无砟轨道-箱梁结构振动传递及参数影响分析

随着高架桥梁在轨道交通中的广泛应用,轨道交通引起的桥梁结构振动与噪声问题越来越引起人们的关注。以常见的无砟轨道-箱梁结构为研究对象,考虑常用的扣件、桥梁支座及CA砂浆性能参数,基于轨道和桥梁振动理论建立钢轨-轨道板-CA砂浆层-基座-桥梁系统空间实体振动分析模型,以轨道和桥梁结构的位移导纳为考核指标,分析振动在无砟轨道-箱梁结构中的传递,研究各关键参数对振动衰减的影响。计算结果表明:高速列车运行引起的10 Hz以内的低频振动衰减较慢,10 Hz以上的振动随着频率的增加衰减速度逐渐加快;桥梁腹板10 Hz以内的横向振动幅值约为竖向振动的10%,10 Hz以上两者振动水平相当;桥梁支座对桥梁结构低频振动有一定减振作用,而弹性扣件对中高频的桥梁结构振动有减振作用,CA砂浆层刚度对桥梁结构的振动影响较小;低刚度扣件减小桥梁振动的同时,会加剧较高频率的钢轨振动。计算及分析结果可为高速铁路桥梁结构的减振降噪设计提供参考。     

基于2.5维有限元-边界元分析轨道随机不平顺影响下的铁路地基振动

建立了完善的2.5维有限元-边界元耦合模型分析移动谐荷载作用下钢轨、扣件、轨枕、道砟、路基和地基等各部分的振动响应;利用既有的车辆-轨道-路基-地基耦合系统垂向振动解析模型得到轨道谐波高低不平顺引起的垂向动态轮轨力;在此基础上,结合轨道随机不平顺功率谱密度,提出了列车运行引起的地基振动功率谱计算方法。对比分析了地基表面测点垂向振动加速度级的理论计算与现场实测结果,证明了本文模型的合理性。模型能有效地分析具有复杂横截面形状的轨道-路基-地基系统的振动响应以及多种轨道、地基减振隔振措施的影响,且具有较高的计算效率,适用于铁路线路设计阶段的方案比较研究。     

扣件胶垫温变特性对车辆-轨道垂向耦合动力响应的影响分析

为了更加科学的表征扣件系统的温变力学特性,以此实现车辆-轨道耦合振动的精确预测,以高速铁路WJ-7B型常阻力扣件的扣件胶垫为研究对象,采用动态力学分析仪对扣件胶垫进行温度扫描试验,将试验所得的模型参数与基于格林函数法建立车辆-轨道垂向耦合动力学分析模型相结合,采用虚拟激励法分析扣件胶垫温变对车辆、轨道的结构振动响应的影响规律。计算结果表明:扣件胶垫的模量值和损耗因子具有明显的低温敏感性;扣件胶垫的温变特性对车体的振动响应基本无影响;转向架、轮轨力、轮对、钢轨在中频段内的振动响应峰值频率随温度降低均向右迁移,峰值减小;扣件胶垫的刚度和损耗因子在玻璃化转变区数值较大,导致轮轨耦合系统的刚度和损耗因子均较大,表现为振动主频的右移和高频振动响应的衰减。     

扣件刚度频变特性对轮轨振动噪声的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论和声学理论,建立了考虑扣件刚度频变特性的轮轨滚动噪声频域分析模型。模型中,通过车轮有限元分析获得其模态特征向量,建立考虑车轮弹性的动力学方程;钢轨视为由刚度随频率变化的扣件离散支承的铁摩辛柯梁模型;通过等效线性化轮轨接触形成轮轨耦合动力学频域分析模型;将轨道粗糙度作为输入并考虑接触区滤波,计算得到了车轮和钢轨的振动响应频谱及声辐射功率频谱,并分析了扣件刚度频变特性对轮轨垂向振动以及轮轨滚动噪声的影响。结果表明,扣件刚度的频变特性对钢轨导纳特性、轮轨相互作用力频谱、钢轨总声功率影响明显,而对车轮总声功率影响较小;与扣件常刚度模型计算结果相比,钢轨振动沿纵向传播的衰减率增大,钢轨声辐射功率在100~1 250 Hz频段明显减小,轮轨总辐射声功率约减小2.4 dBA,轮轨噪声辐射声压预测值与试验结果对比表明,频变刚度模型可有效修正常刚度系数模型对轮轨噪声的过高估计。     

不同减振扣件的轨道结构横向振动测试与分析

轨道结构的固有特性不因车辆系统及列车运营状态的变化而变化,可通过轨道的振动动态频响测试来辨识系统的传递特性和特征参数。基于国内某地铁正常运行的350 m小半径曲线线路,测试双层非线性减振扣件、III型轨道减振器扣件及DTVI2减振扣件等3种轨道结构线路在正常列车运营条件下钢轨动态振动响应及对应线路钢轨波磨水平,得到频率大于400 Hz时III型轨道减振器扣件及双层非线性扣件的钢轨横向振动大于垂向振动。结合线路钢轨波浪磨耗的特征,在车速65 km/h下中等减振扣件(双层非线性扣件与III型轨道减振器扣件)钢轨波磨多集中在50mm～80 mm短波长,分析得到III型轨道减振器扣件及双层非线性扣件的钢轨横向动态振动频响峰值与其钢轨波浪磨耗激励的200 Hz～400 Hz频率范围基本吻合,初步得到区段钢轨波磨形成和发展的影响因素。同时,采用锤击方法对比3种扣件轨道结构型式下轨道的振动衰减率及阻尼特性,综合结果发现双层非线性减振扣件相对于其他两种扣件轨道结构型式特别在400 Hz～630 Hz频段范围对钢轨的横向振动有较好的抑制作用。     

