客运专线轨道-路基-地基系统临界速度分析

针对我国客运专线线路的实际情况,建立移动荷载作用下轨道-路基-地基耦合系统振动模型,分析路堤上有砟与无砟轨道情况下轨道-路基-地基系统临界速度,并讨论基床变形模量和基床厚度对系统临界速度的影响。分析结果表明:单个移动荷载作用下轨道-路基-地基系统中存在一临界速度,可称为线路临界速度;线路临界速度主要由轨道抗弯刚度、轨道-路基的参振质量和地基土层的弹性模量决定;提高线路临界速度的措施有:增加轨道抗弯刚度、对软土地基进行改良加固、选用轻质路基填筑材料以减小路基的参振质量。

地震作用下城市轨道交通桥梁-轨道系统关键部件易损性分析

为对地震作用下城市轨道交通桥梁-轨道系统关键部件损伤状态进行分析,以上海城市轨道交通11号线高架段为研究对象,通过OpenSees建立梁轨一体化抗震分析模型。选取符合目标反应谱的10条地震波进行调幅,将调幅后的地震波输入抗震分析模型中;选取桥梁支座、钢轨以及轨道扣件作为轨桥系统关键部件,进行增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)并提取对应的IDA曲线,对IDA曲线进行回归分析得到支座与扣件地震概率需求模型数学表达式;提出支座、钢轨以及轨道扣件损伤状态界限值,基于正态分布假设得到支座与扣件不同损伤状态下超越概率,据此绘制易损性曲线。结果表明,罕遇地震作用下钢轨横向残余变形较小,发生轻度损伤概率为0%;当峰值加速度超过0.5g时,支座发生轻度损伤超越概率显著增加,扣件发生轻度损伤的超越概率接近100%;选取不同损伤指标对扣件进行易损性分析时,以位移幅值为损伤指标得到的扣件损伤概率更高;随着地面峰值加速度的增大,扣件有较大概率先于支座发生损伤。

车辆-轨道非线性耦合系统显隐式求解算法的收敛性分析

针对车辆-轨道非线性耦合系统的动力学方程联立求解过程,将车辆和轨道分别考虑为2个子系统,通过2个子系统之间的位移协调和轮轨非线性接触力耦合,再结合显隐式积分格式,提出车辆-轨道非线性耦合系统的分离迭代和分离同步两种求解方法,通过算例验证了两种方法的正确性,并对两种求解方法的收敛性进行了对比分析。计算结果表明:显隐式分离迭代法和显隐式分离同步法的最大有效时间步长分别是0.5、0.1 ms;在时间步长较大时,采用Aitken加速法可以起到增强显隐式分离迭代法的计算稳定性的作用,但Aitken加速法的作用会随着时间步长的减小而变小;相同时间步长下显隐式分离同步法的计算效率要比显隐式分离迭代法高,但可以通过选用较大的时间步长来提高显隐式分离迭代法的计算效率。

冻胀变形下高速铁路车辆-轨道-路基耦合系统的动力效应

季冻区严酷的自然环境对高速铁路的高标准运行产生了极大影响,甚至会对高速铁路造成永久性破坏。为探究季冻区高速铁路路基冻胀变形作用下对车辆-轨道-路基耦合系统动力效应的影响,以银西高速铁路某冻胀区段为背景,结合车辆-轨道-路基系统动力学的原理和分析方法,建立了简化后的动力学模型;选取了典型的单波余弦冻胀波形(冻胀波长λ=10 m,冻胀峰值f=10 mm),分别探讨了轨道系统与车辆系统的动力学效应,并据此确定了轨道刚度的合理取值。研究结果表明:在路基冻胀变形作用下,轨道系统中轨道各部件动压力、动位移及动加速度幅值在低频段(0~200 Hz)发生明显波动,扣件刚度与道床刚度的最优刚度比为0.5,轨道总刚度的合理取值在62~87 kN/mm范围为宜;车辆系统中车辆轮重减载率及车体垂向加速度与冻胀波长λ成反比关系,与冻胀峰值f成正比关系。

