重载铁路轨道路基系统动位移空间分布特征

建立了重载货车-有砟轨道-路基系统耦合动力学模型.分析计算了在轨道随机不平顺激励下30t轴重重载铁路轨道-路基系统动位移的分布规律.计算结果表明:(1)轨道-路基系统各结构层动位移状态较为复杂,在重载货车通过的过程中,所受荷载也处于循环往复的加载和卸载状态.(2)在有砟轨道-路基系统的动位移的3个位移分量中,竖向动位移的幅值较大,横向动位移以及纵向动位移的幅值均不超过竖向动位移幅值的6%;而沿横向,动位移的分布较为缓和,其最大波动幅值不超过0.2mm,可近似看做均匀分布.(3)轨道-路基系统动位移沿竖向的变化,大体分为3个阶段:在钢轨到轨枕之间,出现明显突变;在轨枕层区域的衰减幅度较小;在道床层至基床表层及下部结构,竖向动位移表现为沿深度方向不断衰减,并且衰减速率随着深度的增加也在不断减小.     

不同捣固阶段有砟道床阻力特性试验研究

为确定不同捣固次数下道床横纵向阻力变化规律以及横纵向阻力之间的相关性,以湖南长株潭城际铁路有砟轨道道床为研究对象,沿线进行现场原位试验;根据试验结果,采用数据分析方法,研究不同捣固阶段道床横、纵向阻力特征。建立不同捣固阶段道床横、纵向阻力随轨枕位移变化的幂函数模型;研究结果表明:道床阻力并非随捣固次数增加而逐渐增大,捣固6遍时,道床处于限制轨枕在水平方向位移的最佳状态,道床横、纵向阻力最大;在不同捣固阶段,道床横、纵向阻力随着轨枕位移增大而增大,当轨枕位移达到4 mm左右时,道床阻力趋于稳定;不同捣固阶段道床横、纵向阻力之间均呈现强线性相关性,建议采用道床横向阻力检验指标代替道床横、纵向阻力检验指标。研究成果可为无缝线路设计、施工和养护维修提供参考。     

重载铁路轨道刚度对货物列车抗脱轨安全度的影响

为确定具有预防货物列车脱轨功能的轨道刚度合理值,基于列车轨道系统空间振动计算模型及列车脱轨能量随机分析方法,提出了货物列车-轨道(FTT)系统横向振动稳定性分析方法,分析多组扣件及道床横向刚度组合下FTT系统抗脱轨能力、FTT系统横向振动稳定性及其振动响应的影响.结果表明:FTT系统抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速随着扣件及道床横向刚度的增大均有大幅度提高,但当扣件和道床横向刚度分别增大至90和10 MN/m时,其提高幅度逐渐减小,且当扣件和道床横向刚度分别由120 MN/m增至150 MN/m、15 MN/m增至20 M N/m时FTT系统抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速仅提高了3.9%,1.8%和1.8%;另外,增大扣件和道床横向刚度有助于减小轨道横向位移.考虑日趋紧张的重载铁路市场竞争,建议扣件横向刚度取90~120 MN/m,道床横向刚度取10~15 MN/m.     

基于货物列车抗脱轨安全度的重载铁路轨道结构强化措施评价

根据重载铁路货物列车-轨道系统(FTT系统)横向振动稳定性分析方法,提出基于货物列车抗脱轨安全度的重载铁路轨道结构强化措施评价方法,分析并量化提高钢轨等级、采用III型轨枕、强化扣件及道床等轨道强化措施对货物列车抗脱轨安全度的影响。研究结果表明:与提高钢轨等级相比,采用III型轨枕对列车抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速的影响更大;强化扣件或道床均可大幅度提高列车抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速,但当扣件和道床的横向刚度分别大于120 MN/m和15 MN/m时,货物列车抗脱轨安全度提升幅度较小;上述轨道强化措施均能改善行车平稳性,但强化道床对行车平稳性影响较小。轨道强化措施具有提高货物列车抗脱轨安全度的功能,且本文提出的评价方法能够反映列车抗脱轨信息,可为轨道强化措施的评价和制定提供参考。     

