弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能全参数化计算方法

列车通过弹性支承块式无砟轨道时,扣件和弹性支承块的弹性叠加容易使钢轨倾翻角和轨头横移量显著增大,导致动态轨距扩大,进而影响列车运行的安全性和平稳性。综合考虑轮轨激励形式及其载荷作用关系(包括轮轨垂向力的准静态成分、动态成分及其作用位置、轮轨水平力及其作用位置以及钢轨廓形等)、扣件系统力学特性及其几何参数(包括扣件系统的垂向及横向刚度和阻尼以及外形尺寸等)、弹性支承块力学特性及其几何参数(包括弹性支承块的各向刚度、模量、泊松比以及外形尺寸等),建立准确的力学分析模型和几何关系模型,全面清晰地表征了弹性支承块式无砟轨道结构受力特点。基于力矩平衡计算原理,提出弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能全参数化计算方法,根据单节点实尺模型残余变形试验对理论计算结果进行修正,若考虑消除初始装配间隙影响,支承块间距扩大理论计算值增加0.04 mm加以修正,轨距扩大量应增加0.2 mm加以修正,通过对比分析计算结果、单节点实尺模型试验结果与传统实体有限元模型仿真结果,证明数据吻合度极高。分析与计算结果表明,本文提出的全参数计算方法与单节点实尺模型试验结果、实体有限元模型仿真结果吻合程度良好;利用本文所提出的弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能全参数化计算方法,可以高效准确地开展多参数敏感性分析;能够为不同运营条件下弹性支承块式无砟轨道结构及其部件优化提供设计依据,并奠定充分的理论基础。

重载和客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道快速换块关键技术

为选取合适的弹性支承块式无砟轨道抬轨换块施工参数,建立有限元模型,研究了抬轨点间距、扣件松开长度、抬轨量以及施工轨温与锁定轨温的温差对轨道结构变形和受力的影响,明确各参数最佳取值,提出存在空吊、离缝、套靴积水等病害的弹性支承块式无砟轨道快速换块施工方法,并在现场进行应用。结果表明:抬轨点间距宜取1.2~3.6 m,此时钢轨弯折变形较小,且钢轨拉力和扣件上拔力较小;抬升点间距每增加1.0 m,温差限值增加1℃。抬轨量16 cm,抬轨点间距1.2 m时,扣件松动长度宜大于31.8 m;温差每升高1℃,扣件松开长度应减少2.4 m。钢轨最大拉应力和扣件最大上拔力随抬轨量增加而增大,抬轨量每增加1 cm,钢轨最大拉应力增大0.66 kN,扣件最大上拔力增大0.075 MPa。

客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道混凝土支承块结构承载力试验

以客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道混凝土支承块为对象,通过开展承载力破坏试验,验证Q/CR 9130—2018《铁路轨道设计规范(极限状态法)》中无砟轨道钢筋混凝土结构抗力计算方法相关规定。结果表明:(1)混凝土支承块结构符合平截面假定,混凝土支承块结构中和轴在截面中线靠上;(2)面支承试件裂缝发展、破坏形式等静载力学性能与简支梁不同,无砟轨道结构极限状态不能照搬GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的相关规定;(3)建议重点开展单元式无砟轨道结构静载开裂特性试验,并对裂缝截面处纵向受拉钢筋应力计算公式进行优化研究。

