轨道刚度变化对高速列车-板式轨道系统振动响应的影响分析

针对板式轨道的结构特点,利用横向有限条与板段单元模拟板式轨道,并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-板式轨道动力学耦合系统的竖向振动矩阵方程.在此基础上,分析了板式轨道的刚度变化对此系统竖向振动响应的影响规律.计算结果表明,合理的轨道刚度将有利于降低此系统的竖向振动响应.并建议CA砂浆刚度合理的取值范围为1 000—1 500 MPa/m,轨下垫层刚度合理的取值范围为60—80 kN/mm.     

高速铁路随机振动轨道动力响应的概率分析

视车辆、轨道为一个系统,利用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的"对号入座"法则建立该系统的竖向振动方程,考虑轨道随机不平顺,得到列车5种运行速度下轨道的随机动力响应.列车每种速度下每次得到的轨道动力响应最大值视为随机变量的一次观察值.计算结果表明:列车每种速度下钢轨和轨道板的位移最大值、加速度最大值、车轮加速度最大值以及轮轨力最大值等随机变量均服从正态分布;随着列车运行速度增加,轮轨力最大值随机变量的均值和轨道动力响应最大值随机变量的均值亦增加.     

基于傅立叶变换法的高速铁路轨道振动分析

建立轨道结构三层弹性梁模型,考虑轨道不平顺对振动响应的影响,利用傅立叶变换法求解振动位移.通过计算我国现有几种高速动车组运行时引发轨道结构的振动位移响应,得到轨道结构的振动加速度,分析了轨道不平顺及列车速度对振动幅值的影响.研究表明,较差的轨道不平顺状态及列车高速运行的组合情况下,轨道振动响应幅值将迅速增大.     

移动荷载作用下加筋路堤和轨道系统的三维动力响应

用解析法研究了加筋路堤上轨道系统在移动荷载作用下的三维动力响应问题。基于Biot多孔弹性介质的波动理论,建立了加筋路堤轨道系统分析模型。将钢轨简化为无限长弹性Euler梁,将枕木简化为连续质量块,将加筋路堤作为一横观各向同性层来考虑,将下卧土体考虑为由Biot波动方程描述的饱和半空间。联立轨道系统、加筋路堤和下卧土体的动力方程,在Fourier变换域内求解荷载作用下钢轨位移和土体位移的表达式,将求得的表达式进行Fourier逆变换得到其在时域里的表达式。研究了列车移动速度、加筋路堤层的厚度、荷载幅值大小和加筋率等对路堤及轨道系统动力响应的影响。计算结果表明,钢轨竖向变形随着速度的增大呈现先增大后减小的趋势;加筋路堤上的钢轨竖向变形显著小于同厚度下未加筋路堤上的钢轨竖向变形;钢轨竖向变形随着荷载幅值的增大而增大;随着加筋率的增大而减小。     

连续梁桥上CRTS双块式无砟轨道疲劳特性

为探讨梁轨非线性互制作用下连续梁桥上双块式无砟轨道系统静动力荷载下结构响应，预测桥上无砟轨道结构的疲劳寿命，基于梁轨相互作用原理与车辆-轨道-桥梁耦合动力学原理，以昌景黄铁路某(40+64+40)m连续梁为研究对象，采用有限元方法建立了考虑桥梁、支座、底座板、道床板、扣件和钢轨等构件及结构层间非线性约束的连续梁-CRTS双块式无砟轨道的一体化空间分析模型，研究列车静活载作用下桥梁、道床板、底座板及钢轨的动力响应特性与无缝线路纵向力分布规律，分析连续梁桥上无砟轨道结构疲劳特性。结果表明：温度荷载作用下钢轨最大压应力位于连续梁两端，最大拉应力位于桥梁跨中；竖向荷载作用下钢轨最大拉应力位于连续梁桥墩，最大压应力位于桥梁跨中；制动荷载作用下钢轨拉、压应力极值均位于桥梁桥墩；钢轨纵向力由温度荷载控制，最大应力为143.1 MPa,满足规范要求；列车动载作用下，简支梁和连续梁上钢轨最大拉、压应力相当，道床板最大拉应力出现在连续梁跨中限位凹槽附近，其板底拉应力大于板顶，底座板最大拉应力出现在连续梁主墩附近，且板顶和板底的拉、压应力基本相同；列车动载作用下，钢轨最易破坏处寿命约27.1 a,道床板和底...     

