高速铁路无砟轨道不平顺谱

研究提出了我国高速铁路无砟轨道不平顺谱的计算方法、轨道不平顺谱拟合公式及轨道不平顺谱图.为提高轨道不平顺谱的计算精度,研究提出了基于线性插值和小波分析方法的轨道不平顺检测数据异常值和趋势向剔除算法.同时通过不同窗函数长度、不同窗函数和不同谱估计方法的轨道不平顺谱计算对比分析,确定了轨道不平顺谱的计算方法.利用高速综合检测列车检测数据计算确定了高速铁路无砟轨道不平顺谱及其拟合公式,并引入倍频能量表反映高速铁路无砟轨道周期结构的影响.由轨道不平顺谱拟合公式与倍频能量表共同构成的高速铁路无砟轨道不平顺谱,为高速铁路设计、评估和养护维修等提供了依据.     

轨道不平顺条件下板式轨道动力分析

国内外对于有碴轨道的动力学研究已比较成熟,己经步入轮轨相互作用的系统动力学研究阶段。无碴轨道结构作为近几年发展起来的新型轨道结构,对于它的设计和研究仍限于静力学分析和一些简化的动力学分析,对于无碴轨道和高速车辆的系统动力学研究还比较少,本文运用通用有限元计算软件ANSYS,建立土质路基板式轨道系统非线性力学模型并施加列车移动载荷,分析在不同波深轨道竖向谐波不平顺工况下,板式轨道各部分,轨道板、CA砂浆、混凝土基座及基床的竖向沉降、竖向振动加速度及横向、纵向与竖向的三向应力状况及时程曲线。     

路基上双块式无碴轨道道床板疲劳特性影响因素分析

以路基上双块式无碴轨道为研究对象,建立钢筋与混凝土纵向相互作用力学模型、双块式无碴轨道三维有限元静力学模型、列车-双块式无碴轨道垂向耦合动力学模型.根据轴向温度荷载、混凝土收缩荷载、温度梯度荷载及列车荷载作用下道床板混凝土及钢筋应力时程曲线,运用雨流计数法,得到耦合荷载作用下的应力谱.利用Miner线性疲劳累积损伤准则...     

高速列车运行于软土地基线路引起的地面振动研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,建立了高速列车-轨道垂向耦合模型和轨道-土体有限元模型,提出了一种研究列车作用下地面振动问题的数值模拟方法.以高速铁路软土地基线路为例,分析了高速列车运行引起的地面振动特性,并探讨了采用水泥土搅拌桩加固软土地基对地面振动水平的影响.结果表明：当移动荷载速度达到土体表面的Rayleigh波波速时,匀质土体会产生类似于结构物共振的现象,而土体阻尼的存在能有效地降低地面振动水平,同时抑制临界车速下振动的突增;随着高速列车运行速度的增加,地面振动水平会不断提高,车速对地面振动的影响主要体现在近轨道区域内;软土地基加固后,地面振动位移和加速度均有不同程度的降低,距离地基加固区越近,水泥土搅拌桩的加固和减振效果越明显.     

高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全的基础科学问题

中国高速铁路已经由大规模建造进入长期安全稳定运营阶段,如何科学维护庞大规模的高速铁路运营线路,使高速铁路长期保持高安全、高稳定、高可靠的运营品质,是我国现阶段面临的重大课题.在分析总结中国高速铁路基础结构构造特点及其复杂运营环境特点的基础上,提出了高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全的三个基础科学问题:环境与动载耦合重复作用下高速铁路基础结构关键工程材料与结构动态性能演变,高速铁路基础结构累积变形与轨面几何形态的映射关系,基础结构劣化与高速列车-基础结构耦合系统动态性能的相互影响及演化机制;回顾评述了国内外在此方面的研究现状与最新进展;指出了本领域今后的发展趋势以及需要重点关注和加强的基础研究工作.     

