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.     

季节冻土区夏季轨道结构振动反应现场监测

为了研究季节冻土区在无冻土层时列车正常行驶引起的铁路轨道结构振动反应特征与衰减规律,针对哈尔滨-大庆铁路夏季振动反应进行了现场监测.合理定义振动反应加速度特征值,并结合加速度反应时程曲线对钢轨、轨枕、路基和场地振动反应特性取得定量认识,提出用负幂次函数等拟合路基振动反应衰减关系并给出拟合参数;获得列车行驶速度、车辆结构、重载等对钢轨、轨枕、路基的振动反应影响显著,无缝线路列车高速行驶过程中钢轨纵向振动不可忽视且值得深入研究等结论.     

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．     

采空区场地高速铁路路基动力响应离散元数值模拟分析

目的 高速铁路穿越采空区场地存在重大安全隐患,为探讨采空区场地高速铁路路基的动力响应规律,方法 利用3DEC离散元软件建立17组采空区场地高速铁路路基数值模型,分析不同列车荷载作用下路基内部的沉降变形和动应力分布规律,对比分析无砟轨道和有砟轨道路基内部动力响应的分布差异,分析采空区开采宽度、厚度对动力响应分布规律的影响。结果 与无砟轨道相比,有砟轨道路基内部的动应力幅值明显更高,但其动应力的衰减速率也更高;动应力、动位移的时程曲线沿着路基深度方向出现不断增大的相位差;路基内部动位移幅值随着荷载作用时间增加而逐渐增大,但增大的速度不断降低,动应力幅值基本保持不变;动应力、动位移幅值与列车轴重存在明显的线性关系,随着轴重增加而线性增大;采空区开采宽度、厚度越大,列车荷载造成的动位移幅值也越大,但当开采宽度大于一定数值后,动位移幅值反而出现减小趋势。结论 列车荷载、路基轨道类型和采空区场地的差异都会对路基内部的动力响应分布情况产生影响,研究结果可为采空区场地高速铁路的安全运行提供理论参考。     

青藏铁路多年冻土路基热—力稳定性数值仿真分析

结合冻土流变学、冻土物理学、冻土力学和传热学等相关学科的基本理论,并考虑水分场与温度场的耦合作用及温度对冻土路基力学特征的影响;同时引入冻土野外试验蠕变方程,进而建立了冻土路基的水、热、力(蠕变)分析数学模型,并编制了相应的有限元计算程序。随后,以青藏铁路某试验段路基为例,对多年冻土区路基的热—力稳定性问题进行了系统研究,并通过与现场实测数据对比发现,所建立的冻土路基热—力理论模型正确合理,较好地分析预测了青藏铁路多年冻土路基的长期稳定性。     

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.     

基于惯性基准法的短波不平顺影响因素研究

针对轨面短波不平顺敏感因素问题,利用多体动力学软件Universal Mechanical建立车辆-轨道耦合动力学模型,基于惯性基准法原理仿真检测轨面短波高低不平顺,分析轨道结构及其关键参数对轨面短波高低不平顺的影响.分析结果表明,柔性轨道估算不平顺大于无质量轨道,最大幅值差为0.076 mm,轨道结构振动对轨面短波高低不平顺具有一定影响,主要影响波长范围为0.15～0.46 m;扣件系统垂向刚度对短波不平顺的影响较大,幅值变化明显,波长0.15～0.33 m内轨道谱随扣件刚度的增大显著增大;短波不平顺随扣件阻尼、路基支承刚度及路基支承阻尼的增大而减小,主要影响波长范围分别为0.27～0.46、0.15～0.33及0.28～0.40 m;短波不平顺随轨枕间距的增大而略增大.研究成果可为短波不平顺的维护与控制提供理论依据,为列车运营安全提供保障.     

