简支梁桥上嵌入式轨道无缝线路优化分析

为分析有轨电车嵌入式轨道桥上无缝线路梁轨相互作用机理并获得最优参数组合,根据梁轨相互作用原理,建立了多跨简支梁桥上嵌入式轨道桥上无缝线路力学分析模型,采用正交试验方法研究钢轨类型、高分子材料纵向阻力、桥墩纵向刚度、桥台纵向刚度和桥梁跨数这5种因素对嵌入式轨道桥上无缝线路力学特性的影响.研究结果表明:采用小阻力高分子材料可明显减小钢轨附加作用力,但轨板相对位移和断缝值有较大增长;当高分子材料纵向阻力约为5.0×10~6 N/m时,轨板相对位移达到限值,高分子材料产生拉裂破坏;最佳简支梁桥上有轨电车嵌入式轨道无缝线路设计方案为钢轨类型60R2槽型轨、高分子材料纵向阻力2.0×10~7 N/m、桥墩纵向刚度3.0×10~7 N/m、桥台纵向刚度2.0×10~8 N/m,桥梁跨数根据实际工程而定.     

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.     

市域铁路无砟轨道简支梁桥墩纵向刚度合理限值

基于梁-轨相互作用理论建立线-板-桥-墩空间耦合模型,研究了无砟轨道简支梁桥墩纵向刚度对钢轨附加力及断缝值的影响,给出了市域铁路简支梁桥墩纵向刚度限值的控制因素及合理值．结果表明：增大桥墩纵向刚度可减小钢轨附加总应力和梁-轨相对位移,不同于有砟轨道简支梁桥,市域铁路无砟轨道简支梁桥墩纵向刚度限值由钢轨强度控制;建议24,32,48 m简支梁桥上铺设U71Mn钢轨和常阻力扣件,温暖区域桥墩刚度限值分别取5,6和15 MN/m,寒冷区域取5,12和54 MN/m;64 m和80 m简支梁上铺设U75V钢轨和常阻力扣件,温暖区域刚度限值分别取22 MN/m和70 MN/m,寒冷区域取84 MN/m和240 MN/m;当寒冷区域80 m简支梁桥两侧梁端铺设小阻力扣件时,桥墩刚度限值可减小至84 MN/m.     

多跨简支梁桥上无砟轨道无缝线路受力研究

为研究多跨简支梁桥上不同无砟轨道对应无缝线路的受力特点,基于梁轨相互作用原理推导了可以考虑非线性阻力的多跨简支梁梁轨相互作用公式,并与有限元法进行了对比.分别建立了32 m标准跨度简支梁桥上不同无砟轨道模型,分析对比了实测温度荷载与制挠力耦合作用下各无砟轨道对应的无缝线路受力规律,同时探讨了简支梁跨数墩顶刚度以及扣件阻力等结构参数的影响.结果表明:对于32 m标准跨度简支梁,随着简支梁跨数的增加,钢轨附加应力最大值趋于稳定,且稳定时的最大值均小于规范限值,对于铺设无砟轨道的简支梁桥,其跨数不受钢轨附加应力限制;对于单元板式及双块式无砟轨道,当墩顶纵向刚度大于2 000 kN/cm时,墩顶刚度的变化对其钢轨附加应力的影响很小;多跨简支梁桥上无砟轨道不建议采用小阻力扣件.     

基于工程类比的北京地铁钢轨异常波磨整治方法

为整治北京地铁钢轨的异常波磨,基于工程类比法,从轨道刚度的角度研究钢轨异常波磨的成因及整治措施.以北京地铁4号线钢轨异常波磨为研究对象,工程类比无钢轨异常波磨的北京地铁1号线和2号线,选取具有代表性的典型曲线试验段,采用轨道刚度测试仪对轨道垂向、横向刚度进行了现场测试.结果表明:轨道横向刚度低是导致曲线地段钢轨异常波磨的直接诱因,轨道垂向刚度对钢轨异常波磨的影响不大;适当增加轨道横向刚度使轨道垂横向刚度比小于3,可较好地避免钢轨异常波磨的产生.现场整治试验段表明,提高轨道横向刚度后,钢轨异常波磨得到了较好的控制.     

