高速铁路无砟轨道斜拉桥刚度理论分析与设计参数研究

为研究高速铁路无砟轨道斜拉桥的刚度特征以及合理结构设计参数,采用理论公式推导、数值分析等手段,得到结构设计参数刚度影响解析公式及其影响规律,用于指导桥梁设计。首先引入索梁活载刚度比的概念,通过建立斜拉桥主梁多点支承连续梁的三弯矩方程得到主梁刚度,通过考虑主塔变形和拉索伸长量得到斜拉索等效刚度,进而给出斜拉桥整体刚度、索梁活载刚度比和主梁跨中挠度的理论公式,并基于理论公式得出主梁惯性矩、斜拉索倾角、塔高以及拉索面积对斜拉桥整体刚度的影响。以广湛铁路东平水道特大桥主桥(67.5+60+60+350+60+60+67.5)m钢箱混合组合梁无砟轨道斜拉桥为例,通过对比跨中活载位移理论解与数值解验证本文理论公式的准确性,进而采用理论公式分析结构设计参数对桥梁刚度的影响。研究结果表明:随拉索倾角增大或者塔高增加,主梁的跨中位移先减小后增大,索梁活载刚度比先增大再减小,拉索倾角为29.2°~73.9°时主梁跨中位移达到最小值36.4 cm,此时索梁活载刚度比为15.4。随着主梁的梁高增加,主梁跨中位移减小,索梁活载刚度比减小,但是减小幅度较为缓慢。拉索面积增大,主梁跨中活载位移减小,索梁活载刚度比增加。提出了桥梁合理梁高、塔高和斜拉索规格及拉索面积。桥梁结构静动力检算、桥上轨道静态高低不平顺验算以及无砟轨道受力与层间压缩量等检算结果均表明,该桥具有良好的安全性和行车平稳性。

轨道高低不平顺谱分析

基于国内外轨道高低不平顺功率谱密度拟合函数,通过编程数值计算分别对比研究了普通线路谱和高速线路谱对行车平稳舒适性、安全性、轮轨动力效应的影响。结果表明,铁科院干线谱和原长沙铁道学院谱激励下列车的平稳舒适性略优于美国六级谱,而前者的轮轨动力效应介于美国六级谱和美国五级谱之间,后者则与美国六级谱相当;时速120 km等级普通线路谱和时速160 km等级提速线路谱引起的列车行驶平稳性介于美国五级谱和六级谱之间,轮轨动力效应与美国六级谱较一致;铁科院郑武线高速谱和时速200 km等级提速线路谱引起的列车平稳舒适性介于德国高干扰谱和低干扰谱之间,而前者引起的轮轨力大于德国轨道谱,后者则与德国低干扰谱相当。同时采用三角级法给出各轨道谱的时域样本,作为车辆-轨道垂向耦合动力分析模型的轮轨激励输入,仿真计算了青藏客车YZ25T在普通轨道谱激扰下以时速90 km/h行驶和高速轨道谱激励下以时速200 km/h行驶时的轮轨竖向作用力,较好地验证了基于轨道谱密度函数的轮轨力效应分析结果。研究成果可为列车行驶振动反应分析中轮-轨不平顺激励谱的选择提供参考。

车辆-轨道-桥梁系统竖向运动方程的建立

视车辆、轨道和桥梁为整个系统,将车辆模拟为由弹簧和阻尼器连接的多刚体,钢轨和桥梁均模拟为Bernoulli Euler梁,钢轨和桥梁之间的钢轨基础用连续的弹簧和阻尼器模拟。应用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的"对号入座"法则,建立了4轴双层悬挂系统车辆的车辆 轨道 桥梁单元和系统的竖向运动方程。与传统的方法(分别建立车辆运动方程,轨道和桥梁运动方程,这两种方程通过轮轨相互作用力耦合)相比,该方法能直接得到车辆 轨道 桥梁单元和系统的运动方程。举例说明了轨道表面不平顺对车辆、钢轨、桥梁以及车辆与钢轨之间接触力的动力响应的影响。