有砟客专路基结构参数的优化研究

为了改善有砟铁路路基结构受力状况和降低维修费用,需要研究列车荷载作用下路基结构参数对路基动力响应的影响.采用正交试验设计分析了铁路路基结构动力响应与道床弹性模量、基床表层弹性模量、基床底层弹性模量、道床厚度、基床表层厚度、基床底层厚度以及地基弹性模量等各结构层参数的敏感性关系,并结合层次分析法和线性评价指标确定了有砟铁路路基结构的最优参数组合.结果表明:道床厚度是影响道床动应力、基床表层动应力以及基床表层振动加速度的主要因素;地基的弹性模量是影响轨枕竖向位移的主要因素;确定有砟轨道结构的力学最优参数组合为道床弹性模量250 MPa,基床表层弹性模量120 MPa,基床底层弹性模量115 MPa,道床厚度0.35 m,基床表层厚度1.1 m,基床底层厚度2.3 m,地基弹性模量70 MPa.     

地震荷载和列车荷载共同作用下弹性均质路基的动力响应

为了研究地震发生时列车移动荷载引起的弹性均质路基的振动响应规律,采用ABAQUS软件并与FORTRAN相结合建立轨道结构-路基-地基三维数值计算模型,通过编制DLOAD子程序模拟列车移动荷载,在模型底部输入地震加速度模拟地震荷载,采用三维黏弹性人工边界模拟波从有限域向无限域传播,忽略轮轨接触及轨道不平顺的影响,通过对比分析的方法,总结地震荷载和列车移动荷载共同作用下路基在不同列车速度及轴重条件下的应力、位移和加速度的振动特征。研究结果表明:地震荷载对路基的位移振幅起主导作用,列车移动荷载对路基的应力和加速度起主导作用;路基各结构层的位移随列车轴重的增加而减小,随车速增加表现为先减小后增大;路基各结构层加速度随着列车轴重的增加而增加,随车速增加表现为先减小后增大又减小的趋势;推测车速70 m/s为列车影响的临界速度。     

轨道几何形位变形的力学预测模型

首先，确定轮载分布图、道床变形模量-荷载作用次数关系曲线和道床塑性累积变形百分率-荷载作用次数关系曲线；其次，利用有限元模型、变形模量-荷载作用次数关系曲线和塑性累积变形百分率-荷载作用次数关系曲线得出了随机荷载作用下轨道塑性累积变形随线路里程的变化图和道床塑性累积变形随荷载作用次数的变化图；最后，给出道床顶面和深度方向的垂向应力分布图和道床密实度与变形模量的关系曲线，并讨论了道床顶面应力和轨枕下垂向应力的分布及其与位移的关系，分析了道床密实度和变形模量之间的关系．结果证明，荷载大小和作用次数及其密实度是引起道床变形的重要因素．     

基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明：在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。     

高速列车运行引起的地表振动分析

把轨道作为弹性地基上的梁，得到轨枕与道床之间的动反力，采用薄层法求得分层土体的稳态响应，建立了运行车辆-轨道-环境振动模型，首次对秦沈高速铁路列车运行产生的沿线地基的振动响应进行了分析与对比．分析表明：移动轴重作用率对加速度频谱起控制作用，在其附近出现峰值；加速度随列车速度的提高缓慢增加，当列车速度接近地表的瑞利波速时，会引起振动放大现象；理论模型能很好地预测近场的振动响应．     

大跨度重载铁路连续梁桥的小阻力扣件适应性

为研究小阻力扣件布置方案对重载铁路连续梁桥上无缝线路纵向力分布规律的影响,采用一种经过验证的梁轨相互作用分析方法,建立考虑相邻多跨简支梁结构的30 t轴重重载铁路(60+100+60)m连续梁桥-桥上无缝线路的一体化空间有限元模型.在此基础上,对多种小阻力扣件方案进行比选,探讨了扣件阻力、下部结构刚度、荷载模式、制动力率等设计参数的影响.研究结果表明:仅在连续梁范围内铺设小阻力扣件,可在保证钢轨应力和墩顶水平力均较小的同时减小钢轨断缝值;小阻力扣件纵向阻力取值对钢轨应力的影响可达11.2%;在连续梁范围内铺设小阻力扣件后,梁轨快速相对位移成为主要控制性指标,100 m跨重载连续梁桥制动墩顶纵向刚度限值为3000 k N/cm;荷载模式和制动力率对梁轨相对位移影响较大,建议通过试验进一步明确重载列车的制动力率取值.     

