;阐述振动安全标准及改进方法;最后指出今后的研究重点：①建立同时考虑结构承重构件和非承重构件的三维全结构模型,探究爆破振动下非承重构件的振动反应及损伤情况;②基于结构动力学和高阶模态理论,通过分析爆破振动主频与结构高阶模态频率之间的关系,探索建筑结构在隧道爆破下的高阶模态振动效应及损伤特征;③需要综合考虑结构峰值振速—峰值应力的耦合响应特征来探究建筑结构在隧道爆破振动下的损伤机理,辨识易损构件,改进和完善爆破振动安全标准;④结合大数据、信息化和结构健康监测技术,实现动态化、定量化和精细化评价爆破振动下建筑物安全和结构损伤。     

刚性地基低路堤长期动力特性原位试验研究

无砟轨道与深埋式桩板结构低路堤形成的"上刚-中柔-下刚"结构体系,导致基床受力加大、状态复杂,因此有必要针对刚性地基低路堤长期动力特性进行专门的动力试验研究。通过京沪高速铁路试验段模拟列车动荷载的原位循环激振试验,测定低路堤不同断面、不同深度处的动力响应,分析刚性地基上低路堤长期动力特性。结果表明:刚性地基上低路堤动力响应在激振70万次后趋于稳定,各典型断面动位移幅值均小于0.1mm,路基面动刚度值介于280~350MN/m之间,断面间刚度差异较小;激振150~200万次后累积变形为0.3~0.4mm;由轨道结构、基床和桩板结构、地基构成的"上刚-中柔-下刚"结构体系具有良好的长期动力稳定性。     

季节冻土区铁路路基振动加速度现场监测

为研究季节冻土区铁路路基在不同冻结时期振动特性,针对典型深季节冻土区大庆分别在冻结期、春融期和正常期进行列车行驶路基振动加速度的现场监测。研究结果表明:1季节冻区路基振动加速度有效值衰减速曲线可用负指数函数拟合;2路基振动强度受列车类型、行驶速度、列车编组、列车载重等因素共同影响;3受环境温度变化的影响,在冻结期自路基基床表层向下冻结,这部分冻结层使路基强度和刚度增加,阻尼比减小,因而导致加速度幅值在纵向和竖向被放大而在水平方向被抑制;4在春融期自基床表层向下开始解冻,由于其下部土体仍处于冻结状态,融化产生的水分无法及时从底部排出,于是形成饱水层使结构层强度大大降低,此时在上部列车荷载作用下,加速度幅值在纵向和竖向被抑制而在水平略有增加。     

PFWD模量控制的路基承载力动力学指标评价方法

针对当前动力学测定路基承载力难以形成统一标准、弯沉控制指标误差较大,无法精准测定的现状,提出基于便携式落锤弯沉仪(portable falling weight deflectometer,PFWD)模量控制的路基承载力动态力学指标评价方法。以冲击荷载作用下弹性半空间体力学模型,对PFWD动静力学测定指标的差异化进行理论分析,有限元数值模拟构建弹性路基土的动应力空间分布,依托工程实际揭示PFWD的检测特性,并提出精准测定方法。结果表明：PFWD的影响范围,深度方向2.5倍的承载板直径,水平方向以承载板圆心2倍直径的圆周;冲击荷载作用下路基土的动应力衰减规律为σz随深度方向衰减,σr呈45°衰减且速度更快;动静力学测试产生误差的根本原因为刚性承载板与路基土的不完全接触及非线弹性特质;PFWD的检测特性为高估路基刚度,但刚度越大动静差异越小;提出动力学指标预测模型,该模型的相关系数高,避免了线性模型对原点的修正,满足高精度检测的同时提高了检测效率。从而建立基于模量控制的快速检测方法与思路,为高速公路路基承载力的动力学精准测定及科学评价提供参考。     

高速铁路路基沉降高聚物注浆修复后动力性能及长期耐久性的试验研究

高速铁路路基的过大沉降影响轨道结构耐久性和列车运行安全,有必要及时通过抬升路基水平恢复轨道线路的垂向平整性。尝试通过在路基表层和轨道混凝土底座之间进行非水反应高分子聚合物填充注浆的方法实现轨道结构的整体均匀抬升。通过大型物理模型试验测试分析了抬升后轨道-路基的整体动力学性能及长期耐久性。通过定点循环激振试验对比分析了路基抬升前后的轨道整体刚度的变化规律,发现抬升后整体刚度相比抬升前略有减小,但对轨道-路基体系自振频率的影响有限;模拟列车运行的大周次循环加载测试了抬升后路基的动力累积沉降和动刚度变化过程,结果表明抬升后路基在列车长期荷载作用下具有较好的动力稳定性。     

Experimental and analytical system identification of Eynel arch type steel highway bridge