基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法

实现长期循环荷载作用下基床结构累积变形有效控制是建造高速铁路的技术难点之一.基于高速铁路无砟与有砟轨道路基承受列车动荷载特征,提出和完善了用于基床结构设计的荷载作用模式;根据循环荷载作用下土工填料累积变形演化状态的分类及阈值判别准则,结合室内单元结构填土模型试验,获得了级配碎石基床填料变形状态演化的阈值参数.以设计荷载条件和填料设计参数为基础,针对无砟与有砟轨道对基床变形状态控制的不同要求,采用结构分析原理,构建了基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法,确定了无砟与有砟轨道基床结构累积变形分别满足快速稳定和缓慢稳定的状态控制要求,以地基系数K30值表征的关键参数指标.研究成果为实现高速铁路基床结构由构造设计向状态控制定值分析转变奠定了基础.     

一种高速铁路无砟轨道混凝土结构疲劳损伤模型

基于连续损伤力学理论和边界面概念,建立了高速铁路无砟轨道混凝土结构在循环荷载作用下的疲劳损伤模型.模型在主坐标系中采用了拉压两个边界面,根据加载面与极限断裂面、边界面之间的位置关系来计算高速铁路无砟轨道混凝土结构在复杂应力状态下的损伤,并由累积损伤与应变能释放率之间的关系确定循环加载中极限断裂面的变化规律.通过将该理论模型嵌入有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT,与同类模型进行比较验证了模型的可行性.最后对高速铁路双块式无砟轨道支承层进行了循环动荷载作用下的疲劳累积损伤分析.结果表明该模型不仅能够较好地反映支承层在循环荷载作用下疲劳损伤非线性演变规律,还可以展现其疲劳损伤分布形态的全过程,为研究高速铁路无砟轨道混凝土结构的疲劳损伤与寿命预测,提供了可行的理论分析方法.     

高速铁路钢轨焊接区不平顺的动力效应及其安全限值研究

应用车辆–轨道耦合动力学理论及其仿真分析软件TTISIM,研究了钢轨焊接区低塌不平顺对轮轨动力响应的影响特征,分析了高速行车条件下典型焊接区低塌不平顺波长和幅值对轮轨动力响应的影响规律,在此基础上,提出了高速铁路钢轨焊接区不平顺幅值的安全限值.分析结果表明:钢轨焊接区不平顺会导致明显的轮轨冲击效应,且该冲击作用由短波不平顺所控制;高速行车条件下,轮轨动力响应随着焊接区不平顺波长的增大而减小,随行车速度和不平顺幅值的增大而增大,其中,轮重减载率指标受不平顺波长和幅值的影响更为显著,为钢轨焊接区不平顺作用下行车安全性的首要控制指标;高速行车条件下,钢轨焊接区不平顺幅值的安全限值随行车速度的增大而减小,随不平顺波长的增大而增大,叠合形不平顺幅值的安全限值受短波不平顺(波长小于0.2 m)波长和幅值的影响较大;在200~250 km/h行车速度等级,1 m直尺测量矢度条件下,余弦形低塌不平顺幅值的安全限值为0.82 mm,叠合形低塌不平顺在1 m长波幅值为其作业验收限值0.3 mm时,其短波不平顺幅值的最大安全限值为0.2 mm,叠合形不平顺幅值总的安全限值最大为0.5 mm;在250~350 km/h行车速度等级,1 m直尺测量矢度条件下,余弦形低塌不平顺幅值的安全限值为0.62 mm,叠合形低塌不平顺在1 m长波幅值为其作业验收限值0.2 mm时,其短波不平顺幅值的最大安全限值为0.14 mm,钢轨焊接区叠合形低塌不平顺幅值总的安全限值最大为0.34 mm.研究结果可为高速铁路钢轨顶面焊接区不平顺的养护维修管理提供理论参考.     

