青藏铁路列车行驶引起的轨枕竖向作用力研究

为了深入分析列车行驶引起冻土场地的振动反应,并为青藏铁路运营安全性评价提供可靠的理论依据,采用自编列车-轨道耦合动力学仿真程序,研究了青藏铁路列车行驶引起的轨枕竖向作用力特性.研究表明:自编程序仿真结果与青藏铁路现场监测成果吻合良好,程序理论正确结论可信;轨枕竖向作用力随路基阻尼的增大而略微减小,随路基模量、列车行驶速度的增大而增大,随轨缝的增宽而线性增大;轨枕竖向作用力优势频段主要在移动轴重作用率内,转向架作用率处振动能量最大,轨枕振动对轨枕竖向作用力影响较小;路基的冻融状态、轨缝宽度与列车行驶速度对轨枕竖向作用力影响不能忽略;并定量给出轨枕竖向作用力最大值与列车行驶速度之间的函数关系.     

青藏铁路列车行驶冻土场地路基振动荷载研究

基于青藏铁路现场振动监测成果检验自编列车-轨道耦合动力学仿真程序的正确性,并研究在实测里程高低不平顺与宽轨缝脉冲性激扰条件下的青藏铁路客车行驶引起冻土场地路基振动的振动荷载特性。研究表明,自编程序仿真结果与青藏铁路现场监测成果吻合良好,程序理论正确结论可信;列车行驶振动荷载随路基阻尼的增大而略微减小,随路基模量、列车行驶速度的增大而增大,随轨缝的增宽而线性增大;振动荷载优势频段主要在移动轴重作用率内,转向架作用率处振动能量最大,轨枕振动对列车行驶振动荷载影响较小;路基的冻融状态、轨缝宽度与列车行驶速度对冻土路基振动荷载影响不能忽略;并定量给出青藏铁路路基振动荷载最大值与列车行驶速度之间的函数关系。此项研究对于列车行驶引起冻土场地环境振动分析与振陷预测具有重要意义,且为轨道交通工程设计和铁路运营安全分析提供可靠的理论依据。     

列车作用下青藏铁路路基动力响应试验

目的分析研究多年冻土区青藏铁路在列车动荷载作用下路基的稳定性及振动衰减规律．方法选取青藏铁路北麓河段三个典型试验断面,在春季进行了列车荷载作用下的路基动力响应现场试验,采集路基、边坡、道床3处振动数据,统计计算了青藏铁路客车与货车行驶时路基振动的最大和平均加速度幅值,对实测数据进行了功率谱分析．结果路基上货运和客运列车的竖向最大加速度分别为2．2132m／ss^2和2．0004m／ss^2,对应的平均加速度分别为0．1495m／s^2和0．1143m／ss^2,道床上的振动明显减小．在T28次客运列车的作用下,对于断面Ⅲ,C3测点在振动频率为25Hz、38Hz、46Hz,55Hz出现峰值,能量集中在18～53Hz．边坡C4测点振动能量集中在20—65Hz,C5测点的优势频段为20—80Hz．结论路基上货运列车的振动比客运列车振动大,同一断面竖向衰减速度大于横向,素土路基各方向衰减小于块石路基,下一测点加速度峰值大致减小为相邻上一测点的1／10．     

铁路路基动力响应的分布规律研究

在模拟了铁路轨道不平顺和高速列车振动荷载的基础上,分析了铁路路基动力响应(位移、加速度、应力)在列车荷载作用下线路横断面的分布规律,得到路基动力响应的横断面分布图,找出了路基动力响应的最不利位置.将模拟计算出的路基动力响应数值与秦沈客运专线现场测试试验的实测数据对比,结果一致.     