This paper describes a full scale arch type steel highway bridges, its finite element modelling and Operational Modal Analysis. Eynel Highway Bridge which has arch type structural system with a total length of 336 m and located in the Ayvac?k county of Samsun, Turkey is selected as a case study. The bridge connects the villages which are separated with Suat U?urlu Dam Lake. The three dimensional finite element model is constructed using project drawings and an analytical modal analysis is then performed to generate natural frequencies and mode shapes in the three-orthogonal directions. The ambient vibration tests on the bridge deck under natural excitation such as traffic, human walking and wind loads are conducted using Operational Modal Analysis. Sensitive seismic accelerometers are used to collect signals obtained from the experimental tests. To obtain experimental dynamic characteristics, two output-only system identification methods are employed namely, Enhanced Frequency Domain Decomposition method in the frequency domain and Stochastic Subspace Identification method in time domain. The correlation between the finite element model and experimental results is studied. Good agreement is found between dynamic characteristics in the all measurement test setups performed on the bridge deck. It is demonstrated that the ambient vibration measurements using Enhanced Frequency Domain Decomposition and Stochastic Subspace Identification methods are enough to identify the most significant modes of steel highway bridges. It is seen that there are some differences between analytical and experimental natural frequencies and experimental natural frequencies are generally bigger than the others.     

Laboratory tests for dynamic ice-structure interaction

The CRREL test basin is able to simulate dynamic ice-structure interaction with scale model tests which cover the whole range of structures that are considered here. For bottom-founded structure simulation, a test pile was designed so that its stiffness, natural frequencies and modes and damping could be varied. The ice movement against the pile was arranged to have constant acceleration in order to excite different modes with differing ice velocities. The flexibility of the drive system caused jerky ice movements with low velocities.Analysis of the recorded ice forces and acceleration include the refinement at measured ice forces by eliminating the response of the measuring system itself using the dynamic equilibrium or transfer function approach. The frequencies and the damping of vibrations were analysed using a Fourier signal analyser.Scaling laws are discussed and it is noted that full similitude cannot be achieved for both ice interaction force and pile and ice vibrations.Results so far show similarity with in-field ice force histograms: both random and saw-tooth like repetitious ice force fluctuations appear. The change from one interaction mode to the other occurs with increasing drive velocities. With high velocities relatively smooth random ice crushing occurs and in some cases natural modes are stable. The greatest energy content of the ice force does not always coincide with the natural frequencies of the structures.     

Experimental and analytical system identification of Eynel arch type steel highway bridge

This paper describes a full scale arch type steel highway bridges, its finite element modelling and Operational Modal Analysis. Eynel Highway Bridge which has arch type structural system with a total length of 336 m and located in the Ayvacık county of Samsun, Turkey is selected as a case study. The bridge connects the villages which are separated with Suat Uğurlu Dam Lake. The three dimensional finite element model is constructed using project drawings and an analytical modal analysis is then performed to generate natural frequencies and mode shapes in the three-orthogonal directions. The ambient vibration tests on the bridge deck under natural excitation such as traffic, human walking and wind loads are conducted using Operational Modal Analysis. Sensitive seismic accelerometers are used to collect signals obtained from the experimental tests. To obtain experimental dynamic characteristics, two output-only system identification methods are employed namely, Enhanced Frequency Domain Decomposition method in the frequency domain and Stochastic Subspace Identification method in time domain. The correlation between the finite element model and experimental results is studied. Good agreement is found between dynamic characteristics in the all measurement test setups performed on the bridge deck. It is demonstrated that the ambient vibration measurements using Enhanced Frequency Domain Decomposition and Stochastic Subspace Identification methods are enough to identify the most significant modes of steel highway bridges. It is seen that there are some differences between analytical and experimental natural frequencies and experimental natural frequencies are generally bigger than the others.     

钢弹簧浮置板轨道低频特征试验研究

利用北京交通大学轨道减振与振动控制试验室开展钢弹簧浮置板轨道低频特征测试,研究钢弹簧浮置板轨道弹簧刚度和支承间距等参数变化对低频振动的影响,并比较钢弹簧浮置板轨道和普通轨道的低频减振效果。试验结果表明:①弹簧总刚度越大(支承间距不变且弹簧刚度越大,或弹簧刚度不变且支承间距越小),浮置板轨道基频越大,轨道板到基底竖向加速度级传递损失越小,轨道板到隧道内的竖向传递函数值越大;②钢弹簧浮置板轨道基频越小,在其工作频段,减振效果越好;但在基频附近,振动放大现象越明显。相对于普通轨道,钢弹簧浮置板轨道明显降低了10Hz以上频段的振动响应,最大减振量为25dB;同时基频处的振动放大量为25dB;③对于轨道板到隧道内的竖向传递函数,普通轨道的值比钢弹簧浮置板轨道的值大,前者在0.012～0.028之间,后者在0～0.01范围内。