基于惯性基准法的高速铁路纵断面线形平顺性研究

为研究线路竖曲线引起的长波高低不平顺超限问题,采用基于惯性基准法的虚拟轨检技术,建立高速列车—线路动力学仿真模型,通过车体加速度与车体-车轮相对位移反演得到虚拟不平顺,进而分析列车检测速度,竖曲线半径、长度、坡度差、夹坡段长度等竖曲线基本参数对虚拟不平顺的影响规律。分析结果表明:检测速度与竖曲线半径对虚拟长波不平顺影响较大,同时将计算结果与规范对比,建议对于设计时速为300 km/h的高速铁路,在设计允许的条件下,竖曲线长度和夹坡段长度设计值应大于500 m。

客货混运铁路专线轨道振动分析

研究目的：分析客货混运铁路专线客车及货车引起轨道振动的规律。研究方法：通过建立考虑线路随机不平顺的轨道结构连续3层梁模型，论述了运用傅里叶变换法分析轨道结构振动的方法。首先对轨道结构振动方程进行傅里叶变换，求解傅里叶变换域中的振动位移，再通过快速离散傅里叶逆变换得到轨道结构的振动响应。研究结果：分析了客、货列车以不同速度运行时对轨道结构振动的影响。研究表明，在客货混运的铁路专线上，最不利的工况应是货车。在同样的列车速度条件下，货车引起的轨道位移比客车大45％～50％，货车引起的轨道加速度比客车大40％～50％，货车引起的轨道动压力比客车大50％～60％。研究结论：客货混运铁路专线比客运专线和货运专线更易损坏，建设客、货分离的铁路专线是有效的解决方法。

高速铁路无砟轨道振动分析

研究目的:通过建立考虑线路随机不平顺的轨道结构连续双层梁模型,提出分析高速铁路弹性支承块式无砟轨道结构振动的数值方法,为无砟轨道结构设计提供指导。研究结论:对轨道结构振动方程进行傅里叶变换,求解傅里叶变换域中的振动位移,再通过快速离散傅里叶逆变换得到轨道结构的振动响应。线路随机不平顺是根据实测的功率谱函数在计算机上生成的。相对于其它复杂的车辆-轨道耦合动力学模型,该方法简单可行,借助于Matlab软件使得程序编制容易实现,且能反映轨道振动的基本规律和特点,尤其适合于整趟列车通过时轨道结构振动分析的情况。作为应用实例,对高速铁路弹性支承块式无砟轨道进行了振动分析,分析了线路不平顺等级、轨枕垫板和弹性扣件刚度、轨道基础刚度和列车速度对轨道振动的影响,得到了轨枕块橡胶垫板静刚度和橡胶套靴静刚度的合理设计值范围分别为60～90MN/m和120～150MN/m。

沪宁城际铁路轨道高低不平顺状态分析

为分析轨道高低不平顺对沪宁城际铁路列车运行动力学性能的影响,建立了车辆轨道耦合模型,计算得到不同轨道谱激扰下的列车动力学性能指标,包括沪宁城际铁路实测轨道不平顺、秦沈有砟、无砟谱和德国高干扰、低干扰谱.经对比分析,结论如下:沪宁城际轨道谱实测不平顺激扰下,列车各项动力学性能指标均为最优值,且满足相应限值要求,反映出沪宁城际轨道良好的平顺性;其他4种轨道谱激扰下列车各项动力学性能指标也均满足相应限值要求,能够保证列车舒适度及行车安全.研究成果可为沪宁城际铁路养护维修中轨道高低不平顺管理提供参考.

高速铁路简支梁桥车桥系统随机响应

为探讨高速铁路简支梁桥车桥系统的随机响应,采用虚拟激励法,将轨道高低不平顺转化为一系列频率点处简谐荷载的叠加,使非平稳随机振动问题转化为确定性的时间历程问题.采用分离迭代法求解车桥系统运动方程,运用三倍标准差原理确定车桥系统响应的最大、最小值.最后,讨论了简支梁桥车桥系统的随机响应在不同列车运行速度下的变化规律.研究结果表明:车体竖向位移和加速度的随机性较大,桥梁跨中竖向响应及轮对受到的竖向轮轨力受确定性荷载的影响较大;列车运行速度对桥梁跨中竖向加速度最大值、车体竖向加速度最大、最小值的影响较大.