重载列车下弹性支承块式无砟轨道静载试验

研究目的:弹性支承块式无砟轨道是重载铁路长大隧道内较为适宜的轨道结构形式。夺文以中南部通道隧道内弹性支承块式无砟轨道为研究对象,通过开展足尺模型静载试验,研究单个支承块在道床板板端竖向荷载(工况一)、板端横竖向荷载(工况二)、板中竖向荷载(工况三)作用下的受力性能及轨道结构裂缝发展趋势。研究结论:(1)以30 t轴重列车静荷载作为参考,工况一道床板和支承块混凝土分别在3. 3、3. 1倍静轮载时达到轴心抗拉强度,工况二道床板和支承块混凝土分别在3. 0、3. 1倍静轮载时达到轴心抗拉强度,工况三道床板和支承块混凝土分别在4.9、2. 9倍静轮载时达到轴心抗拉强度;(2)工况一道床板裂缝出现于支承块角点位置及支承块长侧边中线位置,并扩展至道床板短侧面,角点处裂缝延伸扩展呈"八"字型,工况三道床板未见明显开裂;(3)列车横向荷载导致支承块角点位置道床板混凝土受力增加;(4)本研究成果对于弹性支承块式无砟轨道的设计、施工及维护具有重要的指导意义。

重载铁路弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力计算分析

弹性支承块式无砟轨道结构整体弹性较好,有利于降低轮轨相互作用力并减缓对隧道基底的振动冲击,是重载铁路长大隧道内较为适宜的轨道结构形式。但弹性支承块式无砟轨道采用两个独立的弹性块体支承钢轨,其保持轨道几何状态,尤其是保持轨距的能力相对较弱。本文通过有限元模型计算,结合室内相关试验结果,研究分析了重载条件下弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力的影响因素。结果表明:增大支承块的长度、宽度以及埋深,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;当支承块埋深不变时,增大支承块高度对轨距扩大、钢轨转角及支承块转角的控制不利;增大支承块套靴侧向刚度,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;增大轨下垫板刚度和支承块下垫板刚度,轨距扩大不断减小,但轨下垫板刚度的增加主要是降低钢轨转角,对支承块的几何状态影响不大,而支承块下垫板刚度的增加主要是降低支承块横向间距扩大,对钢轨转角的影响较小。

客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道结构安全与稳定性分析

在对国内相关标准所规定限值总结的基础上,建立车辆-轨道空间耦合动力学计算模型,重点研究分析不同线路条件、不同类型列车运行工况下弹性支承块式无砟轨道的安全性和稳定性。结果表明,弹性支承块式无砟轨道结构在不同运营条件下(客车最高速度200km/h、货车最大轴重27t):列车运行各项安全性指标及线路轨距动态变化量均在标准规定的限值以内;客车的横向平稳性指标最大值为1.85、垂向平稳性指标最大值为1.88,货车的横向平稳性指标最大值为2.23、垂向平稳性指标最大值为3.42,客车和货车平稳性指标满足1级的标准,平稳性良好。综合计算分析结果,弹性支承块式无砟轨道结构可适用于不同类型客货共线铁路运营条件。

弹性支承块式无砟轨道结构参数动力学优化设计

建立车辆-弹性支承块式无砟轨道耦合动力学模型。模拟落轴试验荷载条件,分析轨下刚度与块下刚度的匹配关系,得出轨下刚度与块下刚度的合理取值范围。在轨道刚度确定的前提下,提出不同运营条件下满足动态轨距扩大限值的弹性支承块式无砟轨道合理结构参数。评估不同半径曲线上铺设弹性支承块式无砟轨道时重载货车和快速客车的运行安全性和舒适性。研究隧道内弹性支承块式无砟轨道与隧道外有砟轨道过渡段动力学问题,结果表明:将有砟轨道向隧道内延伸一定长度可明显改善连接处轨枕的受力状况,同时使支承块免受雨水侵蚀。延伸段长度以10～20 m为宜。

时速200km客货共线铁路隧道内弹性支承块式无砟轨道适用性研究

弹性支承块式无砟轨道结构综合性能良好,在我国客货共线铁路隧道内已有一定规模的应用,但由于其采用两个独立的弹性块体支承钢轨,保持轨距的能力相对较弱,目前仅在我国时速160 km及以下线路中铺设。本文在对国内相关标准所规定限值进行总结的基础上,结合理论计算及现场实车试验成果,重点研究了新研发的弹性支承块式无砟轨道的轨距保持能力。结果表明,新型弹性支承块式无砟轨道结构在不同列车运行工况下,轨距动态变化量均能满足相应限值的要求,可适用于时速200 km客货共线铁路运营条件。