高速铁路路桥过渡段不均匀沉降与钢轨变形的映射关系及动力学应用

路桥过渡段不均匀沉降对高速车辆的行车安全性及舒适度影响较大.本文研究了路桥过渡段不均匀沉降与钢轨变形的映射关系,并将其应用于分析高速动车通过该区域时的动力学特性.首先,分析了路桥过渡段不均匀沉降引起钢轨变形的机理.然后,建立了铺设有CRTS-Ⅲ型板式轨道的路桥过渡段有限元模型,通过大量计算,分析了高速铁路路桥过渡段不均匀沉降与钢轨变形的映射关系.在此基础上,基于最小二乘多项式拟合原理,得到该映射关系的函数表达.最后,基于车辆-轨道耦合动力学理论,分析了高速动车以不同方向通过路桥过渡段的动力学性能.研究结果表明:路桥过渡段发生不均匀沉降后的钢轨变形可通过函数式进行描述.轮轨垂向力随着过渡段不均匀沉降差的增加变化不明显,车体垂向加速度随着过渡段沉降差的增加而增大.动力学分析结果可为高速铁路路桥过渡段的施工与养护维修提供技术参考.     

高速铁路轨面粗糙度测量方法与分析

分别采用间接法和直接法对高速铁路无砟轨道钢轨表面粗糙度进行了测量和分析.轨面粗糙度的间接测量法采用现场实测的钢轨加速度、钢轨振动纵向衰减率,并结合轮轨动力学计算得到的粗糙度-钢轨垂向加速度传递函数,推导得出轨面粗糙度1/3倍频程谱.轨面粗糙度直接测量法采用钢轨表面粗糙度仪对高速铁路钢轨表面进行直接检测,并对实测数据进行趋势项去除、异常值去除与时间-频率变换后得到轨面粗糙度1/3倍频程谱.将两种方法所测粗糙度频谱与欧洲粗糙度限值谱进行对比,结果表明:两种粗糙度测量方法均可得到较为可靠的结果,所测高速铁路轨面粗糙度在0.05 m以上波长范围小于国外限值,而0.05 m以下波长范围大于国外限值,应予以控制.     

极寒环境下铁路扣件新型网孔式弹性垫板动力性能及影响研究

为研究新型网孔式弹性垫板在极寒环境中的动力性能,建立网孔式弹性垫板三维有限元模型,选用MooneyRivlin本构模型和温度因子模拟不同温度下橡胶材料的力学性能,分析网孔式弹性垫板动刚度和阻尼系数的温变特性;并基于车辆-轨道耦合动力学理论,计算和分析网孔式弹性垫板在极寒条件下的行车安全性和平稳性,评价网孔式弹性垫板在极寒环境中的适用性.研究结果表明:网孔式弹性垫板具有明显的低温敏感性,当温度在-10℃之上时,弹性垫板的动刚度和阻尼系数变化较为稳定,当温度低于-10℃时,弹性垫板的动刚度和阻尼系数随温度降低而急剧增大.温变条件下网孔式弹性垫板对车辆-轨道系统动力学性能有明显的影响:轮轨力和轮重减载率随温度的降低而显著增大,钢轨的垂向动位移量随温度的降低而减小;在极寒的环境中,高速列车的轮重减载率急剧增大,应采用降低列车运行速度的方法确保列车运行安全.     

高速铁路简支梁徐变上拱引起的高低不平顺变化规律及其对行车动力性能的影响

由于桥梁徐变上拱,我国高速铁路连续多等跨简支梁出现了周期性高低不平顺问题.本文通过对简支梁徐变上拱成因及其引起的轨面高低不平顺变化规律分析,发现在开通运营后的前两年桥上高低不平顺幅值年均变化量较大,后期逐渐缩小;通过列车桥梁相互作用动力分析,得出高速列车在允许运营速度及其以下通过桥梁时,桥梁徐变上拱引起的周期性高低不平顺产生的列车动力响应均在安全标准范围以内.通过对沪宁高铁多跨简支梁桥轨面高低不平顺整治的效果来看,本文提出的桥上周期性高低不平顺整治措施能够可靠、有效地降低高低不平顺幅值,提高轨道平顺性,进一步保证旅客的舒适性.     