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。     

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。     

过渡段刚度变异性对车轨系统动力响应的影响

针对高速铁路路桥过渡段刚度参数的变异性对车辆-轨道-线下基础系统动力响应的影响,运用车辆-轨道耦合动力学理论,并通过修正扣件弹簧的刚度矩阵实现钢轨梁与轨下基础平面模型的垂向传力耦合,同时引入无限单元法消除边界效应,建立高速铁路路桥过渡段车辆-轨道-线下基础系统垂向耦合振动模型;利用该模型,应用基于拉丁超立方抽样的随机有限元法,分析了过渡段路基刚度参数变异性对过渡段车辆-轨道系统动力响应的影响.结果表明,刚度参数的变异性对钢轨垂向动位移的影响大于对轮轨力及车体加速度的影响,且各动力响应主要对倒梯形部分填料的参数变化较为敏感;动力响应数据偏离正态性,在95%的置信水平下,过渡段轮轨力、车体加速度的最大值近似服从韦伯分布,钢轨垂向动位移最大值的数据分布则呈现明显的"高峰厚尾",易出现异常大值,为减小钢轨垂向动位移以及便于管控施工质量,应适当提高过渡段路基刚度;选用钢轨垂向动位移最大值作为过渡段动力设计的安全评价指标,计算显示现行设计模糊失效概率为0.000 45,失效概率较小,动力设计较为可靠.     

地铁直线轨道波磨成因及发展特性

为分析地铁直线段钢轨波磨的成因及发展特性,基于轨道结构有限元模型和车辆-轨道耦合动力学模型,运用模态分析和动力分析对钢轨波磨的产生和发展进行研究。结果表明：（1）实测波磨的线路条件和通过频率范围与Pinned-Pinned共振导致的响轨波磨接近,初步认为该区段发生的波磨可能为响轨波磨;（2）轨道结构模态分析发现,513.7Hz处的振动模态为轨道结构的横向Pinned-Pinned共振模态,1050.0Hz处的振动模态为轨道结构的垂向Pinned-Pinned共振模态;车辆-轨道耦合模型动力分析发现,钢轨垂向振动加速度级在中心频率500Hz和1000Hz处幅值较高,分别为69.7dB和70.1dB,且上述中心频率所对应的三分之一倍频程带宽为轨道结构发生Pinned-Pinned共振的频率范围,因此分析认为该线路上的钢轨波磨为轨道结构Pinned-Pinned共振所致的响轨波磨;（3）不同轨枕间距和运营速度下的钢轨垂向振动加速度级变化趋势基本一致,且中心频率500Hz和1000Hz处的钢轨垂向振动加速度级幅值较高。随着轨枕间距和运营速度的变化,500Hz和1000Hz处的钢轨垂向振动加速度级变化趋势相同;通过改变轨枕间距和运营速度,可以使得钢轨垂向振动加速度级发生明显变化,说明适当的轨枕间距（700mm左右）和运营速度（80km/h左右）能够有效的控制响轨波磨的产生和发展。     

高速铁路路桥过渡段动力特性受其刚度变异性影响的随机性分析

针对高速铁路路桥过渡段刚度参数的变异性对车辆轨道线下基础系统动力响应的影响,运用车辆轨道耦合动力学理论,并通过修正扣件弹簧的刚度矩阵实现钢轨梁与轨下基础平面模型的垂向传力耦合,同时引入无限单元法消除边界效应,建立高速铁路路桥过渡段车辆轨道线下基础系统垂向耦合振动模型;利用该模型,应用基于拉丁超立方抽样的随机有限元法,分析了过渡段路基刚度参数变异性对过渡段车辆轨道系统动力响应的影响.结果表明,刚度参数的变异性对钢轨垂向动位移的影响大于对轮轨力及车体加速度的影响,且各动力响应主要对倒梯形部分填料的参数变化较为敏感;动力响应数据偏离正态性,在95%的置信水平下,过渡段轮轨力、车体加速度的最大值近似服从韦伯分布,钢轨垂向动位移最大值的数据分布则呈现明显的“高峰厚尾”,易出现异常大值,为减小钢轨垂向动位移以及便于管控施工质量,应适当提高过渡段路基刚度;选用钢轨垂向动位移最大值作为过渡段动力设计的安全评价指标,计算显示现行设计模糊失效概率为0.000 45,失效概率较小,动力设计较为可靠.     

轨道板损伤对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道力学特性的影响

基于轨道板与底座板分离,建立了考虑轨道板损伤的CTRSⅡ型板式无砟轨道与桥梁相互作用力学模型,并采用有限单元法求解,分析了轨道板全断面开裂和更换轨道板对大跨度连续梁桥上钢轨、底座板、剪力齿槽、桥梁墩台及砂浆受力的影响.结果表明:轨道板全断面开裂后钢轨、底座板的纵向力增加,最大增幅分别为22.55和131.48 k N,轨道板纵向力则降低,剪力齿槽、桥梁墩台的纵向力变化很小;轨道板全断面开裂对钢轨和底座板纵向受力影响范围分别为32~50 m和24~36 m;桥梁伸缩或列车制动作用下全断面开裂位置的砂浆阻力接近其极限阻力,为避免砂浆开裂应及时更换轨道板;更换轨道板对底座板纵向受力影响最大,建议轨道板进行更换作业的板温变化幅度控制在15℃以内.     

