基于高速铁路路基冻胀的轮轨动力响应研究

季节性冻土区高速铁路无砟轨道路基冻胀,影响了列车运行的安全性、舒适性以及无砟轨道主体结构的服役性能。为研究路基冻胀和高速行车荷载组合效应下的轮轨动力响应,建立了车辆-轨道-路基冻胀耦合动力学模型,对路基不同冻胀幅值、冻胀位置和行车速度下CRTSⅠ型板式无砟轨道轮轨动力响应及轨道结构受力进行分析。结果表明:冻胀发生区段轮轨动力响应增大,列车以350 km/h运行时的安全性和舒适性满足冻胀管理标准要求,但轮轨力随冻胀幅值和速度的增加而增大;轨道板和底座板振动加剧,在计算冻胀波长和幅值范围内,离缝处轨道板振动加速度峰值超过动态验收标准要求,容易引起离缝处CA砂浆层及路基基床表层伤损破坏,且轨道板、底座板振动加速度随行车速度增加而增大;轨道结构动应力和列车荷载传递关系密切,路基冻胀状态下列车荷载引起轨道板和底座板处于交替和交变的拉压受力状态,需要在设计中提出控制裂纹的措施,行车速度对短波冻胀时轨道结构受力影响较小。     

高速列车振动荷载作用下电缆隧道结构动力响应分析

城市中地下管线铺设较为复杂,城市轨道或者城际高速铁路会修建在地下管线上方。以京津城际轨道交通工程为例,研究高速车辆振动荷载对铺设地下管线的隧道结构产生的动力影响。运用耦合动力学,建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,计算高速列车通过时车辆-轨道耦合系统的动力响应。结合有限元理论,建立桩板-土体-隧道一体化纵横垂向空间耦合动力仿真模型。将车辆-轨道耦合系统振动分析模型得到的荷载谱,作为外部激励作用在动力仿真模型上,对电缆隧道的动力响应进行研究。计算结果表明,京津城际铁路运营后高速列车振动荷载的动力作用不会对桩板结构下的电缆隧道产生显著的不利影响。     

地震作用下高速列车与桥梁耦合振动分析

摘要: 为了研究地震作用下高速列车与桥梁耦合振动特性,通过分析JR300系列轮轨高速列车与高架桥在地震作用下的耦合振动,对轨道不平顺、不同地震波对耦合振动响应的影响进行比较研究。结果表明：轨道竖向不平顺会加大车体振动竖向加速度,在地震作用下,车体加速度会接近或超过规定限值;桥梁在地震与列车作用下,考虑轨道的竖向不平顺对桥梁的竖向响应影响较小;不同地震波激励对车桥振动响应影响有较大不同。     

列车-桥梁-汽车耦合振动仿真分析

用多刚体系统模拟列车、汽车车辆,用空间梁单元、杆单元模拟桥梁。采用密贴假定及蠕滑理论处理轮轨接触关系,设汽车轮胎与公路桥面为点接触且不分离建立列车-桥梁-汽车耦合振动分析模型,编制仿真分析软件。以某公路、铁路两用桥为例进行列车-桥梁-汽车耦合振动分析。结果表明,列车与汽车同时上桥且随汽车数量增多,列车机车及车辆的竖向加速度、脱轨系数、轮重减载率最大值明显增大,汽车对列车运行安全性具有不利影响。     

基于改进的EMD方法提取车辆-轨道垂向耦合系统动态特性

提出利用一种改进的经验模态分解（EMD）方法提取车辆-轨道耦合系统的动力学特性。该方法以改进的极值域均值代替极值点包络线的均值来提高局部均值的求解精度,以边界波形匹配预测法来抑制端点效应。基于车辆－轨道耦合动力学理论,建立客车-弹性支承块无砟轨道垂向耦合动力学模型,计算车辆-轨道耦合系统在波浪形磨损和轨道不平顺组合激励模型下的振动响应。运用改进的EMD方法对系统的振动响应进行经验模态分解,并且对轮轨力、转向架和车体加速度的本征函数进行分析和比较。研究结果表明：改进的EMD方法自适应地将振动响应分解成本征函数,能有效地提取车辆-轨道耦合系统的动力学特性。     

铁路新型钢-混凝土组合桁架桥在列车作用下的动力响应分析

对一种由三角形桁架和混凝土槽形板组成的铁路新型钢－混凝土组合桁架桥建立了车－桥动力相互作用空间分析模型,它由车辆模型和有限元桥梁模型组合而成,以轨道不平顺作为系统的自激激励源。以西安－平凉铁路上的马屋泾河特大桥主桥为工程背景,对这种新型钢-混组合结构的车桥耦合振动进行了动力仿真分析。对桥梁在重载货车、中速客车、高速客车等不同列车荷载工况下的动力响应进行了数值计算,并对桥上车辆的走行性能进行了评价。计算结果表明：该桥式方案能够满足三种类型列车在不同等级车速范围内安全、舒适的运行,可广泛用于我国货运、普通客运及高速铁路     