时速80 km/h地铁地下线梯形轨枕轨道现场测试分析

为评价时速80 km/h地铁作用下梯形轨枕的工作性能,对北京地铁某线梯形轨枕道床进行现场动位移和加速度测试,从时域、频域和Z振级角度对加速度指标进行分析,从时域角度对动位移数据进行分析,评价梯形轨枕轨道工作性能。结果表明:地铁列车作用下普通道床钢轨、道床和隧道壁振动有效值为14.1、0.48、0.069 m/s~2,梯形轨枕断面对应测点振动有效值为18.1、0.62、0.016 m/s~2,隧道壁处振动加速度在1～1 000 Hz内均有一定减振效果,最大Z振级差值为11.9 dB,梯形轨枕道床钢轨垂向、钢轨横向、梯轨垂向、梯轨横向最大动位移分别为0.34、0.13、1.21、0.081 mm。     

道砟胶分段固化道床动力性能测试与分析

为解决有砟-无砟轨道过渡段病害较严重的问题,在部分线路上采用道砟胶分段固化道床技术控制道床的沉降。道床固化后,对过渡段固化道床进行动态测试。研究结果表明:道砟胶分段固化后的线路满足安全性指标;分段固化后的道床动态刚度逐段增大,道床局部黏结断面、部分黏结断面、全黏结断面分别达到91,126和273k N/mm,较有砟道床断面分别提高1.28倍、1.75倍和3.78倍;轮轨力、减载率、钢轨垂向加速度自有砟轨道至道床全固化断面逐渐增大;钢轨垂向位移、轨枕垂向位移、轨枕垂向加速度自有砟轨道至道床全固化断面逐渐减小,实现了从无砟轨道到有砟轨道的过渡效果。     

多个列车轮载作用下铁路道床结构安定性分析

为了更全面地了解铁路道床结构的安定行为,根据列车轮载作用下于Winkler连续均匀弹性地基上的钢轨竖向挠曲变形规律,采用基于Gauss函数的轨枕荷载分担比的近似计算方法,确定单个和多个轮载作用于不同位置处的轨枕荷载分担比。基于BOUSSINESQ和CERRUTI解答,推导竖向和水平均布荷载作用下半无限空间结构中的弹性应力场的解析表达,并结合Melan静力安定定理,提出多个列车轮载作用下铁路道床结构的安定性分析方法,通过与已有文献计算结果的对比,对推导的弹性应力场解析方法及静力安定分析方法的可行性和计算结果的准确性进行验证。基于铁路道床结构的安定性分析方法,研究多个列车轮载作用下道床材料参数对其安定荷载的影响规律。研究结果表明:对于和谐号CRH3型电力动车组高速列车,其轨枕荷载分担仅在1个转向架的2个轮轴荷载之间存在叠加影响,且在其影响范围内轨枕荷载分担比呈现"M"形分布;道床结构的静力安定荷载随内摩擦角增大而增大,尽管泊松比是影响结构弹性应力场的重要参数,但其对道床安定荷载的影响较小;在满足经济性的前提下,适当选用高强度的材料,能有效提高给定摩擦因数下道床结构的承载能力。     

列车荷载作用下轨道动力响应的有限元分析

采用通用的结构动力学分析软件ANSYS仿真分析了双层离散轨道模型在列车荷载作用下的振动响应情况,对无轨道不平顺和有轨道不平顺两种工况进行了有限元计算,分析表明轨道不平顺对轨道结构振动和整体道床作用反力的影响很明显,轨道不平顺越高,轨枕的振动速度加剧,整体道床作用反力峰值也显著增加。     

锚杆支护下两向不等压深埋隧洞受力与变形弹性分析

为了给引水隧洞隧址选择和支护参数设计提供理论参考,采用均匀化方法,基于复变函数理论,推导了非均匀应力场下锚杆支护时深埋圆形隧洞的应力及位移弹性解析解,并给出了洞周切向应力及径向位移随围岩弹性模量、侧压力系数、锚杆长度、半径和环向间距等参数的变化规律。通过算例分析,得出以下结论:（1）随着围岩弹性模量的增大,隧洞洞周各点的切向应力和径向位移均减小,且对围岩弹性模量（单位:GPa）在[5,10]区间最敏感;（2）侧压力系数在（0,1]区间时,洞周最大切向应力和径向位移随其增大而减小;在[1,2]区间则相反,并对侧压力系数在[1,2]区间更敏感;（3）随着锚杆长度的增大,洞周的切向应力和径向位移逐渐减小;随着锚杆半径增大,洞周的切向应力逐渐增大,径向位移逐渐减小;而随着锚杆环向间距的增大,洞周应力和位移的变化趋势与锚杆半径的规律相反。     

