移动荷载作用下饱和地基上板式轨道动力分析

采用半解析法研究了列车荷载作用下板式轨道-下卧饱和土体系统的动力响应问题.采用双层弹性Euler梁来模拟板式轨道中的钢轨和轨道板,采用弹簧-阻尼器来模拟轨下垫圈.列车荷载采用一系列移动的点荷载来模拟,下卧土体采用多孔饱和半空间模型,并假定半空间土体表面与轨道板接触面完全透水.利用Fourier变换方法在变换域内求解轨道和土体的控制方程,饱和土体动力响应在时域内的结果通过快速Fourier变换求得.文章中主要研究了轨道板刚度和土体渗透系数对土体位移和加速度响应的影响.研究表明,土体中液相介质的存在会对土体的振动响应产生很大影响,且适当增大轨道板刚度可有效控制高速列车引起的土体动力响应.     

列车移动荷载作用下饱和地基的地面振动特性分析

基于饱和土的Biot波动方程和边界条件,利用Fourier变换和Galerkin法推导出频域内的u-w格式的2.5维有限元方程。把轨道视为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题。通过解方程首先获得饱和土体频域-波数域的位移解答,然后通过快速Fourier逆变换求得三维时域-空间域内的位移解答。通过计算实例验证了计算模型。建立轨道-地基模型,对饱和地基上列车运行引起的地面振动进行了分析,详细讨论了动力渗透系数、孔隙率、土骨架密度和剪切波速等参数对地面振动传播与衰减的影响规律分析。研究表明;在垂直轨道方向,随着与轨道中心距离增加,加速度幅值和主频迅速衰减;饱和土体动力渗透系数、孔隙率、剪切波速和土骨架密度对地表位移幅值均有较大的影响     

饱和地基上列车运行引起的地面振动特性分析

从饱和土Biot波动方程出发,基于二次形函数薄层法,将圆柱坐标系下饱和土的Biot轴对称波动方程在竖向进行离散,沿切向及轴向坐标分别进行Fourier级数分解和Hankel变换,得到饱和地基频域-波数域中的位移基本解,再利用Hankel逆变换和Fourier综合,求得频域柱坐标系下的位移表达。结合移动列车-轨道-地基的振动模型,对饱和地基上列车运行引起的地面振动进行了分析,讨论了动力渗透系数、孔隙率和动力流体粘滞系数等参数对地面振动传播与衰减的影响规律,并与弹性地基的振动衰减进行了比较。结果表明:在不同列车运行速度下,饱和地基和弹性地基的竖向位移振动响应差异较大;饱和土体的动力渗透系数、孔隙率和孔隙流体动力粘滞系数是影响地面振动的主要参数。     

埋置移动荷载作用下饱和成层地基-梁耦合系统动力响应分析

针对地铁列车运行中引起的地表振动问题,研究了埋置移动荷载作用下饱和成层地基-梁耦合系统的动力响应。将地基土体采用Biot饱和多孔介质理论来模拟,将地下轨道结构简化为埋置无限长Euler-Bernoulli梁,埋置移动荷载作用在梁上。并采用传递透射矩阵法(TRM法)考虑地基的成层性。利用Fourier变换及逆变换,结合梁与土体间的力与位移连续条件,得到了地基在时间空间域内的动力响应解答。当饱和成层地基退化为均质黏弹性地基时,所得解与已有解能很好地吻合。最后,通过数值算例分析了梁的刚度﹑埋置深度及荷载移动速度、频率等因素对地表振动的影响。     

水位变化对于移动荷载作用下土体动力响应的影响研究

采用上覆弹性层饱和地基土模型描述水位于地表以下的地基动力响应问题,利用改变弹性层厚度模拟土体中水位的变化。基于Biot饱和多孔介质动力方程和层间连续性条件,求解出上覆弹性层饱和半空间频域波数内位移场表达式,通过Fourier逆变换得到3维空间域的结果,研究了水位变化对于土体动力响应的影响。数值计算结果表明,水位的变化会对地基中波的传播产生一定影响。当水位离地面较深时,地面竖向位移值与弹性半空间情况类似;随着水位上升,弹性层和饱和半空间界面上的反射波会对地面竖向位移产生影响,导致地表位移值较弹性半空间下的结果有所增大,当水位接近地表时,位移值变化类似于饱和地基土。     