30t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应研究

为研究多跨30 t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,采用经过验证的梁轨相互作用模拟方法,建立了考虑桩-土共同作用、桥墩弹塑性变形、滑动支座摩阻力、线路非线性阻力的多跨重载铁路简支梁桥与双线有砟轨道相互作用仿真模型,揭示了一致激励和行波效应下重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,探讨了路基段钢轨长度、简支梁跨数、跨度、线路纵向阻力形式、滑动支座摩阻系数等设计参数的影响,分析了温度、列车制动和地震耦合作用下系统的受力特征。研究表明:当地形地质条件相差不大时,简支梁跨数可简化为11跨、路基段钢轨长度可取为150 m;线路阻力减小时,梁体间、梁体与桥台间可能出现碰撞现象甚至发生落梁;纵向一致激励下,钢轨应力包络图呈"双菱形",其最大值出现在桥台附近,而梁缝附近梁轨相对位移较大,易发生动力失稳;行波效应下,系统受力和变形规律发生显著改变,即使对于跨度较小的简支梁桥,也应考虑行波效应的影响;温度和列车制动作用将进一步增大轨道结构在地震中发生动力失稳的可能性。     

铁路卧铺客车人体振动舒适性建模与仿真

铁路卧铺客车乘客在卧姿状态下所承受的全身振动是影响其乘用舒适度的主要因素。研究了卧姿人体垂直振动模型,在铁道车辆二系悬挂动力学模型基础上,考虑卧铺的隔振作用与卧姿人体的垂直振动响应特性,建立了14自由度"人-铺-车辆"振动系统空间垂向耦合动力学模型,研究了在轨道随机不平顺激励下的卧姿人体垂直振动响应。应用卧姿人体全身振动舒适性评价标准,建立了铁路卧铺客车人体振动舒适性仿真流程。通过对人体头-臀二部位加速度均方根值先后进行部位计权和频率计权,得到卧铺客车卧姿人体振动舒适性指标。以M atlab为工具编制了卧铺客车人体振动舒适性仿真软件,交互输入车辆与人体的结构和动力学参数后,自动完成卧姿人体振动舒适性仿真计算,进而为铁路卧铺客车人体振动舒适性分析及车辆悬架参数优化提供了有效分析手段。     

不平顺条件下高速铁路轨道振动的解析研究

为了分析不平顺条件下高速铁路轨道结构振动,推导了移动车辆在轮对处和轨道结构在轮轨接触点处的柔度矩阵,考虑移动轴荷载和轨道不平顺,建立了移动车辆-轨道垂向耦合振动的解析模型.模型中,移动车辆考虑为弹簧和阻尼器连接的多刚体系统;有碴轨道结构模拟为连续弹性3层梁;轮轨间考虑为线性赫兹接触.算例分析了单台TGV高速动车引起的有碴轨道结构振动,得到轨道不平顺引起的动态轮轨力和轨道各部分的最大振动加速度,研究了列车速度、轨道不平顺以及轨下垫板及扣件、道床和路基等轨下基础刚度对轨道振动的影响.计算表明:随着列车速度和轨道不平顺的增加,轨道结构的振动响应不断增大;轨下基础刚度对轨枕和道床的振动影响较大,对钢轨振动的影响较小.     

意大利高速铁路Sesia大桥的动力特性及车桥耦合振动分析

建立了包括钢轨、轨枕、道床、梁体在内的意大利Sesia大桥空间有限元模型,对桥梁的自振特性进行了计算和实测分析。按照轮轨密贴接触假定推导了车-桥系统耦合运动方程组,以德国低干扰谱生成轨道不平顺样本作为激励源,对意大利ETR500Y高速列车通过Sesia大桥引起的桥梁动力响应和桥上车辆的振动响应进行了计算分析,讨论了共振车速的范围并对桥上车辆的运行安全性和平稳性进行了评价。部分计算结果与实测数据进行了对比,吻合较好,从而验证了所建立的模型及分析方法的精度和有效性。结果表明：Sesia大桥结构刚度很大,当列车以288km/h的速度通过时,挠跨比只有1/17510;当列车以340km/h的速度通过时,桥梁的竖向位移出现了一个较为明显的峰值,说明这一速度可能引发结构共振;桥上车辆的各项动力指标响应值均很小,能较好地满足高速行车要求。     