双块式无砟轨道温度场试验研究和数值分析

为较准确掌握无砟轨道温度场的分布规律,建立无砟轨道温度与环境温度的对应关系,为温度应力的计算和无砟轨道设计提供基础参数,本文测试了双块式无砟轨道不同部件、不同位置的温度和环境温度变化情况,建立有限元模型对无砟轨道温度场进行了数值模拟和对比.实测数据及数值模拟的结果均表明:道床板温度随外界气温呈以日为周期的周期性变化,秋季平均每天的升温时间约为8 h,降温约16 h;由于热交换条件的差异,距轨道表面越远,轨道温度受环境气温的影响越小,道床板角部的温度变化幅度大于中部,支撑层与基床表层的温度变化幅度很小;道床板内存在较大的温度梯度,随着距表面距离的增大,温度梯度逐渐减小,至支撑层时温度梯度可忽略不计;采用有限元模拟的方法获取无砟轨道温度随气温变化规律是可行的.     

周期性轨道结构的弯曲振动波控制

为探究周期性轨道结构中弯曲振动波调控的可行性,本文以CRTSⅢ型无砟轨道为研究对象,带隙特性为评价指标,采用能量泛函变分法建立了无砟轨道结构带隙特性分析模型.结合无砟轨道结构的带隙特性,获取了无砟轨道结构中弯曲波传播路径特征.在此基础上,针对钢轨的弯曲波调控,对比评估了周期性附加调谐质量阻尼器(TMD)和调谐质量阻尼惯容器(TMDI)对钢轨弯曲波的调控效果.针对轨道板的弯曲波调控,分析了轨道板参数对轨道结构带隙特性的影响,并进一步探讨了附加惯性增强装置对轨道板中传播的低频弯曲波的影响.结果表明,对于CRTSⅢ型无砟轨道结构,在0～1500 Hz范围内, 0～90.2 Hz范围内的弯曲波直接传递至下部基础,122.3～228.5 Hz范围内的弯曲波经由钢轨传递至轨道板且继续在轨道板中传播,其余频段的弯曲波则在钢轨中传播.对于钢轨的弯曲波调控,无论是周期性附加TMD还是TMDI均能打开新的弯曲波带隙,抑制钢轨中弯曲波的传播,且带隙的宽度与附加机构的有效质量呈正相关趋势,从宽频调控角度考虑, TMDI比TMD更具优势.对于轨道板的弯曲波调控,增大轨道板的有效质量或软化轨道板下部支承刚度均可缩...     

高速铁路桥墩沉降与钢轨变形的映射关系(Ⅱ):纵连板式无砟轨道系统

分析了桥上铺设纵连板式轨道条件下钢轨随桥墩沉降产生变形的机理,并与单元板式轨道条件下的钢轨变形机理进行了对比,在此基础上,推导了纵连板式无砟轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形间映射关系的解析表达式,计算了钢轨随桥墩沉降的变形曲线,与此同时采用有限元方法从桥梁结构受力与变形的角度分析了桥墩沉降引起的钢轨变形曲线,并与解析计算结果进行了对比,最后对纵连板式轨道和单元板式轨道条件下钢轨随桥墩沉降的变形曲线进行了对比分析.研究结果表明解析模型和有限元模型均可用于求解纵连板式轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形的映射关系;相比于单元板式轨道,纵连板式轨道条件下的钢轨变形更缓和,列车高速通过其沉降区域时产生的激振频率也更低.     

高速铁路桥墩沉降与钢轨变形的映射关系(Ⅰ):单元板式无砟轨道系统

在分析钢轨随桥墩沉降变形机制的基础上,从理论上推导了桥上铺设单元板式无砟轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形间的映射关系,给出了钢轨随桥墩沉降发生变形的解析表达式,与相应有限元模型的计算结果进行了对比,并分析了不同沉降量条件下的钢轨变形区域长度.研究结果显示解析模型和有限元模型得出的钢轨变形曲线十分吻合,表明两种模型均可用于求解单元板式轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形的映射关系;常用跨度桥梁结构的桥墩沉降会对高速行驶的列车产生低频激励,该激振频率与车体的垂向自振频率相近,将对车体振动产生较大影响.     