上覆非饱和层的饱和地基稳态响应分析

基于多孔弹性饱和介质及多孔弹性非饱和介质的动力控制方程,研究了上覆非饱和层的饱和半空间成层地基在竖向谐振荷载作用下的稳态响应问题。通过引入位移函数,并利用Cauchy-Reimann条件,分别求得了Fourier变换域内饱和土与非饱和土的位移、应力和孔压的一般解;结合不同的边界条件和连续条件,经过Fourier逆变换,得到竖向简谐荷载作用下成层土的稳态响应积分表达式;当将上覆非饱和层饱和半空间分别退化为均质饱和弹性半空间及上覆弹性层饱和半空间时,结果与已有结果均吻合得较好。通过数值算例分析,着重研究了上覆非饱和土层的饱和度、厚度以及地表透气透水条件对动力响应的影响。     

层状饱和地基-轨道-列车耦合系统轨道不平顺引起的振动分析

采用半解析方法研究了层状饱和地基-轨道-列车耦合系统的动力响应问题。层状饱和地基由任意水平饱和土层和下卧饱和半空间组成,轨道采用以无限长欧拉梁模拟的钢轨、连续质量块模拟的轨枕和Cosserat模型模拟的道砟组成的三层系统,列车模拟为弹簧和阻尼元件连接的多刚体系统。振动输入由钢轨的竖向不平顺提供。通过地基表面轨道中心处竖向位移与道砟位移相等实现层状饱和地基和轨道的耦合,通过在车轮与钢轨间引入Hertizian接触弹簧来实现轨道与列车的耦合,首先求得频率-波数域内解答,然后通过Fourier逆变换求得时间-空间域内振动响应。文中验证了方法的正确性,并进行了数值计算分析,研究表明钢轨不平顺引起的列车动荷载振动频率较低时,随着列车运行速度的增大地基表面位移幅值逐渐增大;振动频率较高时,列车运行速度对位移幅值峰值的影响不明显,但列车驶过后地基的振动明显增大,振动时间变长。     

高速移动列车荷载作用下层状饱和地基-轨道耦合系统的动力响应

基于Biot流体饱和多孔介质理论,求得层状饱和地基表面移动荷载的动力格林函数,进而建立2.5维间接边界元方法,研究了高速移动列车荷载作用下层状饱和地基-轨道耦合系统的动力响应。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间地基和饱和基岩上单一饱和土层地基为模型进行了数值计算,分析了列车移动速度和饱和土层等对动力响应的影响。研究表明,层状饱和地基和均匀饱和地基对应的动力响应有着显著的差别;列车移动速度接近饱和地基的Rayleigh波速时,会引起饱和地基-轨道耦合系统的共振,产生较大的动力响应;饱和地基不透水情况下动力响应最大,饱和地基透水情况下动力响应次之,干土情况下动力响应最小。另外,饱和土孔隙率、饱和基岩与饱和土层刚度比、饱和土层厚度等也对动力响应具有重要影响。     

半无限弹性空间中移动荷载动力响应的频域-波数域比例边界有限元法分析

基于Fourier积分变换和虚功原理,形成了频域-波数域比例边界有限元法,分析了移动荷载作用下半空间域弹性空间动力响应。首先对半无限域弹性体的动力控制方程进行时间到频域,荷载移动方向的空间域到波数的Fourier积分变换,然后选择比例中心,利用虚功原理,在地铁隧道孔洞横截面环向上采用有限元法意义离散,建立了频域-波数域比例边界有限元方程,进而形成了一阶微分矩阵方程形式的半无限空间动力刚度。文中理论推导表明:利用文中方法分析半无限域中沿地铁隧道结构纵轴向的移动荷载动力响应问题,不仅可避免无穷边界计算处理误差,而且可极大减小计算分析量。计算结果表明:半无限弹性地基的振动响应随移动荷载速度增大而增大,尤其是当荷载速度增大到土体剪切波速后,振动波传播到土体表面引起土体振动显著增大,土体振动性增大,将会对土体及表面结构的安全性形成一定影响,另一方面土体的振动在沿地铁隧道纵轴向的衰减比竖向慢。     