重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。     

京沪高速铁路南京长江大桥列车走行性分析

运用桥梁结构动力学与车辆动力学的研究方法,将车桥作为联合动力体系,建立了高速列车与大跨度斜拉桥的车桥耦合动力分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥3塔斜拉桥方案为例,分析了大跨度斜拉桥在ICE高速列车作用下的车桥动力响应特点;同时,基于合理的列车走行性评价指标,对高速列车通过大跨度斜拉桥时的走行安全性与舒适性进行了详细分析,初步探讨了大跨度斜拉桥用于高速铁路的可行性。     

客货共线无砟轨道轮轨力统计特征研究

客货共线无砟轨道,相较于客运专线,货车轴重的增加势必造成列车荷载的增大,而轨道结构直接承受列车荷载的作用,因而有必要对客货共线无砟轨道轮轨力荷载的统计特征做进一步研究。该文以客货共线CRTS I型板式无砟轨道为研究对象,选取遂渝线蔡家车站和渝怀线鱼嘴2号隧道两个测点,应用IMC动态数据采集系统测取过往客、货车垂向轮轨力。运用轮轨系统耦合动力学理论建立车辆-轨道垂向耦合动力学模型,计算不同车速和不同轨道不平顺激励下客、货车轮轨力,结合实测数据,分析客货共线无砟轨道轮轨力的统计特征,得出以下结论:客货共线无砟轨道轮轨力呈近似正态分布,95%以上客车轮轨力分布于45 kN~90 kN,95%以上货车轮轨力分布于100 kN~150 kN,与实测所得数据基本吻合;客货车轮轨力概率密度曲线随车速和不平顺幅值的增大而逐渐变得“矮胖”,轮轨力分布范围随车速增大和线路状况劣化而逐渐增大,且线路状况对轮轨力分布的影响远大于车速;以1.5倍静轮重和轮轨力最大峰值为控制指标,建议客货共线无砟轨道客车车速控制在180 km/h以下,货车车速控制在100 km/h以下。     

列车通过小半径反向曲线桥梁的动力相互作用分析

以新建的某铁路货运专线上的反向曲线上的小半径曲线桥梁为例,考虑列车曲线通过的特点及轮轨非线性相互作用,建立空间的列车和曲线桥梁的振动方程,运用模态叠加法求解振动方程。通过车桥耦合振动专用分析程序VBC2.0的数值分析,得出列车通过该反向曲线上小半径曲线梁桥的一些振动规律,并给出我国货运列车通过该桥梁的合理行车速度及其他建议。     

铁路桥梁列车制动力的试验研究与计算分析

列车制动力是作用于铁路桥梁结构设计的重要荷载之一。通过对货运机车车辆制动参数和制动特性的试验研究,对列车单元车体最大制动力进行了理论分析和计算;编制了计算程序ZDL,通过对我国不同长度的现营重载货运列车编组的动力计算,得到了不同长度桥梁结构的最大制动力率为0.2和有效制动力率为0.17。与实际桥梁紧急制动试验结果值对比符合较好。进一步提出了对重载货运列车紧急制动进行全过程动态描述的动力计算方法。为确定我国铁路桥梁制动力荷载提供了实桥试验研究结果和理论分析依据。     

悬挂式人行桥基频估算及考虑车致振动效应的行人舒适性评价

将人行桥作为车行主桥的悬挂结构,形成一个组合式桥梁,共同解决人车通行问题,然而这种结构形式在主桥车辆荷载激励下人行桥的振动舒适性还有待研究。首先推导了悬挂式人行桥的基频估算公式并通过有限元计算进行了验证,研究表明悬挂式人行桥的基频很大程度上取决于车行主桥的自振特性。采用分离迭代法对某悬挂式人行桥的车致振动响应进行了分析,结果表明车行桥路面粗糙度、车速、车流密度等都会显著影响车辆通过时桥梁的振动响应,车致振动引起的人行桥跨中竖向峰值加速度可达到仅人行激励引起的相应值的一半以上,悬挂式人行桥行人舒适性评价中应考虑会降低其舒适度的车致振动效应的影响。     

考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。     

运行列车对高层建筑结构的振动影响

建立了一种列车-轨道-路基解析分析模型,将钢轨视为竖直平面内支承在Winkler弹性基础上的一根连续的Euler-Bernoulli梁,考虑轮轨接触的影响,推导出单个轮对荷载对地基的作用力,通过迭加方式得到整列车对路基产生的动荷载;在此基础上,选取铁路线附近的某高层建筑,用有限元分析的方法计算了该高层建筑所受到的振动影响;研究了不同车速下不同距离建筑物中不同楼层的振动规律:振动随楼层高度增加具有不同程度增大的趋势;车速越大,建筑物的振动响应也越大;随着到轨道中心线距离的增加,建筑结构的振动逐渐减小。