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.     

快速地铁系统中轨道过渡区域弹条动力学研究

为了研究快速地铁线路中不同轨道过渡区域扣件弹条的力学行为变化,基于车辆-轨道耦合动力学理论和多体动力学理论,建立地铁车辆-轨道过渡段动力学模型,探究地铁车辆快速通过时的弹条动位移。基于有限元理论,构建e型弹条三维实体有限元模型,将弹条动位移作为边界条件施加于该有限元模型,研究轨道过渡区域弹条在地铁快速运行状态下的应力变化规律,并在此基础上提出钢轨位移差的控制限值。结果表明:当地铁列车以120 km/h的速度通过轨道过渡区域时,浮置板轨道侧的弹条动位移要大于整体道床侧;弹条动应力最大位置发生在弹条后拱内侧;建议快速地铁轨道过渡区域的钢轨位移差应小于1. 6 mm,以保证弹条的正常使用和地铁列车的安全运营。     

轨道刚度不平顺对高速车-轨-桥系统振动的影响

轨道刚度不平顺从轨面上难以区分,当列车通过时则会产生巨大的轮轨冲击或轨道变形,严重影响系统的安全平稳运营。针对该问题,首先解析推导了轨道刚度不平顺的数学表达式,并基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论建立了高速列车-板式轨道-轨桥耦合动力学模型;在此基础上从时域和频域角度研究了常规型轨道刚度不平顺对系统的影响;并以扣件失效为例,研究了缺陷型轨道刚度不平顺对系统动态特性的影响规律。结果表明:轨道刚度不平顺对系统振动有明显影响;轮轨力、轮对加速度及构架沉浮加速度等列车振动响应明显,表现出扣件间距及轨道板长度的周期性影响;在所考察的指标中,构架点头加速度对轨道刚度不平顺最为敏感;当考虑结构弹性后,轨道板边缘位置处的振动较板中位置处的振动大,两位置处钢轨加速度幅值比为1.17,而轨道板的加速度比值则达到了2.2;常规型轨道刚度不平顺主要引起结构周期振动,可能导致系统共振,加速结构损伤;缺陷型轨道刚度不平顺会造成轮轨冲击,严重时导致轮轨垂向力和轮重减载率超标,威胁行车安全;列车在250~350 km/h之间速度运行时,失效扣件的数量最多为1个。     

列车—轨道—地道桥时变系统振动分析

建立了列车—轨道—地道桥振动分析模型，其中车辆(包括机车)表示成19个自由度的多刚体系统模型，直线轨道离散成30个自由度的空间轨道单元，地道桥划分为46个自由度的空间框架单元；运用弹性系统动力学总势能不变值原理和“对号入座”法则形成空间耦合时变系统的振动方程；根据振动能量随机分析理论，以人工构架蛇行波和轨道竖向不平顺为激振源，对该系统的各种响应进行分析．计算结果与实测结果比较接近，表明所建立的车轨桥模型和采用分析方法用于地道桥车振分析切实可行．     

高速列车随机激振载荷无砟轨道路基的动应力分布规律

相较于传统的列车轨道路基整体耦合三维有限元模型，提出一种优化处理列车荷载的方法，基于多体系统动力学理论建立列车轨道垂向耦合模型，并通过数值计算得到考虑了轨道随机不平顺条件下的轮轨激振载荷，随后利用二次开发子程序将轮轨载荷导入无砟轨道路基天然地基土非线性数值分析三维有限元模型，在此基础上研究分析高速移动荷载作用下路基的动应力分布规律。研究结果表明：采用的车辆荷载处理方法在保证计算精度的前提下代替车辆不平顺轨道路基地基整体耦合振动模型，降低了建模及计算时间成本；竖向动应力沿横向分布规律，在轨道结构中数值较大，路基基床内远小于轨道结构中的数值，基床表层及基床底层底面出现"马鞍形"分布；沿竖向分布，随着深度的增加，竖向动应力逐渐减小，在基床表层内的衰减率较大，甚至超过50%；沿纵向分布，在各结构层内产生了与转向架数目相等的应力峰值数目，列车运行过程中轨道及路基动应力的变化可以看作是反复的加、卸载过程；列车移动速度对路基动力响应影响作用明显，时速由200 km/h增长到350 km/h时，各结构层动应力幅值增长均超过30%。     