高速铁路无砟轨道引起的地面振动特性研究

以软土地区高速铁路无砟轨道路基段的地面振动问题为例,通过运用车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,计算分析了速度为350 km/h的高速列车通过无砟轨道路基段引起的地面竖向振动时域、频域特征及其随距离的衰减规律,并与实测结果进行了对比。研究结果表明:在距离轨道不同位置处,计算与实测得到的地面振动加速度时域峰值的吻合度较好,20 m之前地面振动时域峰值衰减速率较快,而20 m以后其衰减速率开始减缓。通过对比地面振动1/3倍频程计权加速度级发现,计算与实测结果间的主频带振级相差不到5 dB。此外,从地面振动计权加速度级随距离的衰减规律可知:列车速度为350 km/h时的软土区高速铁路无砟轨道路基段周边50 m范围内的地面振动计权加速度级均大于65 dB,对人们正常生活的影响不可忽视。     

2.5D有限元分析列车荷载引起非饱和土地面振动

为研究高速列车荷载引起非饱和土地面振动,将地基视为三相介质,开发非饱和地基2.5维有限单元方法.用Euler梁模型模拟轨道系统,对控制方程进行时间Fourier变换和轨道方向波数变换,结合边界条件和Galerkin法推导出频域内2.5维有限元方程,频域-波数域内解答通过快速Fourier逆变换得到时域-空间域结果,通过数值分析考察车速和路基饱和度对地面振动及超静孔隙水压力影响.结果表明:车速较低时,路基从近饱和到完全饱和轨道中心处地面竖向振动位移幅值显著增加;同一速度下非饱和路面加速度幅值大于饱和路面,其地面振动位移和加速度随时间更快衰减.同一车速下距轨道中心8 m处非饱和路基地面振动加速度峰值远大于饱和路基,车速超过300 km/h后两者地面振动位移幅值趋于相等.近轨道处地面振动幅值快速衰减,远轨道处衰减变慢.轨道中心下超静孔隙水压力分布深度为地表下0～4.5 m,最大峰值约在1.8 m,且随路基饱和度降低显著减少.     

新建隧道下穿既有重载铁路路堤动力响应研究

随着重载铁路的快速发展,既有重载列车振动荷载对下穿新建隧道稳定性的影响受到关注.采用激振函数模拟重载列车竖向振动荷载,基于有限差分法分析不同行车方式、隧道埋深、开挖进尺时隧道围岩的动力响应特征.计算结果表明:隧道拱顶、拱腰和拱脚运动趋势近似于简谐振动,峰值位移和峰值加速度由大至小依次为拱顶、拱腰和拱脚;重载列车双线行驶情况下围岩变形和振动均大于单线行驶;随着隧道埋深的增加,监测点位移和加速度响应特征逐渐减弱;新建隧道开挖至交叉点时监测点位移和加速度均处于最大值,在掌子面与交叉点距离相同的情况下,掌子面未通过交叉点时监测点位移和加速度响应特征均小于掌子面通过交叉点的情况.     

清华大学精密仪器环境振动影响评价

清华大学东配楼内安装有多台精密仪器,为预测将来地铁15号线产生的振动影响,对该楼内、外的环境振动进行了现场测试(包括垂向和两个水平向的振动加速度、速度),分析和评价了铁路、地铁、公路产生的环境振动现状对精密仪器的影响和地面振动传播规律.当京包铁路、地铁13号线有列车通过时,三方向振动水平均不能满足Titan、Tecnai、JEM电镜和原子力显微镜的使用要求.当铁路和地铁均无列车通过、但存在公路交通时,Titan电镜垂向和南北水平向振动水平不能满足要求,但东西水平向满足要求;JEM电镜东西水平向振动水平轻度不满足要求,垂向和南北水平向满足要求;Tecnai电镜和原子力显微镜三方向均满足要求.楼外地面垂向和东西水平向的振动加速度峰值和有效值均随振源距离的增大而衰减,在距京包铁路200 m以外衰减逐渐趋缓.但是东西水平向振动(40 Hz以上)在距京包铁路约50 ～80 m范围存在放大区.     