基于Seed-PCG法的列车-轨道-地基土三维随机振动GPU并行计算方法

为了解决列车-轨道-地基土三维有限元模型随机多样本计算效率低的问题,本文提出了一种基于Seed-PCG法的高效并行计算方法。基于有限元法和虚拟激励法建立轨道不平顺激励下的三维列车-轨道-地基土耦合随机振动分析模型;针对车致地基土随机振动分析产生的多右端项线性方程组求解问题,采用Seed-PCG方法进行求解。通过PCG方法求解种子系统得到的Krylov子空间进行投影,以改进其余线性方程组的初始解和对应的初始残量,有效提高了PCG法的收敛速度,最后,在MATLABCUDA混合平台上开发了并行计算程序。数值算例表明:相同计算平台下的该方法相比多点同步算法获得了104.2倍的加速;相比PCG法逐个求解方案减少了18%的迭代次数,获得了1.21倍的加速。

基于贝叶斯自优化Bi-LSTM组合网络的高速铁路轨道-桥梁系统震后响应预测方法

中国高速铁路(HSR)规划建设逐渐向地震易发地区延伸,亟需一种及时、准确的灾后地震响应快速预测方法,以实现高速铁路系统运输生命线安全的快速评估。本文提出了一种基于贝叶斯自优化双向长短期记忆(Bi-LSTM)网络的快速预测方法,以经过实验验证的高速铁路轨道-桥梁系统有限元模型地震动响应计算数据为样本,将预测地震响应和有限元计算结果进行比较,验证所提方法的精度和鲁棒性,表明该方法在预测高速铁路桥梁结构的非线性地震反应方面是有效的,且高速铁路轨道-桥梁系统的不同预测位置对预测精度的影响不明显;此外,为了降低神经网络训练数据量需求,提出了一种基于离散小波分解的分层聚类算法,结果表明,基于小波分解的分层聚类方法在保证预测精度的同时,有效地减少了训练地震集的输入数量。

有轨电车轨道-路基全装配式建造工艺研究

以嘉兴有轨电车工程为例,介绍了有轨电车路基-轨道全装配式结构的设计要点,总结了轨道-路基全装配式结构的建造工艺、质量控制要求及应用效果,可为有轨电车路基-轨道装配式结构的标准化设计、规范化建造提供有力技术支撑,且对其应用推广有借鉴意义。

路基不均匀沉降下列车-有砟轨道-路基三维耦合系统动力响应分析

基于多体动力学与有限单元法建立列车-有砟轨道-路基三维耦合系统精细化数值模型,并提出一种新的迭代方法,将路基余弦型不均匀沉降作为位移边界条件,通过判断轨道结构与路基结构间的接触状态,研究路基不均匀沉降和列车荷载共同作用下的轨道结构伴随性变形,计算列车动力响应、轮轨接触力和轨枕与道砟间的接触力等,进而模拟分析不同波长和幅值的不均匀沉降对上述动力响应和轨枕空吊等病害的影响,揭示路基不均匀沉降与钢轨变形之间的映射关系。研究结果表明:轨道结构伴随性变形随路基沉降幅值的增大而增大,且在一定沉降范围内引发轨枕空吊等病害;耦合系统结构动力响应随路基沉降幅值的增大而增大;随沉降波长增大,轮重减载率和轮轨力减小,而车体竖向加速度呈现先增大后减小的变化趋势,并存在10 m左右的敏感波长使得车体竖向加速度最大;路基不均匀沉降可加剧轨枕和有砟道床间的相互作用,进而加剧沉降发展。

高速铁路路基-地基系统振动响应分析

推导了有砟轨道-路基-地基系统在轮轨接触点处的柔度矩阵,建立了考虑轨道不平顺的车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。通过算例分析了单台TGV高速动车引起的路堤本体-地基系统振动,得到路堤本体表面的垂向位移,研究了列车速度、轨道不平顺、基床刚度和路堤土体刚度对路堤本体振动的影响。研究结果表明:路堤本体垂向位移主要由移动列车轴荷载引起;随着列车速度的提高,路堤振动的"波动性"明显增加;基床刚度和路堤土体刚度对路堤振动影响显著,可通过增大基床和路堤土体刚度来减小高速列车引起的路基振动。

列车-轨道-地基土耦合系统三维随机振动的多GPU并行计算方法

针对列车-轨道-地基土耦合系统随机计算效率低的问题,本文提出了基于多GPU的列车-轨道-地基土随机振动方程的高效并行计算方法。基于OpenMP-CUDA混编技术将虚拟激励法不同频点下的多个线性方程组求解任务分配给多个GPU并行执行;在每块GPU上,采用基于CUDA的预处理共轭梯度法(PCG)并行求解对称正定的等效静力平衡方程。针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(CSR)格式存储大型稀疏矩阵以节省内存空间。最终通过MATLAB-CUDA混合平台开发并行计算程序,解决了随机振动分析中多个线性方程组串行求解效率低的难题。数值算例表明,基于四GPU节点的多GPU并行算法和单GPU加速PCG算法的计算效率是串行多点同步算法(MPSA)计算效率的22.59倍和3.75倍。