Analysis theory of spatial vibration of high-speed train and slab track system

The motor and trailer cars of a high-speed train were modeled as a multi-rigid body system with two suspensions. According to structural characteristic of a slab track, a new spatial vibration model of track segment element of the slab track was put forward. The spatial vibration equation set of the high-speed train and slab track system was then established on the basis of the principle of total potential energy with stationary value in elastic system dynamics and the rule of ＂set-in-right-position＂ for formulating system matrices. The equation set was solved by the Wilson-θ direct integration method. The contents mentioned above constitute the analysis theory of spatial vibration of high-speed train and slab track system. The theory was then verified by the high-speed running experiment carried out on the slab track in the Qinghuangdao-Shenyang passenger transport line. The results show that the calculated results agree well with the measured rcsults, such as the calculated lateral and vertical rail displacements are 0.82 mm and 0.9 mm and the measured ones 0.75 mm and 0.93 mm, respectively; the calculated lateral and vertical wheel-rail forces are 8.9 kN and 102.3 kN and the measured ones 8.6 kN and 80.2 kN, respectively. The interpolation method, that is, the lateral finite strip and slab segment element, for slab deformation proposed is of simplification and applicability compared with the traditional plate element method. All of these demonstrate the reliability of the theory proposed.     

Temperature-induced deformation of CRTS II slab track and its effect on track dynamical properties

Two finite-element models of the CRTS II slab track are presented to simulate temperature-induced deformations of the concrete track slab with no deterioration or with a deteriorated cement asphalt mortar(CAM).One model,which considers the fully bonding interface between the slab and the CAM layer,could applied to a track that is in good condition;the other model uses cohesive zone elements to simulate the deteriorated CAM with some possible interfacial separation and slip.Utilizing both of the models,temperature-induced warp deformations of track under various temperature loads are investigated.The influence of temperature deformation on the dynamic properties of the track is analyzed based on the train-track coupled dynamics.Numerical results show that the deteriorated CAM layer can significantly increase temperature deformations of a CRTS II track slab,which would produce tiny rail irregularities.There are clear differences between the deformation shapes of the track slabs that have an inseparable mortar layer and those have a separable mortar layer.The track slab with a deteriorated mortar layer showed more open curl distortion than the track slab in good condition.The dynamical response index of the slab track is intensified to a certain level due to the temperature deformation;with an increase of the train speed,the track dynamical responses increased linearly.However,rail irregularities due to the temperature deformations are very tiny.Even if a track is exposed to extreme temperature loads and the mortar layer is deteriorated,temperature deformation can have a negligible effect on the track’s dynamical properties.     

Effect of cross-wind on spatial vibration responses of train and track system

By taking cross-wind forces acting on trains into consideration, a dynamic analysis method of the cross-wind and high-speed train and slab track system was proposed on the basis of the analysis theory of spatial vibration of high-speed train and slab track system. The corresponding computer program was written by FORTRAN language. The dynamic responses of the high-speed train and slab track under cross-wind action were calculated. Meanwhile, the effects of the cross-wind on the dynamic responses of the system were also analyzed. The results show that the cross-wind has a significant influence on the lateral and vertical displacement responses of the car body, load reduction factor and overturning factor. For example, the maximum lateral displacement responses of the car body of the first trailer with and without cross-wind forces are 32.10 and 1.60 mm, respectively. The maximum vertical displacement responses of the car body of the first trailer with and without cross-wind forces are 6.60 and 3.29 mm, respectively. The maximum wheel load reduction factors of the first trailer with and without cross-wind forces are 0.43 and 0.22, respectively. The maximum overturning factors of the first trailer with and without cross-wind forces are 0.28 and 0.08, respectively. The cross-wind affects the derailment factor and lateral Sperling factor of the moving train to a certain extent. However, the lateral and vertical displacement responses of rails with the cross-wind are almost the same as those without the cross-wind. The method presented and the corresponding computer program can be used to calculate the interaction between trains and track in cross-wind. Foundation item: Project (2007CB714706) supported by the Major State Basic Research and Development Program of China; Project (50678176) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (NCET-07-0866) supported by the New Century Excellent Talents in University     