地震作用引发的高速列车脱轨评价

动力作用下轨道和路基的振动响应问题是解决高速列车在轨运行安全的关键之一.为保证地震时高铁的在轨安全,基于ABAQUS和FORTRAN子程序方法,创建了高铁无砟轨道-路基-地基三维精细化模型,详细分析地震-列车移动荷载特征对轨道结构的影响以及瞬态脱轨标准,探讨高速列车在地震作用下的临界速度和脱轨机理,考虑的脱轨标准包括轨道横向力与垂直力的比率(脱轨系数)和轨道的横向变形量,以此寻求合理的改进将地震的风险降到最低.结果表明:地震与列车移动荷载共同作用时,前者对钢轨的竖向正位移影响显著,而其加速度和频谱则受后者的作用更为突出;与此同时,列车脱轨概率显著增大,钢轨的临界速度为50 m/s(180 km/h),此时钢轨横向位移较大,脱轨系数曲线变化剧烈,严重超出国家安全标准,列车可能失稳,甚至脱轨.     

列车加减速引起轨道结构和饱和地基振动

为了研究列车加减速引起的饱和地基振动问题,基于两相介质Biot动力控制方程的简化u-p格式,开发二维饱和土体单元. 通过引入饱和土体黏弹性人工边界,求解移动点荷载作用下的二维饱和地基动力响应,并与半解析解进行对比验证,说明饱和土体单元的正确性和黏弹性人工边界的适用性. 结合E-B梁单元、弹簧-黏壶单元和集中质量单元对轨枕、道砟离散支承的轨道结构及饱和地基进行二维有限单元离散. 将列车荷载简化为平面内的移动轴荷载,通过与列车匀速时对比研究列车加速和减速时饱和地基的孔压、位移响应及离散轨枕、道砟的加速度响应. 结果表明列车减速将增大轨枕、道砟的水平及竖向加速度峰值;列车加速和减速在饱和地基中引起方向相反的土体水平向位移,且减速时土体水平位移峰值更大;列车加速和减速均增大土体竖向位移峰值.     

快速列车对长沙高架车站的振动与噪声模拟分析

列车运行产生的二次噪声与振动已经成为轨道交通系统所面临的主要环境问题,而目前相关研究主要集中于民用建筑与桥梁结构,对火车站等大型结构的研究鲜见于文献.本文针对快速列车运行时对长沙高架车站候车厅内产生的振动与二次结构噪声问题,提出了一种整合预测分析方法.该方法基于高架车站振源—传播—响应的有限元模型,通过谱有限元法来实现对二次噪声的精确预测.分析结果表明了该整合预测分析方法的有效性.     

列车振动荷载下铁路粉土路基的长期沉降

结合路基粉土在循环荷载下的动力特性试验,提出动回弹模量与累积变形的预估模型.通过动力有限元分析并与现场实测相比较,研究在列车荷载作用下铁路粉土路基的动应力响应.建立列车在运行条件下铁路粉土路基长期沉降的计算方法,探讨列车速度、轴重、轴载次数以及道床、路基参数等对路基长期沉降的影响.研究表明:当线路平顺性较差且路基压实系数不高时,铁路粉土路基的长期沉降随列车速度提高线性增大,随轴载次数增加先快后慢增长,且列车轴重越大或路基压实系数越低,沉降速率越快;当粉土路基压实系数较低时,适当增加道床厚度或提高路基压实系数均能显著减小路基长期沉降;在列车动载下铁路粉土路基的长期沉降存在一个"临界影响深度",路基压实系数越低,影响深度越大.     

Generalization of the Fourier transform-based method for calculating the response of a periodic railway track subject to a moving harmonic load

A Fourier transform-based method has been developed for calculating the response of a railway track as an infinitely long uniform periodic structure subject to moving or stationary harmonic loads. The track may become a non-uniform periodic structure by, for example, rail dampers which are installed between sleepers to control rolling noise and roughness growth. The period of the structure may become greater than the sleeper spacing. For those new situations, the current version of the method cannot be directly applied; it must be generalized and this is the aim of this paper. Generalization is performed by applying periodic conditions to each type of support and summarizing contributions from all types of support. Responses of the rail, sleeper, and damper are all formulated as an inverse Fourier transform from wavenumber domain to spatial domain. The generalized method is applied to investigate dynamics of a typical track with rail dampers of particular design. It is found that the rail dampers can significantly suppress the pinned–pinned vibration of the original track, widen the stop bands and increase vibration decay rate along the rail. However, it is also found that a new pinned–pinned mode is created by the dampers and between about 450 and 1,300 Hz dampers vibrate stronger than the rail, making noise radiation from the dampers a potential issue. These concerns must be fully investigated in the future. The formulae presented in this paper provide a powerful tool to do that.