基于车-车通信的列车运行控制系统后备系统

[目的]目前,以TACS(列车自主运行系统)为代表的基于车-车通信列车运行控制系统后备系统尚不完善,需对其后备系统进行进一步地深入探讨和研究。[方法]分析了新的运营需求,结合新技术的发展,对一种基于环境识别的TACS后备系统进行探讨。详细介绍了TACS后备系统的架构及功能,分析了TACS后备系统建设的技术难点,阐述了TACS后备系统的列车运行空间监测场景及降级运行场景应用情况。[结果及结论]在发生故障后列车降级运行的情况下,TACS后备系统能提高运营TACS系统效率,并能增强运营安全性。

扣件失效对车-轨-路-地耦合系统垂向振动特性影响研究

通过有限元软件Abaqus和多体动力学软件UM联立仿真,从刚柔耦合的角度建立了车辆-轨道-路基-地基耦合振动分析模型,对比分析了正常工况、单侧扣件失效1个、3个、5个和两侧扣件失效1~5对等工况对整个系统动力响应的影响规律。研究结果表明:单侧扣件失效5个时,对钢轨垂向位移和垂向加速度影响较大,对车体垂向加速度影响较小;两侧扣件失效工况下,2.5~5对扣件失效时钢轨垂向位移超过标准规定的最大允许值2mm;轨道板和基床表层垂向振动加速度变化趋势几乎一致,与正常工况相比皆增加了约4倍,轨道板和基床表层垂向位移较正常工况变化量不大;出现非对称扣件失效时脱轨系数和轮重减载率发生突变,此时车辆脱轨风险较高。

高速移动荷载作用下的轨道-地基系统的动力响应

以高速列车运行时的轨道-地基系统为对象,将轨道-地基系统简化为半无限地基及成层地基上的Winkle梁模型,对高速移动荷载作用下梁-地基系统的协同工作进行了分析,得到了轨道与地表面的动力响应。

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。

车辆-轨道-路基系统垂向动力分析模型的试验验证

基于车辆-轨道耦合动力学理论,根据秦-沈客运专线车辆的结构形式、悬挂特性及轨道结构特点,建立了具有两系悬挂的(客车)车辆-(有碴)轨道-路基垂向统一模型。采用研制的动力分析计算程序,对轨道随机不平顺激励下车辆-轨道-路基的动态响应进行了数值计算,并将路基基床表层动态响应的数值模拟结果与现场试验工点实测数据进行了对比分析。结果表明,该模型能较真实地反映车辆、轨道和路基垂向相互作用的基本力学特征,所得计算结果与实测数据比较吻合。

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道后浇带维修对线-桥系统的影响

对于桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构,采用超高压水射流法破除伤损后浇带后,线-桥系统发生内部应力重分布。本文建立了桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构纵向力计算模型,分析不同温度荷载作用下破除后浇带混凝土对线-桥系统纵向相互作用及结构位移的影响,确定了破除伤损后浇带的合理温度范围。结果表明:破除底座后浇带混凝土后,剪力齿槽纵向反力随温度荷载增加而大幅增大,降温工况下后浇带处钢筋拉应力较小;当施工温度高于底座板锁定温度10℃以上时,桥墩纵向受力较大;在后浇带破除位置,底座板、轨道板和钢轨的纵向位移均会发生突变,其中底座板纵向位移受温度荷载的影响较大,升温、降温20℃时分别可达4.0、2.5mm。建议后浇带维修施工温度控制在不低于底座锁定温度15℃和不超过底座锁定温度10℃的范围内。