轨道纵向刚度变化对快速列车轮轨受力的影响

由于轨道刚度是铁路轨道设计的重要参数,直接影响到列车的运行安全和平稳性,因此运用车辆－轨道垂向系统统一模型和新型预测－校正数值积分法,对铁路快速列车以不同速度通过因道床和轨下垫层刚度变化而引起的动力不平顺轨道段时车辆和轨道的响应进行了仿真计算,干涉分析了轨道纵向刚度变化对铁路快速列车轮轨受力的影响。     

地基加固对隧道下穿铁路路基车致动力响应的影响

通过现场测试及数值模拟，研究了地表铁路行车作用下地铁隧道下穿铁路路基系统的动力响应规律，分析了下穿节点地基加固体弹性模量、深度等参数对地表振动及地铁隧道结构的影响。研究结果表明：车致地表振动频率由列车轮对分布、轨枕间距及行车速度共同决定；地基加固增加了下穿系统的车致振动响应，降低了高频振动的衰减速度；提升加固体模量，会增大地表振动加速度；加固深度提升至隧道底部可有效降低隧道的附加动应力。     

重载货车-固定辙叉动态与静态接触性能分析

针对重载铁路固定辙叉磨耗问题,应用动力学理论与有限元方法,分别建立C80货车-固定辙叉系统耦合动力学模型与轮叉弹塑性接触模型,分析重载货车-固定辙叉动态与接触性能。应用SIMPACK软件建立动力学模型以模拟C80货车通过75kg/m钢轨12号道岔,计算结果表明：固定辙叉最大磨耗功率随着速度的提升迅速增大,车轮从翼轨向心轨过渡将对心轨产生冲击,而且速度越高冲击力越大。应用HYPERMESH软件,建立三维弹塑性有限元接触模型,计算分析在标准75kg/m钢轨12号道岔固定辙叉不同位置处与标准货车LM型面车轮的接触状态。在模型中分别施加动载垂向力与静载轴重,进行计算,与静载轴重相比,动载垂向力作用下的最大等效应力剧增。综上所述,建议C80货车通过固定辙叉时严格控制在50km/h范围内。     

铁路地下直径线橡胶浮置板道床钢轨变形限值研究

浮置板道床能有效减小铁路振动的影响,因此可将其应用于穿越人口密集区的铁路地下直径线。为了确保行车的安全性和舒适性,有必要对铁路运营下浮置板道床钢轨的合理变形限值进行研究。基于有限元法,建立了车辆-橡胶浮置板道床耦合动力学模型,对SS9列车100 km／h速度下车辆、钢轨、浮置板等部件的动力学特性进行了研究,并从行车安全性和平稳性方面提出了浮置板道床钢轨的变形限值建议值。研究表明：橡胶垫面刚度小于0．02 N／mm3时,轨道结构产生较大垂向位移;100 km／h速度条件下,铁路橡胶浮置板道床钢轨垂向变形限值取4 mm时,能满足行车安全性和平稳性要求。     

基于三轴加卸载试验的花岗岩弹性模量变异与能量演化分析

为了研究岩体的变形特征和能量特征与其所处应力状态之间的关系，开展了5种围压下花岗岩的三轴循环加卸载试验.基于应力-应变曲线，计算了循环加卸载过程中花岗岩的弹性模量和能量密度，分析了应力状态对弹性模量及能量演化规律的影响.研究结果表明：轴向弹性模量随围压的增大而增大，随轴向应力的增大先增大后减小.轴向弹性模量与最大、最小主应力呈现良好的二次函数关系.随着围压的增大，能量密度与弹性能占比(弹性能与输入总能量之比)均显著增大，岩石储能能力提高；随着轴向应力增大，弹性能占比先增大后减小.弹性能占比减小阶段即岩石损伤加剧阶段，围压的增加延长了岩石的损伤演化过程.最后讨论了应力状态、岩石力学参数及能量状态的关联性.