轨下支承刚度对弹性支承块式无砟轨道行车安全性影响研究

为探究弹性支承块式无砟轨道在重载铁路中的适用性,以蒙华铁路隧道应用的弹性支承块式无砟轨道为例,开展重载列车作用下轨下支承刚度对弹性支承块式无砟轨道轨道行车安全性影响研究,以期为大轴重下无砟轨道结构选型及设计提供参考意见。通过建立重载列车—弹性支承块式无砟轨道结构动力学精细化耦合模型,设置不同轨下竖向刚度与轨下横向刚度工况,分析重载列车轮轨竖向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率以及磨耗指数等行车安全性指标变化,并提出合理的轨下支承刚度取值范围。研究结果表明:轨下支承刚度变化主要影响车轮与钢轨间的接触状态,从而影响轮轨接触斑区域及该区域内局部应力状态。随着通行总重量增加,轨下竖向刚度会逐渐增加,因此轨下支承刚度应确保在较低范围内变化。对轨下支承刚度进行合理设置可以改善轮轨接触界面状态,还能够改善轮轨作用力分布,降低钢轨磨耗指数,增加重载铁路钢轨使用寿命。根据列车运行安全性指标变化情况考虑,轨下竖向支承刚度取120~160 kN/mm较为适宜,轨下横向支承刚度取160~200 kN/mm较为适宜,以保证重载铁路钢轨的合理使用寿命及降低换轨周期。

重载铁路隧道内弹性支承块式无砟轨道施工中不同工装的对比分析

结合山西中南部铁路通道红岭隧道弹性支承块式无砟轨道施工,简要介绍了整体轨排框架法、简易轨排架法两种无砟轨道施工工装的基本构成、施工工艺流程及其物流组织选择,同时从施工过程中投入的费用、物流循环速度、混凝土收面质量、直曲线地段精调、混凝土浇筑前后轨道几何形态控制、施工功效等方面对比了两种工装的优劣,提出了两套工装在保证质量、提升功效方面的优化方案,可为类似工程在工装选择时提供参考。

弹性支承块式无砟轨道支承块的合理埋深研究

弹性支承块式无砟轨道系统在世界各国铁路和城市轨道交通建设中得到广泛应用,文中建立了弹性支承块式无砟轨道支承块埋深有限元分析模型,探讨了设计速度200 km/h、250 km/h、300 km/h客运专线,以及初期兼顾货运或客货共线快速铁路支承块埋深对轨头横移的影响。计算表明:弹性支承块式无砟轨道支承块埋得越深,轨道抵抗轮轨横向变形的能力越强。从轨道几何形位变化评判角度,弹性支承块式无砟轨道可应用于设计速度200 km/h客运专线或设计速度200 km/h客货共线铁路,弹性支承块式无砟轨道支承块合理埋深应在130 mm以上。

套靴刚度和阻尼对高速列车-弹性支承块式无砟轨道系统竖向振动的影响

采用轨段单元模拟弹性支承块式无砟轨道结构。钢轨模拟为弹性点支承Euler梁;钢轨下面的支承块视为刚体;道床板视为弹性薄板,并且采用横向有限条与板段单元法对其进行位移插值;钢轨扣件和支承块下胶垫和套靴模拟为线性弹簧和阻尼器;道床板与混凝土底座下的路基模拟为连续分布面弹簧和阻尼器。基于弹性系统动力学总势能不变值原理和形成系统矩阵的"对号入座"法则,建立了高速列车-弹性支承块式无砟轨道系统竖向振动矩阵方程,得到了系统振动响应,进一步分析了套靴刚度和阻尼对此系统竖向振动响应的影响规律。