钢弹簧浮置板轨道的随机振动分析及参数优化

通过构建车辆-钢弹簧浮置板轨道垂向耦合模型,计算分析了扣件(隔振器)刚度和阻尼对钢弹簧浮置板轨道频域随机振动的影响规律,为钢弹簧浮置板轨道关键设计参数的合理选择与组合优化提供理论依据.研究结果表明:a.在钢弹簧浮置板轨道垂向位移满足规范要求的前提下,尽可能降低扣件与隔振器刚度;b.扣件阻尼增大能够降低浮置板轨道及其下方基础20~65 Hz的中高频振动,但同时会放大其80 Hz以上的高频振动,建议扣件阻尼系数的取值范围为50~100kN/(m·s~(-1));c.隔振器阻尼增大可略微降低浮置板轨道基础5~16Hz的中低频振动,但同时会显著放大其20Hz以上的中高频振动,建议隔振器阻尼系数应控制在55~75kN/(m·s~(-1))范围内.     

基于车轨耦合动力学分析的地铁e型弹条扣件疲劳寿命预测

地铁是城市交通的重要组成部分,而扣件系统是地铁轨道结构的关键部件,起到固定钢轨、减振降噪的作用。为分析地铁e型弹条扣件的疲劳性能,基于车辆轨道动力学理论,通过多体动力学软件UM建立了车轨耦合模型,研究了车辆速度、轨道不平顺类型以及曲线半径与钢轨动力学响应的关系;并通过有限元软件ABAQUS对扣件系统进行了仿真计算,将车轨耦合动力分析得到的钢轨位移作为疲劳荷载,采用应力疲劳计算的方法对弹条的疲劳寿命进行了预测和分析。结果表明：钢轨位移响应受不平顺类型和车辆速度的影响较小,而加速度响应对两者则比较敏感;轨道曲线半径的改变,对内轨位移的影响相对明显,随着半径的减小,内轨的位移时程曲线出现明显的上移,同时对加速度的影响也增大,内轨加速度峰值呈增大趋势;基于此模型计算的弹条疲劳寿命为2.14×10⁷次,寿命最低处位于弹条后拱小圆弧段,与实际断裂位置相吻合;弹条初始安装扣压力对弹条疲劳寿命的影响很大,随着初始安装扣压力的增大,弹条的疲劳寿命不断减小,且减小的速度趋于增大,为确保弹条扣件处于良好的工作状态,初始扣压力应当控制在11～15 kN范围内。     

复合轨枕有砟轨道动力性能试验研究

为研究复合轨枕有砟轨道动力性能,试验铺设轨道结构实尺模型,采用落轴冲击的方法,测试不同落轴高度冲击下钢轨、轨枕、道床、基础的加速度及钢轨的应变,并推算轨道动刚度和阻尼。研究结果表明:与弹性轨枕有砟轨道对比,复合轨枕钢轨加速度较大,衰减快;复合轨枕道床和基础加速度峰值略小,道床衰减较慢;2种轨道结构基础加速度衰减均较慢;在1～10 Hz范围内,复合轨枕振动能量较大,减小了其轨道钢轨和基础的振动,使得2种轨道动力特性差异较大;2种轨道弹性均很好,使得动刚度较小,复合轨枕和弹性轨枕轨道动刚度分别为28～32 kN/mm和38 kN/mm,阻尼分别为170～195 kN?s/m和146～178 kN?s/m。从减振性能角度考虑,复合轨枕有砟轨道效果更好。     

高速铁路门式墩-桥梁-轨道系统地震响应特征

为研究地震作用下门式墩结构对梁轨系统受力特性的影响,以合福线高速铁路某门式墩上3跨32 m简支梁桥为例,采用经验证的梁轨接触模拟方法,建立门式墩-桥梁-轨道系统精细化动力仿真模型。研究在多维地震作用下门式墩上简支梁桥-轨道系统动力响应特征,探讨节点连接方式、横梁刚度等关键设计参数对系统受力特性的影响规律。研究结果表明：采用门式墩结构后,结构体系刚度相对较小,系统自振频率降低;在地震作用下,采用门式墩结构的简支梁桥上钢轨纵向应力包络线呈菱形分布,其应力峰值均发生于墩、台及桥梁跨中附近;与普通墩相比,门式墩立柱底最大纵向剪力明显增大,钢轨节点的横向位移减小;水平地震激励角对门式墩系统受力、变形影响较大,在分析过程中需要加以考虑;在竖向地震作用时,钢轨及门式墩墩顶的竖向挠曲随着门式墩梁柱节点刚度的增大略减小;鉴于刚性节点可能导致结构延性降低、残余应力增大等,建议门式墩梁柱节点采用半刚性连接。     