高速车辆动载下双块式无砟轨道离缝积水动水压力时空变化特性

本文结合车辆-轨道耦合动力学方法与流固耦合方法,建立了双块式无砟轨道离缝积水动水压力计算模型,分析了离缝形态及积水状态对动水压力的影响规律、车辆荷载作用下离缝积水动水压力的时空分布特点以及考虑动水压力时空变化的参数影响规律.结果表明:高速车辆通过计算截面时,动水压力将达到最大正、负压值,离缝动水压力沿轨道横向的分布较为复杂,不同深度处离缝积水动水压力变化并不一致,采用单点动水压力变化难以表征整个离缝区域积水动水压力特性,可采用分区域加载的方法;将动水压力向离缝尖端点简化,得到的主矢和主矩可描述空间分布的动水压力整体的力学作用,同时主矢和主矩随时间的变化也反映了动水压力作用的时变特点;当离缝渐深、离缝高度渐小以及列车运行速度渐增时,动水压力主矢和主矩逐渐增大;离缝深度超过0.9 m时,动水压力对道床板向上的作用将超过钢轨支点压力对道床板向下的作用,将加速无砟轨道层间损伤.     

冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统动力特性研究

应用ABAQUS有限元软件建立CRTSⅢ型板式轨道-路基动力分析模型,计算了在落轴冲击荷载作用下CRTSⅢ型板式轨道-路基系统的动力响应,并将仿真计算结果与试验结果进行了对比,验证了模型的可靠性.在此基础上,研究了扣件刚度、路基基床弹性模量、自密实混凝土弹性模量以及长期服役状态下混凝土弹性模量的降低对轨道-路基系统动力特性的影响规律.结果表明:扣件刚度对各部件振动加速度影响较大,路基基床弹性模量对其影响较小;轨道结构在服役过程中混凝土弹性模量的降低会引起轨道板加速度有较大的增幅,应引起重视.     

温度梯度荷载作用下CRTS Ⅱ型板式无砟轨道砂浆层界面损伤分析

温度荷载引起的轨道板与砂浆层之间界面的损伤影响轨道结构的传力与受力特性,是服役期内高速铁路无砟轨道需要重点关注的问题.建立CRTS Ⅱ型板式无砟轨道有限元模型,采用内聚力模型模拟分析了极端温度梯度荷载作用下砂浆层界面的损伤行为,以及温度梯度荷载循环作用下不同黏结状态界面的累积损伤特性.结果表明:在极端温度梯度荷载作用下,沿轨道板边缘出现环状的界面损伤区域,边角处产生离缝,损伤发生后界面内应力重新分布,在边缘附近形成应力集中带.在温度梯度荷载循环作用下,黏结性能良好界面的损伤区域较小,损伤区随循环作用次数的增加没有明显扩展;对于黏结性能不良的界面,其损伤区域和离缝面积均随循环作用次数增大而加快发展,离缝区越靠近轨道板中心,界面损伤发展速率越大.     

利用引力辅助的行星际周期轨道间转移研究

三体动力学系统动平衡点附近存在的周期轨道在空间探测任务中有着重要的应用价值.本文研究了流形不相交三体系统周期轨道间的转移问题,提出了一种结合流形和引力辅助技术的转移轨道设计方法.首先通过定义近拱点庞加莱映射搜索周期轨道不变流形的近拱点,然后给出了任意初始状态达到一定双曲超速所需速度增量的计算方法,从而得到了最佳逃逸流形和捕获流形的选择依据,并结合等高线图法与近拱点庞加莱映射分析了周期轨道利用该方式进行逃逸或捕获的性质.在此基础上,基于受摄三体模型建立了流形逃逸点到捕获点转移轨道的优化模型,通过微分修正策略将优化模型化简为仅有两个参数的无约束优化问题,并采用单纯形算法进行了求解.以地球-火星和地球-金星转移为例对所提方法的有效性进行了验证,数值结果表明:结合流形和引力辅助技术可有效降低周期轨道间转移的能量消耗.