基于混凝土塑性损伤模型的轨道板损伤规律

基于混凝土塑性损伤模型,建立CRTS Ⅰ型轨道板损伤分布计算模型,将Tekscan传感器测得的钢轨支点压力作为荷载输入,以轨道板竖向位移及拉伸损伤因子作为评价指标,分析客货共线条件下水泥乳化沥青（CA）砂浆离缝状态时锚穴周边轨道板上表面混凝土的内部损伤规律. 结果表明：随着离缝长度的不断扩展,损伤产生及完全损伤的临界离缝高度均逐渐变小;当离缝长度扩展至第2、3锚穴时,客车荷载下损伤产生的临界离缝高度分别约为0.8、1.0 mm,货车荷载下约为0.5、0.8 mm;一旦超出损伤产生的临界离缝高度,由于轨道板损伤的发展,轨道结构整体抗弯刚度迅速降低导致板端竖向位移迅速增大;对于客车荷载,当离缝扩展至第3锚穴且高度大于1.0 mm后,CA砂浆形成脱空,板端位移不再增长,对于货车荷载,当离缝扩展至第3锚穴且高度大于1.3 mm后,由于二次损伤带的产生,板端竖向位移随离缝高度的增大迅速增大.     

高速铁路桥上CRTSⅡ板式无碴轨道施工技术研究

介绍了应用于京沪高铁桥梁上的一种新型的板式无碴轨道施工技术.主要包括桥面防水施工、底座板施工、轨道板施工、钢轨铺设等关键施工技术.这些新的施工技术对我国大力发展的高速铁路建设具有参考价值.     

季冻区CRTS I型无砟轨道不平顺规律及受力特性

为探讨路基冻胀变形对轨道不平顺及结构受力的影响规律,基于ANSYS有限单元分析方法,以哈大高速铁路冻胀区路基段为研究基础,建立了考虑限位凸台、凝胶树脂及层间粘结接触特征的CRTS I型板式无砟轨道-路基冻胀冻融耦合精细化有限元模型. 在此基础上,探讨局部冻胀区路基冻胀变形发生位置、不同冻胀波长及幅值对无砟轨道结构的影响,分析了短波冻胀下轨道不平顺、层间离缝特性与静力学性能. 结果表明:短波冻胀时无砟轨道结构不平顺范围、变形、离缝、受力等各项指标均随冻胀波长的减小、冻胀峰值的增加而增大;冻胀发生于底座板板中时对轨道结构受力影响最大,冻胀发生于底座板伸缩缝时对轨道结构变形离缝影响最大;相对于轨道板结构,底座板承受拉应力最大,冻胀发生于底座板板中时结构受力影响更大;在轨道结构抗拉强度方面,底座板为限制结构,建议冻胀检修限值的波长为10 m、峰值为5 mm.     

轨道交通中无砟轨道动力模型分析

本文首先对轨道交通中广泛采用的无砟轨道结构的减振特点进行了分析,并在对其结构尺寸分析的基础上,针对预制式轨道板结构的特点,本文建立了预制式浮置板结构的动力分析模型,即结构的刚体振动模型。同时比较了现浇连续型轨道板的梁的振动分析模型,根据无砟轨道轨道板上述两种动力分析模型对计算结果的影响分析,确定了轨道板上述两种动力模型的应用范围：刚体模型在工程中一般适应于预制式无砟轨道结构,当轨道板的长厚比小于或等于25时,其动力模型取为刚体模型;反之,轨道板的长厚比大于25时其动力模型取为梁模型,梁模型一般适应于现浇的无砟轨道轨道板结构。