     

间歇性循环荷载作用下细粒土的变形特性

铁路路基承受的列车动荷载作用由列车通过时产生的周期性振动和无列车通过时的加载间歇组成, 针对此工程背景,开展不同围压、水的质量分数、动应力条件下的连续加载与加载-停振的动三轴试验,研究间歇性循环荷载作用下细粒土的超孔隙水压力、弹性应变、回弹模量和累积塑性应变的变化规律. 试验结果表明,加载间歇对路基变形特性有显著影响. 由于加载间歇阶段试样卸载以及排水作用,试样在加载阶段积累的超孔隙水压力在间歇阶段消散,土体内部颗粒及结构得到调整,试样抵抗后续荷载的能力得到提高. 此外,加载间歇显著减缓了后续加载阶段的塑性应变发展,降低了试样的累积塑性应变. 加载间歇对提高试样回弹模量、降低弹性应变的效果有限. 加载-停振的间歇加载方式可以更准确地模拟实际列车荷载作用,进而获得更具实际意义的试验结果.     

季节冻土区长期交通荷载下公路路基永久变形特性

为研究季冻区公路路基在长期交通荷载作用下永久变形的累积规律,首先基于室内试验获取的路基融土永久应变经验公式,提出季节冻土区路基永久变形计算步骤;并通过建立的基层-路基-地基有限元模型,研究汽车轴型、后轴轴重、行车速度和路基融化厚度对正常期和春融期路基应力比和永久变形的影响.计算结果表明:正常期路基的应力比随着埋深的增加逐渐减小,融化路基应力比较正常期大,冻结路基内较正常期小;六轴汽车产生的永久变形大于其他4种轴型汽车;路基内的应力比和永久变形随后轴轴重和路基冻融影响厚度的增加而显著增大;行车速度越低,路基内应力比和永久变形越大.据此提出了季节冻土区长期公路交通荷载作用下路基永久变形预测公式.     

基于轮轨结构振动的车辆动力学性能研究

为了研究柔性轮对在高速旋转状态下弹性效应以及轨道的柔性结构振动对车辆运行的平稳性和安全性等动力学性能的影响,建立了轮对和钢轨的有限元模型,通过模态综合技术获取柔性轮对和柔性钢轨的模态信息,分别建立了柔性轮对和柔性钢轨接触、柔性轮对和刚性钢轨接触、刚性轮对和柔性钢轨接触和刚性轮轨接触的车辆动力学模型,对比了不同动力学模型在含有国内某干线轨道谱的情况下的动力学响应.仿真结果表明,柔性轮轨结构振动对高速动车组的直线动力学性能有明显的影响.     

城市地铁地下轨道振动对周边建筑的影响分析

结合实际地铁运营期间普通整体道床、纵向轨枕减振道床的钢轨、道床、隧道壁监测点及周边建筑物在轨道不同距离监测点的典型时域波形图和频率域谱图,首先依据实际监测数据计算普通整体道床轨道与纵向轨枕轨道之间各个监测点的铅垂向计权网络最大Z振级(VLZmax),分析普通整体道床轨道与纵向轨枕轨道之间钢轨、道床、隧道壁各测点的振动最大振级差值,充分阐述纵向轨枕轨道的减震效果;然后对普通整体道床周边建筑物不同监测点的最大Z振级进行计算,确定最大Z振级范围,判定其值是否已经超过规范要求及与地铁运营轨道振动的相关性,提出减震措施建议;最后对采用纵向轨枕减振道床减震措施处理后的周边建筑物监测点进行二次监测,得到的最大Z振级监测数据均在规范允许范围以内,认识到轨枕减振道床减震技术对于易发生共振的临近建筑物减震效果最为明显。