客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道伤损分析及整治

针对客货共线铁路长大隧道内弹性支承块式无砟轨道结构在运营后出现支承块开裂、道床高程控制不到位等病害的问题,通过现场调研,分析了弹性支承块式无砟轨道的病害原因,明确了支承块橡胶套靴帽檐与道床表面的位置关系,并给出了相应的整治措施。建议严格控制道床表面高程,确保其低于橡胶套靴帽檐底部2 mm;道床板混凝土不得与支承块固结,以免对支承块受力产生不利影响;当整体道床高于设计高程且落道量在50 mm以内时,推荐采用支承块下沉+轨排架过渡的整治方案;在能够保证支承块强度及扣件抗拔力满足设计要求情况下,可以使用异形支承块方案。整体道床施工过程中应严格控制轨面高程。

长大坡道上弹性支承块式无砟轨道稳定性研究

某铁路长大连续坡道上存在大量的凹曲线路段,在长大坡道的凹曲线上铺设的弹性支承块式无砟轨道由于竖向约束较弱,在列车荷载、温度力、制动力等作用下,可能发生竖向失稳。因此,有必要对长大坡道上弹性支承块式无砟轨道的适应性进行分析。文章根据弹性支承块式无砟轨道的结构特点和在长大坡道上力的传递机理,建立了有限元分析模型,分析了直线坡道和凹曲线上弹性支承块轨道在不同温度荷载、不同坡度上的钢轨纵向力和位移变化情况。结果表明:(1)在直线地段,各种工况下的钢轨纵向位移较小,不会出现爬行现象,弹性支承块轨道对坡道的适应能力较好;(2)在凹曲线地段,温度力作用下的弹性支承块式无砟轨道轨枕可能发生空吊。该结论可为弹性支承块式无砟轨道的应用范围研究提供参考。

改进型弹性支承块式无砟轨道几何形位研究

近年来,国内外重载铁路发展迅猛,适用于重载铁路长大隧道内弹性支承块式无砟轨道引起广泛关注。中铁五院针对传统型弹性支承块式无砟轨道进行优化设计,提出一种改进型弹性支承块式无砟轨道。基于弹性支承块式无砟轨道改进设计成果,研究30 t轴重列车荷载作用下传统型和改进型2种弹性支承块式无砟轨道横竖向荷载纵向分配规律、钢轨及支承块竖向位移和轨距扩大量等内容。开展室内足尺模型试验和有限元模型计算,对比分析改进型和传统型弹性支承块式无砟轨道结构的几何形位保持能力和静力学性能,为改进型弹性支承块式无砟轨道铺设及进一步优化设计提供参考。研究结果表明:改进型设计可减小钢轨及支承块竖向位移,更好地控制轨道下沉量。同时改善横向荷载作用下钢轨及支承块抗翻转能力,减小轨距及支承块横向间距扩大量。横竖向设计荷载作用下2种轨道结构几何形位均满足要求。改进型可减小钢轨及支承块竖向位移,更好地控制轨道下沉量。改善横向荷载作用下钢轨及支承块抗翻转能力,减小轨距及支承块横向间距扩大量,提高轨道结构的稳定性,横竖向设计荷载作用下2种轨道结构几何形位均满足要求。

客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道结构极限状态设计法研究

为研究客货共线弹性支承块式无砟轨道极限状态设计方法,系统分析计算模型和加载方式,开展随机变量概率模型及统计参数研究,提出弹性支承块式无砟轨道极限状态设计分项系数,并进行道床板极限状态法配筋设计。结果表明:(1)对于距洞口小于200 m地段隧道内弹性支承块式无砟轨道道床板,建议承载能力极限状态下,列车荷载和温度梯度作用分项系数分别取1.2、0.5,正常使用极限状态下分别取0.7、0.5;(2)采用极限状态法对道床板进行配筋计算,距离洞口小于200 m地段道床板纵向配筋结果与容许应力法计算配筋一致,横向上表面和下表面配筋分别减少2根和6根。