有砟及无砟轨道结构对货物列车运行安全性的影响

基于列车-有砟及无砟轨道系统空间振动计算模型,采用列车脱轨能量随机分析方法,分别计算货物列车在有砟、无砟轨道上的脱轨全过程,得出2种车轨系统横向振动极限抗力作功及其动力响应,分析货物列车的运行安全性、2种车轨系统的空间振动特性。研究结果表明:与有砟轨道相比,无砟轨道的抗脱轨能力最大可提高45.9%,车速为90 km/h时无砟轨道上车体竖向Sperling平稳性指标、轮对横向力、轮轨竖向力分别减小73.5%,22.1%和27.3%;无砟轨道各部件横向位移、加速度均小于有砟轨道相应值,而钢轨竖向位移大于有砟轨道相应值,但由于无砟轨道竖向位移主要由扣件承担,导致钢轨传至道床板的竖向位移衰减75.3%;无砟轨道各部件竖向加速度均大于有砟轨道相应值,产生的振动、噪声对周围建筑影响更大。建议在重载铁路新线设计中优先采用无砟轨道,但应采取减振降噪措施。     

地铁列车作用下不同无砟轨道结构振动响应

建立了单趾弹簧扣件、弹性支承块式、橡胶浮置板式3种无砟轨道的空间振动分析模型和地铁列车-无砟轨道系统空间振动分析方程.分别计算了3种无砟轨道在地铁列车荷载作用下的空间振动响应,并比较了系统响应随无砟轨道类型及车速的变化规律.结果表明,系统振动响应随车速的提高而增大;在车速相同的条件下,无砟轨道类型对钢轨竖向位移、轨道板竖向位移、轨道板竖向加速度、轮轨竖向力、脱轨系数及轮重减载率等响应影响较大,对其他振动响应的影响不甚明显;橡胶浮置板式轨道的竖向位移、横向位移与轨距扩大值最大;单趾弹簧扣件轨道轮轨作用力最大,橡胶浮置板轨道轮轨作用力最小;支承块和浮置板振动加速度明显小于钢轨振动加速度;在3种轨道行驶条件下,随着车速提高列车脱轨系数和轮重减载率均增大,竖向振动加速度最大值、横向振动加速度最大值、Sperling竖向舒适度指标和Sperling横向舒适度指标大致呈现先增大后减小趋势.当地铁列车在80km/h以下的运行速度通过这3种轨道结构时,列车的安全性和舒适性均能得到保证.     

蠕滑曲线对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

为了降低地铁小曲线半径处钢轨的损伤,延长钢轨使用寿命,提出合适的轮轨摩擦因数和Kaker权重系数。首先,基于车辆-轨道耦合动力学理论,利用SIMPACK软件建立了小半径曲线动力学模型,考虑轮轨磨耗与滚动接触疲劳的耦合关系,建立钢轨损伤模型;其次,根据标准工况下动力学计算结果,分析小半径曲线轮轨动态相互作用特征,研究内侧和外侧钢轨的损伤特性,提出了最优损伤方案;然后,设置50个轮轨摩擦因数和Kalker权重系数匹配方案,分析摩擦因数和Kalker权重系数对轮轨动态相互作用和钢轨损伤特性的影响;最后,综合考虑车辆运营安全性和钢轨损伤特性,提出轮轨摩擦因数和Kaker权重系数匹配方案。研究结果表明:在标准工况下,内轨损伤形式为磨耗,外轨的磨耗程度大于内轨磨耗程度,考虑到缓和曲线上累积的疲劳损伤,外轨的使用寿命更低;Kalker权重系数越小,轮轨横向力、脱轨系数和车体横向振动加速度最大值越小,Kalker权重系数越小且摩擦因数对轮轨动力行为、磨耗和疲劳损伤的影响越小。建议小曲线半径地段轮轨摩擦因数应不大于0.2,Kalker权重系数应该不大于0.1,此时内轨和外轨磨耗指数最大值均小于100 N,钢轨几乎不产生磨耗,内轨和外轨疲劳损伤最大值为0,大幅提升了钢轨的使用寿命。     

弹性支承块式轨道在高速列车作用下的动力响应分析

为研究高速列车-弹性支承块式无碴轨道系统的动力学性能,提出一种竖向振动分析方法。其原理是:将高速列车的动车和拖车模拟为具有二系悬挂的多刚体系统;将弹性支承块式无碴轨道模拟为具有24个自由度的轨段单元的集合;基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的"对号入座"法则,建立此系统竖向振动矩阵方程,并采用Wilson-θ数值积分法求解,计算速度为200km/h时此系统竖向动力响应,研究轨道刚度对此系统竖向振动响应的影响规律。研究结果表明:钢轨竖向位移最大为1.125mm,支承块竖向位移最大值为0.522mm,并且计算波形图可以反映列车编组;钢轨扣件竖向刚度的合理取值范围为60~80kN/mm,块下垫层的竖向刚度宜大于80kN/mm。