青藏铁路冻土未冻水含量与热参数试验

针对青藏铁路沿线路基中广泛分布的冻结粉质粘土,采用脉冲核磁共振法测定不同初始含水量、不同温度条件下冻土中未冻水含量;同时,采用稳定态比较法测定冻土的导热系数,采用量热法测定冻土的比热,据此计算冻土的容积热容量和导温系数.结果表明:冻土中未冻水含量随负温和初始含水量降低而降低,在0~-2℃与初始含水量接近,在-2~-5℃陡降,在-5℃达到突变点,随后又随负温降低而缓慢下降,负温低于-5℃时未冻水含量受初始含水量影响甚微且在13%、18%、23%3种初始含水量条件下的未冻水含量趋于一致;冻土的导热系数随负温降低、初始含水量增大而增大;冻土的容积热容量随负温升高、初始含水量增大而增大;冻土的导温系数随负温升高、初始含水量增大而减小.     

青藏铁路主要冻土路基工程热稳定性及主要冻融灾害

在介绍青藏高原多年冻土退化背景及其工程影响的基础上,通过主要冻土路基现场监测和沿线调查,对青藏铁路冻土路基2002年以来的地温发展过程、热学稳定性及次生冻融灾害进行了分析。结果表明:青藏铁路自2006年通车后冻土路基整体稳定,列车运行速度达100km/h,达到设计要求,但不同结构路基的热学稳定性不同,采取“主动冷却”方法的路基稳定性显著优于传统普通填土路基。管道通风路基、遮阳棚路基及U型块石路基冷却下伏多年冻土的效果显著,块石基底路基左右侧对称性较差,而处于强烈退化冻土区和高温冻土区的普通路基热稳定性差,需结合路基所在区域局地气候因素予以调整或补强。以热融性、冻胀性及冻融性灾害为主的次生冻融灾害对路基稳定性存在潜在危害,主要表现为路基沉陷、掩埋、侧向热侵蚀等,其中目前最为严重的病害是以路桥过渡段沉降为代表的热融性灾害。     

饱和地基上铁路交通引起的地面振动分析

针对饱和地基上列车运行引起的地面振动问题,利用列车-轨道有限元模型计算得到轨道与路基间的相互作用力,经傅立叶变换后作为地面振动计算的激励荷载;在此基础上,结合由薄层法得到的饱和地基动力G reen函数,对饱和地基上列车行驶条件下所产生的地面振动进行了计算分析和振动评价.结果表明:列车车速在一定范围内对振动有较大影响;列车引起的地面振动在近轨道处基本能够满足住宅区振动标准.     

Numerical investigation of piled raft foundation in mitigating embankment vibrations induced by high-speed trains

A three-dimensional dynamic finite element model of track-ballast-embankment and piled raft foundation system is established. Dynamic response of a railway embankment to a high-speed train is simulated for two cases: soft ground improved by piled raft foundation, and untreated soft ground. The obtained results are compared both in time domain and frequency domain to evaluate the effectiveness of the ground improvement in mitigating the embankment vibrations induced by high-speed trains. The results show that ground improving methods can significantly reduce the embankment vibrations at all considered train speeds(36-432 km/h). The ground response to a moving load is dictated largely by the relationship between load speed and characteristic value of wave velocities of the ground medium. At low speeds, the ground response from a moving load is essentially quasi-static. That is, the displacements fields are essential the static fields under the load simply moving with it. For the soft ground, the displacement on the ballast surface is large at all observed train speeds. For the model case where the ground is improved by piled raft foundation, the peak displacement is reduced at all considered train speeds compared with the case without ground improvement. Based on the effect of energy-dissipating of ballast-embankment-ground system with damping, the train-induced vibration waves moving in ballast and embankment are trapped and dissipated, and thus the vibration amplitudes of dynamic displacement outside the embankment are significantly reduced. But for the vibration amplitude of dynamic velocity, the vibration waves in embankment are absorbed or reflected back, and the velocity amplitudes at the ballast and embankment surface are enhanced. For the change of the vibration character of embankment and ballast, the bearing capacity and dynamic character are improved. Therefore, both of the static and dynamic displacements are reduced by ground improvement; the dynamic velocity of ballast and embankment increases with the increase of train speed and its vibration noise is another issue of concern that should be carefully evaluated because it is associated with the running safety and comfort of high-speed trains.     