弹性支承块式无砟轨道减振特性足尺模型对比试验

基于中铁五院弹性支承块式无砟轨道优化改进设计成果("改进型"LVT)以及蒙华铁路弹性支承块式无砟轨道("传统型"LVT)设计图纸,在实验室分别制作"改进型"和"传统型"LVT的1:1足尺试验模型,开展落轴冲击作用下,"改进型"和"传统型"LVT减振特性对比试验。研究结果表明:"改进型"和"传统型"LVT的钢轨加速度基本一致,而"改进型"LVT钢轨至支承块、底座板至地面的衰减率优于"传统型"LVT,"改进型"LVT减振效果可达4～5 dB;"改进型"LVT钢轨加速度第1和第2振动周期最大分别减少32.2%和30.0%,且第3周期加速度幅值不明显;"改进型"LVT整体弹性系数最大减小27.4%,而阻尼系数最大增大58.2%;"改进型"LVT支承块主要频率降低约6%,道床板、底座板以及地面主振频率降低约40%。试验结果可为"改进型"LVT的工程应用提供技术支撑。

弹性支承块式无砟轨道的减振机理

为了揭示弹性支承块式无砟轨道的减振机理,为轨道减振设计提供理论依据,运用模态分析法,分析扣件刚度、块下胶垫刚度及部件刚度匹配对轨道减振效果的影响,结果表明：扣件刚度对钢轨570 Hz以下的振动具有较好的减缓作用,对钢轨的高频振动基本没有减缓作用;降低块下胶垫刚度能提高块下胶垫的减振效果;扣件与块下胶垫刚度同取为20-40 kN/mm时,钢轨与支承块将产生共振作用,较高的扣件刚度与较低的块下胶垫刚度相匹配,能提高轨道的减振效果。

隧道弹性支承块式无砟轨道水沟偏移影响分析

研究目的:弹性支承块式无砟轨道由于其良好的减振降噪效果,在隧道和城市轨道交通中得到广泛应用。隧道内为方便排水,一般在线路中心线的仰拱处设排水沟。因施工误差等因素,客货共线隧道内的弹性支承块式无砟轨道的水沟中线与线路中线可能存在较大的偏移,特定条件下偏移会导致盖板破坏及道床板底部分脱空,影响行车安全。本文通过分析水沟偏移对钢轨位移及盖板应力等静力特性的影响,以及道床板脱空对车体加速度、轮重减载率及轨道结构动态响应等动力特性的影响,提出脱空控制指标,为隧道内弹性支承块式无砟轨道道床板底脱空的养护维修提供理论依据。研究结论:(1)水沟偏移对弹性支承块式轨道结构静力特性的影响有限,当支承块悬空25 cm时,盖板最大应力仅为0.25 MPa;(2)道床板板端脱空长度未超过0.55 m时,脱空对车体加速度、轮轨力以及轮重减载率基本无影响;(3)道床板板端脱空长度超过0.55 m时,车体加速度、轮轨力以及轮重减载率显著增大,可能会危及行车舒适性和安全性,建议盖板偏移致板底脱空长度控制在0.55 m以内;(4)该研究成果可为隧道内弹性支承块式无砟轨道养护维修提供理论参考。

弹性支承块式无砟轨道无缝线路更换支承块系统的力学分析

为对无缝线路状态下更换支承块系统进行力学分析并提出合理的维修参数,采用有限元方法建立更换支承块系统的计算模型,分析不同起道量和不同扣件松开长度下系统的受力;在一定的起道量和扣件松开长度下,根据非线性屈曲稳定理论,确定合理的养护维修作业轨温范围。结果标明,弹性支承块式无砟轨道无缝线路更换支承块时,单侧松开扣件的钢轨长度存在最优长度;起道量和单侧松开扣件的钢轨长度对钢轨垂向非线性屈曲临界荷载的影响较大。为避免钢轨失稳,应严格控制作业轨温;起道量为0.16 m时,最优单侧松开扣件的钢轨长度为18 m,相应的作业轨温范围为锁定轨温+5℃以下。