轴荷载作用下铁路交通地面振动的半解析法研究

根据波数域内分层地基波动方程的求解理论，推导铁路有砟轨道、无砟轨道与地基的耦合振动方程，得到了波数域内的统一表达形式。材料阻尼采用粘滞阻尼。利用Fourier变换，在频率。波数域内求解振动微分方程，再通过Fourier逆变换得到大地表面的振动响应。分析了轨道和地基之间的能量传递特征，简谐荷载对振动衰减的影响，并对列车轴荷载引起的地面振动进行了仿真分析。结果表明：铁路有砟轨道和无砟轨道与地基之间的动力作用有较大差别；在简谐荷载作用下，地面振动的衰减曲线出现波动；本文方法具有较大的计算域，可以模拟编组较长的列车通过时引起的地面振动。     

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。     

悬挂参数对出口车辆动力学性能的影响

针对某型带发电机组的出口列车,运用动力学分析软件建立了刚柔耦合车辆动力学仿真模型。并对柴油发电机处于工作状态,车辆在米轨上重载运行时,分析了不同的一系和二系悬挂系统的优选参数对车辆动力学性能的影响。在给定的悬挂参数范围内,结果表明内非线性临界速度随一系垂向刚度增大而增大;随二系垂向刚度增大而出现先增后减的趋势。不同速度下的横向平稳性受垂向阻尼影响较小,垂向平稳性随着二系垂向阻尼增大而降低并逐渐趋于稳定,二系垂向刚度对垂向平稳性影响较为复杂。     

Stress intensity factors evaluation for through-transverse crack in slab track system under vehicle dynamic load

The stress intensity factors (SIFs) for through-transverse crack in the China Railway Track System (CRTS II) slab track system under vehicle dynamic load are evaluated in this paper. A coupled dynamic model of a half-vehicle and the slab track is presented in which the half-vehicle is treated as a 18-degree-of-freedom multi-body system. The slab track is modeled as two continuous Bernoulli–Euler beams supported by a series of elastic rectangle plates on a viscoelastic foundation. The model is applied to calculate the vertical and lateral dynamic wheel–rail forces. A three-dimensional finite element model of the slab track system is then established in which the through-transverse crack at the bottom of concrete base is created by using extended finite element method (XFEM). The wheel–rail forces obtained by the vehicle-track dynamics calculation are utilized as the inputs to finite element model, and then the values of dynamic SIFs at the crack-tip are extracted from the XFEM solution by domain based interaction integral approach. The influences of subgrade modulus, crack length, crack angle, friction coefficient between cracked surfaces, and friction coefficient between faces of concrete base and subgrade on dynamic SIFs are investigated in detail. The analysis indicates that the subgrade modulus, crack length and crack angle have great effects on dynamic SIFs at the crack-tip, while both of the friction coefficients have negligible influences on variations of dynamic SIFs. Also the statistical characteristics of varying SIFs due to random wheel–rail forces are studied and results reveal that the distributions of dynamic SIFs follow an approximately Gaussian distribution with different mean values and standard deviations. The numerical results obtained are very useful in the maintenance of the slab track system.     