关于上海地铁一号线轨道高低不平顺问题的探讨

对上海地铁一号线地铁车辆的车箱振动进行现场实测,得到不同区间段的地铁车厢振动加速度;采用上海地铁一号线车辆参数,建立整车模型,通过时域数值计算,分析得到了不同轨道谱输入下的地铁车厢垂向振动加速度和轮轨垂向力,并同实测的地铁车厢垂向振动加速度进行比较,初步探讨了上海地铁一号线的轨道高低不平顺问题。

长波高低不平顺与车体垂向加速度关联模型研究

轨道不平顺是车辆振动的主要激励源,随着车辆运营速度的增加,引起车辆振动加剧的不利波长也在变化。本文利用谱分析方法对0号高速综合检测列车实测数据进行分析,得到高速条件下长波高低不平顺和车体垂向加速度在空间频域上的分布规律,分别采用非参数模型和ARX模型构建长波高低不平顺与车体垂向加速度之间的关联关系,并利用系统辨识技术对两种模型的传递函数进行估计。通过将两种关联模型分别与长波高低不平顺结合,实现车体垂向加速度的预测;并与实测车体垂向加速度进行相关性和相干性分析。结果表明,两种模型均能较好反映长波高低不平顺与车体垂向加速度之间的传递关系。通过比较,ARX模型比非参数模型更精确。

轨道高低调整量的影响因素

为了探讨轨道高低不平顺(轨道高低)实际调整量与计算调整量的关系,提出了轨道高低调整量的计算方法;建立了钢轨-扣件-轨下垫板耦合计算模型;对轨下垫板垂向刚度、轨枕间距、松开扣件个数和调整枕个数等影响因素进行了分析.研究结果表明:调整枕只有1个时,轨下垫板垂向刚度对调整量的影响较大;轨枕间距和松开扣件个数对调整量的影响较小;连续多个轨枕调整且计算调整量相同时,中间部分调整枕的调整量可以达到计算调整量.

基于经验模态分解及时域积分的轨道高低不平顺获得方法

分析了信号中的趋势项产生原因,并推导了时域积分过程中趋势项的产生过程;利用经验模态分解的方法提取并去除了实测列车轴箱垂向加速度信号的趋势项,然后对去趋势项的加速度信号在时域内连续两次积分得到轨道高低不平顺数据;分别用经验模态分解法和最小二乘法去除了积分过程中产生的趋势项,并将两种方法的处理结果进行了对比分析。分析结果表明,利用最小二乘法去除信号及积分过程中产生的趋势项存在较大的计算误差,而利用经验模态分解的方法则可以有效去除信号及积分过程产生的趋势项,从而得到轨道高低不平顺数据。

车辆-桥梁耦合系统垂向振动的随机分析

研究车桥耦合系统在轨道高低不平顺激励下的垂向平稳随机振动。车辆采用二系悬挂6个自由度的4轴客车空间模型,桥梁采用空间梁单元模型,轨道不平顺假设为多点异相位平稳随机激励。采用虚拟激励法将轨道不平顺转化为一系列的简谐荷载形式。运用分离迭代法求解车桥耦合系统振动方程。分别采用虚拟激励法和Monte Carlo法对单跨33.3m简支梁进行随机振动分析,验证了方法的正确性。最后,以1列火车通过单跨33.3m简支梁为例,研究了车桥时变耦合系统的垂向随机动力特性。

轨道不平顺与轮轨匹配对地铁车辆晃动的影响

为了综合分析轨道不平顺与轮轨匹配对地铁车辆晃动的影响机理,采用动力学试验与数值仿真相结合的方法展开研究.测试车辆晃动的横向振动加速度、轮轨廓形及轨道不平顺,掌握车辆晃动、不同轮轨匹配特征,分析轨道不平顺及轮轨匹配对车辆晃动的影响.结果表明:当地铁运行线路存在周期性轨道不平顺时,将严重影响车辆平稳性;不同轮轨型面匹配引起的转向架蛇行运动频率与轨道激励频率、车体滚摆模态频率的接近程度不同,是导致车辆平稳性存在差异的原因.及时处理轨道周期性不平顺,合理控制轮轨型面匹配的等效锥度能够有效改善地铁车辆的运行品质.