曲线轨道参数对钢轨振动衰减率的影响研究

建立曲线轨道解析模型,研究扣件刚度、扣件阻尼、扣件间距以及曲线轨道半径对钢轨振动衰减率的影响规律。轨道模型考虑为具有周期性离散支承的曲线Timoshenko梁,在频域内,将曲线钢轨的位移及转角表达为轨道模态的叠加,进而求解固定谐振荷载作用下曲线轨道的平面内和平面外动力响应。由于此轨道模型为无限周期性结构,将周期性结构理论应用于轨道模型的运动方程,可以在一个基本元内高效地求解轨道的动力响应。利用此模型计算固定谐振荷载作用下曲线钢轨的速度频响函数,据此计算钢轨的振动衰减率。经计算分析可知:在2 000 Hz以内,扣件刚度对钢轨振动衰减率有一定的影响,随着扣件刚度的增加,钢轨振动衰减率增大;对于100 Hz以上频段,扣件阻尼对钢轨振动衰减率有非常显著的影响,增加扣件阻尼可以显著提高钢轨振动衰减率;如果考虑全频段的钢轨振动衰减率,0.6 m扣件间距要优于0.4 m和0.8 m扣件间距;对于铁路轨道或城市轨道交通的轨道,曲线轨道半径变化对钢轨振动衰减率没有影响。     

基于谱元法的车辆-轨道结构频域振动特性研究

基于谱元法建立车辆-轨道结构频域振动模型,其中轨道结构模拟为三层铁木辛柯梁,车辆部分考虑为整车模型,运用Lagrange方程实现车辆与轨道结构的耦合,并采用虚拟激励法将轨道不平顺模拟为虚拟荷载,通过求解车辆-轨道整体结构的谱元法方程,得到车辆-轨道结构在频域内的振动响应。结果表明:钢轨、轨道板和底座板的第一、二、四阶振动峰值分别由车体、转向架、车轮自振引起,其他振动峰值由轨道结构系统自振引起;钢轨、轨道板和底座板的振动能量分布在较宽的频率范围;在离开车辆一侧且距离端轮对2.5 m处,1～800 Hz内钢轨振动迅速衰减,当大于800 Hz时,钢轨振动衰减缓慢;在距离端轮对18 m处,25～1 171 Hz内钢轨振动衰减基本稳定;在距离端轮对20.5 m处,小于25 Hz时,钢轨振动随着离开端轮对距离的增加迅速衰减,当大于1 171 Hz时,钢轨振动则衰减较小。     

浮置板轨道参数激励振动研究

浮置板轨道结构中,浮置板布置的周期性和不连续性导致轨道刚度的周期性变化。车辆行驶在浮置板轨道上时,轨道刚度的周期性变化会引起参数激励振动。为了研究该问题,将钢轨和浮置板视为模态梁,钢轨扣件和隔振器视为线性弹簧-阻尼器;车辆采用相邻车厢距离最近的两台转向架模型,建立了车辆-浮置板轨道耦合动力学模型。应用该模型分析了浮置板轨道参数激励振动的形成机理及影响因素,提出了减小参数激励振动的控制措施。计算结果表明:振动的频率成分主要为车轮通过浮置板的频率及其倍频;轮轨作用力随着车辆速度的提高而增加,随着隔振固有频率的减小而增加;调整浮置板下隔振器的位置和刚度可以降低参数激励振动引起的轮轨作用力。     

高速铁路扣件弹条动力学分析

为了研究扣件弹条在高速列车动荷载作用下的振动特性,以我国高速铁路采用的Vossloh扣件弹条为研究对象,采用ABAQUS有限元软件建立详细的扣件系统有限元模型,基于非线性接触理论与车辆-轨道耦合动力学理论,研究弹条在安装过程中的受力及列车动荷载作用下的振动特性,并与现场实测结果进行了对比验证。结果表明：螺栓预压力施加到33kN时,弹条达到正常安装状态,此时弹条中圈环位移为20.3mm,弹条扣压力为13.8kN;考虑钢轨波磨情况下,弹条加速度和振动位移最大值分别约为3g、0.05mm,计算结果与实测结果在振动形态与幅值上均基本一致,弹条振动加速度与不考虑钢轨波磨下的结果相比约增大10倍,明显加剧了扣件弹条的振动,从而会加速弹条的疲劳损伤。     

不同轨道结构形式下地铁隧道振动传递特性试验研究

为探明不同轨道结构形式下地铁隧道的振动传递特性及减振效果,以南昌地铁3 号线为工程背景,分别选取普通板式轨道地段、双层非线性减振扣件轨道地段、隔离式减振垫轨道地段,开展现场锤击试验。基于现场测试结果,研究不同轨道结构形式下地铁隧道的振动传递特性,并分析不同轨道结构的减振效果。结果表明：隔离式减振垫轨道的减振效果最佳,其次是双层非线性减振扣件轨道,普通板式轨道减振效果最差;双层非线性减振扣件轨道在80 Hz～170 Hz范围内表现出良好的减振特性,隔离式减振垫轨道则在30 Hz 以上频段均表现出显著的减振特性;与普通板式轨道相比,双层非线性减振扣件轨道和隔离式减振垫轨道的减振效果分别约为5.6 dB和10 dB。