Effects of maintenance operations on railway track's mechanical behaviour by field load testing

Deterioration of track causes variations in different mechanical parameters such as value and distribution of track vertical stiffness, which would change the way track mechanical components behave in service condition or maintenance operations. As a result, studying deterioration effects and that of maintenance operations such as tamping and dynamic stabilisation on the mechanical behaviour of both standard and deteriorated tracks could give a better picture of track condition and effectiveness of maintenance operations. In this paper, by carrying out static and dynamic tests and using 89 measurement sensors, the influence of mechanised maintenance operations on mechanical behaviours (strain, acceleration and displacement of rail and sleeper) of a high-deteriorated track and a low-deteriorated track is investigated. The tests were carried out in three different stages (before tamping, after tamping and after track dynamic stabilisation) under a passing train (a 6-axle locomotive and a 4-axle wagon) with 20-ton axle load. Observations indicate that track deterioration causes non-uniform track stiffness and load distribution along the track, such that rail heel strain time history under train loading changes from maximum tensional pattern under the wheels to maximum compressive pattern between two wheels of a bogie. Tamping and dynamic stabilisation cause a more uniform load distribution, which reduces strain and increases acceleration in rail and sleeper. Effects of these maintenance operations on sleepers are far more than that of rail. Deteriorated track is stiffer than low-deteriorated track; stiffness distribution is less uniform and its rails are subjected to less strain and acceleration.     

轨道结构在移动荷载作用下的周期解析解

为研究列车振动在地表的传播规律,推导了轨道结构在移动荷载作用下动力响应的解析解形式。文中首先以Duhamel积分为基础,应用动力互等定理,得到了移动荷载作用下,半无限弹性空间体上任意点的动力响应的一般表达式;然后在该式的基础上,针对轨道结构的周期性特点,将荷载沿钢轨的移动问题转化为拾振点以L为周期向反方向跳跃式移动与荷载只在一个轨枕间距L内移动的组合移动问题。以此,将一个从-∞到+∞的积分问题转化为了任意点频域周期解析的叠加问题,从而得到了轨道结构在移动荷载作用下动力响应的新的解析解形式。     

高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道路桥过渡段振动特性测试分析

结合京沪高铁先导段综合试验,针对端刺结构两端与相邻路桥结构连接的关键部位,开展了CRTSⅡ型板式无砟轨道路桥过渡段振动特性测试,分析了振动响应沿线路纵垂向的空间变化特征及与行车速度的关系。试验表明：①沿线路纵向的振动响应最大值出现在过渡板端与路基支承层交接处,并呈现出前者支承刚度小于后者的现象,反映出端刺结构的过渡板设置未能较好地实现刚度由高至低的逐渐过渡;②垂向多层的线路结构振动响应沿深度呈递减趋势,结构各层位水平向不连续引起的振动响应表现出与轮轨作用处距离成反比的关系,轨道板端经纵联后的振动特性有显著改善;③随车速的提高,振动位移表现出线性增加、振动速度与振动加速度呈现出非线性加速增大的规律。     

秦沈客运专线车路系统动力响应数值分析

结合秦沈客运专线基床路基实际状况，利用车路耦合动力分析模型，对高速列车荷载作用下车路系统动力响应进行仿真分析。计算列车速度为200km/h和300km/h时不同基床表层厚度下的车辆、轨道及基床路基主要动力性能指标，并与测试结果进行对比分析。测试结果验证了计算模型的可靠性。根据计算结果分析列车速度与基床表层厚度对车路系统动力响应的影响规律，对秦沈线基床表层设计提出建议。     

高速铁路路桥过渡段的动力学性能分析

本文应用车辆与线路相互作用的动力学理论,分析了路桥过渡段的不平顺对高速行车的影响规律。结果表明,由路桥结构的工后沉降差引起的轨而弯折变形是影响高速列车安全舒适运行的主要因素。     

地铁车辆-轨道耦合振动响应分析及轨道结构参数优化

针对在建杭州地铁3号线下穿某文教区工程,根据车辆-轨道耦合动力学理论,分别建立车辆-普通整体道床轨道耦合动力学模型和车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型.基于赫兹非线性接触关系,实现轮轨间的力平衡和位移协调.利用有限元软件ABAQUS,对两种轨道结构模型的动力响应进行计算,研究轮轨耦合动力相互作用机理和轨道振动源强特性...