铁路轨道高低不平顺的预测及其应用

分析了铁路轨道高低不平顺的预测原理，用轮轨动力分析方法确定了满足安全和舒适要求下的高低不平顺发展容许值，并与快速线路维修新规则管理标准作了比较，结果基本相符。以沪宁线为实例，对不同条件下高低不平顺发展作了参数分析。

重载铁路轨道高低不平顺预测研究

轨道不平顺严重威胁铁路行车安全和设备的使用寿命。研究轨道高低不平顺的变化特点和劣化规律对重载铁路轨道维修管理有重要指导作用。基于灰色区间预测建模理论,研究重载铁路轨道高低不平顺变化特点和劣化规律,预测轨道高低不平顺未来的发展情况。为验证预测模型的有效性,采用神朔铁路上行10个高低超限病害高发单元区段的共17个月的历史轨道高低不平顺检测数据进行验证。结果表明:该模型拟合和预测效果良好,对神朔铁路轨道的养护维修管理有着重要意义。

车轮多边形演变及其对车辆动力学影响

车轮多边形演变会影响动车组运行安全,为研究其演变过程以及对车辆振动行为的影响,对国内某动车组车轮进行实际廓形测量和分析。基于车辆动力学理论和滚动接触理论,建立车辆-轨道耦合动力学模型,从时域和频域角度仿真分析多边形磨耗特征。假设车轮横向轮廓和名义车轮半径不发生变化,结合USFD磨耗模型建立长期磨损迭代模型来模拟多边形演变行为,并利用实测不圆顺数据分析对动力学性能的影响。计算结果表明:最终圆周轮廓与初始轮廓存在相位差,车轮磨耗虽增加但波形变化不大。车轮多边形对平稳性指标影响较小,但会影响轮轨动作用力,轮轨垂向力最大值随车轮不圆顺波长的增大而降低,随速度和粗糙度幅值增加而增大。同等行车速度下粗糙度幅值增大,构架垂向加速度幅值相应增大。

基于互补滤波的轨道不平顺动态测量方法

现有高速铁路轨道动态检测主要采用基于加速度计和测距传感器数据的惯性基准法,由于加速度计具有信噪比低、积分漂移大等特点,限制了其在轨道长波不平顺和低速下的测量精度,因此提出基于互补滤波的轨道不平顺动态测量方法。首先,优化系统硬件结构,在转向架前后安装测距传感器;其次,采用轨面上"两点弦"测量模型,推导基于光纤陀螺仪数据的角速度测量法;通过测量系统传递函数的幅频特性分析,发现角速度测量法在测量30 m以内的短波不平顺时存在衰减,为此提出互补滤波方法,即对加速度测量法与角速度测量法进行融合计算;最后,用轨道-车辆动力学仿真对3种方法的精度进行实例分析。结果表明:相较于角速度测量法,互补滤波测量法有效补偿了其在测量30 m以内的短波不平顺时存在的高频衰减的不足;相较于加速度测量法,互补滤波测量法将平均精度提高了24%~80%,因而它具有噪声敏感度低、受检测速度影响小等优点。

有砟轨道下沉与高低不平顺关系分析

检验了六分之一模型的适用性,并对该模型进行修正,提出有砟轨道下沉与高低不平顺恶化关系的修正计算模型.得出六分之一模型能在一定程度上反映两者之间的关系,但当高低不平顺数据不服从正态分布或时间间隔跨度较小时,会出现偏离程度相对较大的情况;修正模型比六分之一模型的适用性更好,准确度更高.

高低不平顺动静态关系的一种分析方法

轨道不平顺的检测通常可分为静态检测与动态检测2种类型。根据现场经验,动静态检测值之间往往存在一定的偏差。针对轨道不平顺中的高低不平顺,提出一种分析其动静态关系的方法,该方法首先建立一个动静态关系的计算模型,然后通过编程将其实现,最后结合现场实验数据对方法的适用性进行分析。分析表明,该方法能够在一定程度上较好地由动态不平顺原波形推算静态不平顺的原波形,但当实际静态不平顺波形在波峰处偶尔超过或明显低于动态不平顺波形时,则有可能无法被准确还原;因此具有一定的局限性。