中低速磁浮列车过轨缝的间隙信号处理算法及实现

悬浮传感器间隙信号的正确处理是实现磁浮列车稳定悬浮控制的重要基础,若磁浮列车在过轨缝时的间隙信号处理不当会带来阶跃干扰,易使悬浮控制出现过度调节,影响悬浮系统的稳定性,甚至导致磁浮列车发生振动或砸轨。现实中磁浮列车也确实易在过轨缝时发生振动或砸轨现象,因此,为解决这一实际问题,结合实验线和某磁浮运行线磁浮列车过轨缝的间隙信号数据特点,提出一种新的磁浮列车过轨缝的间隙信号处理算法。该算法通过提取磁浮列车过轨缝时的实验和运行数据的间隙信号特点,区分开理想轨缝和轨道台阶,并设计了一种间隙补偿方法。仿真结果表明,所提算法可有效处理轨道台阶带来的信号干扰,提升悬浮控制系统的稳定性。     

高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法

针对高铁运行引起的地基振动和塑性变形问题,提出高铁荷载作用下弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法。将高铁运行诱发的地基变形视为材料非线性问题,采用改进的摩尔-库伦模型模拟地基土,基于弹性地基2.5维有限元法,将通过弹性理论计算得到的位移作为试探位移,经摩尔-库伦屈服准则判定屈服后,引入切线刚度迭代法、后向欧拉积分算法和一致切线模量算法实现刚度矩阵的更新迭代,从而求解出高铁运行引起的塑性变形。在此基础上,将轨道视为Eular梁,采用修正的多频列车荷载模拟高铁列车运行,并使用黏弹性人工边界处理截断边界,建立高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元验证模型。通过与移动点荷载弹性半空间解析解和地面振动实测结果进行对比,验证本文弹塑性地基2.5维有限元法理论的正确性及模型应用的可靠性,表明该方法可用于高效求解高铁运行引起的地面振动及累积变形问题。     

地震-高铁荷载共同作用下分层地基震动规律

为研究地震期间高速列车运行引起的地基震动规律,基于等效荷载法推导了频域内地震荷载输入公式,采用等效线性化方法考虑地基土非线性特性,结合高铁荷载下地基振动2.5维有限元计算方法,建立了地震-高铁荷载共同作用下非线性分层地基2.5维有限元模型,计算分析了车速及地基软硬对两动荷载共同作用下分层地基震动影响。结果表明：地震-高铁荷载引起的轨道中心处地面震动位移随车速的增大而增大;车速相同时轨道中心处地面震动位移随地基土刚度的增大而减小。地震和高铁荷载共同作用时地基震动会产生低频放大效应,车速越高、地基越软时地基低频震动放大效应越明显;两动载共同作用引起的地基中高频震动主要受列车荷载影响。近轨道中心处,地面震动主要受地震和高铁荷载共同作用影响;距轨道中心较远处,地面震动主要受地震荷载影响,高铁荷载的影响较小。     

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...     

考虑满载率均衡的城市轨道交通直通运营开行方案优化

为了优化城市轨道交通直通运营的开行方案,分析了城市轨道交通直通运营的运营组织方法,划分了直通运营条件下乘客OD类型,提出了直通运营条件下的列车满载率不均衡系数的计算方法;加入了对列车多编组以及满载率不均衡性的考虑,以直通运营区间范围、不同列车发车频率、不同列车编组为决策变量,以最小化乘客出行成本、企业运营成本以及满载率不均衡系数为目标,构建了直通运营条件下城市轨道交通列车开行方案优化模型,设计了混合编码的遗传算法进行求解;以北京地铁房山线与9号线为例,研究了高峰时段和平峰时段最优的城市轨道交通直通运营开行方案,对比分析了直通运营与独立运营模式下的区间满载率等运营指标,探究了不同目标权重对最优解及优化结果的影响。结果表明：在高峰时段,与独立运营模式相比,直通运营模式在不改变列车编组的条件下,优化效果达到了12.85%;在平峰时段,开行多编组的列车可以有效地提高全线的满载率均衡性;最后通过权重分析发现随着乘客服务水平权重下降、运营企业成本权重上升,直通列车的发车频率下降,直通运营区段逐渐变小,开通直通运营列车的效果逐渐变差。