地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动的影响研究

随着磁浮交通线路的不断扩展,地震作用对磁浮交通系统的安全性构成了严重威胁。为探究地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统振动响应特性的影响,基于考虑比例-积分-微分(PID)主动悬浮控制的磁浮车轨耦合关系,在绝对坐标系下建立磁浮列车-轨道-桥梁系统地震响应数值计算模型,其中将车辆简化为具有45个自由度的多刚体,轨道-桥梁结构采用有限元法建立。在此基础上,编制相应的仿真程序,计算只考虑车辆作用、只考虑地震作用以及同时考虑车辆和地震作用3种工况下系统的动力响应,并分析车速对系统地震响应的影响规律。研究结果表明:地震作用对磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动影响明显,尤其是对横向耦合振动的影响;轨道-桥梁结构跨中竖向位移受车辆作用影响较大,跨中横向位移主要受地震作用影响;轨道-桥梁结构的频域响应与车辆荷载的特征频率及结构固有频率密切相关,地震作用会显著放大轨道-桥梁结构的1阶固有频率振动响应;同时考虑车辆作用和地震作用时,随着车速提高,车体加速度幅值与桥梁跨中竖向位移幅值并非单调变化,而桥梁跨中横向位移幅值呈现下降趋势。研究成果可为后续磁浮列车-轨道-桥梁耦合系统地震响应分析和轨道-桥梁结构设计提供理论支撑。

基于GPU的车辆-轨道-地基土耦合系统3D随机振动并行计算方法

针对轨道不平顺随机特征导致车辆-轨道-地基土耦合系统随机分析计算效率低的问题,采用虚拟激励法降低大样本分析的计算量;针对耦合系统等效刚度矩阵的稀疏特性,采用行压缩(Compressed Sparse Row,CSR)格式存储大型稀疏矩阵,采用预处理共轭梯度法(Preconditioned Conjugate Gradient,PCG)求解对称正定的等效静力平衡方程,最后通过MATLAB-CUDA(Compute Unified Device Architecture)混合平台开发基于GPU的并行计算程序.数值算例表明:基于MATLAB-CUDA混合平台求解等效静力平衡方程的效率是串行多点同步算法的86.13倍,大大缩短了随机振动分析的总计算时间,且内存占用小、易于在个人计算机上实施;采用PCG法求解车辆-轨道-地基土耦合系统形成的大型稀疏线性方程组时,建议以加速度指标作为迭代收敛精度的控制指标;可通过选取适当的迭代收敛精度,以达到计算精度和计算效率的平衡.

土体-博物馆-展柜-文物全系统中地震传递规律研究

为得到作用在文物上真实的地震动特性,建立土体-博物馆-展柜-文物全系统模型和刚性地基(博物馆-展柜-文物)全系统模型,选取3条地震波调幅进行时程分析,通过加速度、位移和文物转角等参数分析考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)的影响。以Ⅱ类场地为例,分析考虑土-结构相互作用下从土体到文物的震动传递规律,为判别文物在地震作用下的安全性提供更加准确的数据支持。结果表明:对结构而言,考虑SSI使算出的地震响应偏小。对展柜和文物而言,小震下考虑SSI使算出的地震响应偏小。但在中震和大震作用下,考虑SSI效应时展柜和文物的响应存在较多比刚性地基响应大的情况。基于保护文物的角度,在地震分析尤其是大震分析时应考虑SSI的影响。对Ⅱ类场地和4层钢筋混凝土框架结构,考虑SSI影响,在地震波从土体传递到文物这一过程中,大震下结构进入塑性,文物的动力放大系数最大值为5.70(含土体、结构、展柜的动力放大系数),最大滑移量129.69 mm,出现倾覆现象。各个传递环节频谱成分均有一定差别,结构、展柜及文物都会对地震波频谱产生影响,分析时应将每部分的影响都考虑进去。

基于结构参数不确定的列车-轨道-路基系统耦合振动概率分析

列车荷载作用下有砟轨道-路基耦合系统结构参数的不确定性引起的随机振动对行车安全的影响不可忽略。本文提出了一种基于概率密度演化理论的三维列车-有砟轨道-路基耦合系统随机振动概率仿真分析模型,该模型可同时考虑轨道随机不平顺、道砟层和路基层随机刚度、随机阻尼等耦合效应,为列车-轨道-路基系统随机振动分析提供了一种全新的计算分析方法。采用数论方法对多维随机参数进行代表性离散数组点设计。结果表明,与蒙特卡罗模拟方法相比,概率密度演化模型开展随机振动分析更为准确、高效。基于算例开展了多维随机参数的敏感性分析,系统地评估了不确定结构随机参数的相对重要性,并在此基础上探讨了列车-轨道-路基系统的随机概率演化机制。