区间轨道结构动力学响应研究

线路/路基区间轨道结构动力学响应研究姜福香,岳渠德,王玉田青岛建筑工程学院山东青岛266033)摘要基于双层叠合交叉梁系空间动力学模型利用自行开发的计算机仿真计算程序分析确定了区间轨道结构的动、静力计算长度并就各种参数对轨道结构的动力影响规律进行了研究。关键词区间轨道;交叉梁系;计算长度;动力响应中图分类号U213.2+1文献标识码:文章编号:1004-2954(2003)10-0094-04概述轨枕单元模型轨枕的垂向为连续弹性(含阻尼)地基梁单元轴向为连续弹性(含阻尼地基上的一维近几年随着列车轴重和速度的不断提高以静力单元横向视为刚性质量块轨枕的每个结点考虑3个分析为基础的轨道设计理论与工程实际越来越不能相自由度。适应从而使对轨道结构动力响应的研究成为当务之钢轨_轨枕联结点模型钢轨与轨枕的联结点可传急。本文基于区间轨道结构双层叠合交叉梁系空间力递垂向力、横向力和扭矩。利用有限元的概念将轨枕学模型利用自行开发的计算机仿真计算程序分析确联结点作为一个特殊单元来处理将其视为刚度、阻尼定了区间轨道结构的动、静力计算长度并在此基础上单元该单元无质量有线刚度和弯曲刚度。单元的就各种参数对轨道结构的动力影响规律进行了研究。端与钢轨连接自由度情况与钢轨单元一致另一端与区间轨道结构力学模型简介轨枕连接自由度与轨枕单元一致两个连接处视为枕轨联结点单元的2个节点。轨道结构由钢轨、扣件、轨枕和道床(含路基)组轨道结构的单元划分和节点编号如图1所示每成本文将整个轨道结构视为双层叠合交叉梁系(图跨轨道有2个钢轨节点和4个轨枕节点所以每1)钢轨和轨枕之间有支承弹性和阻尼轨枕为弹性跨轨道有22个自由度。〔含阻尼地基上的短梁忽略道床振动质量对动力响各单元的特性矩阵及轨道结构振动微分方程的推应的影响。导可参阅文献11基于上述模型本文采用 FORTRAN语言编写了18④1219p/16仿真计算程序程序分为激励输入、特性矩阵生成、静力计算和动力计算四大部分。经过大量的算例验证了本程序的可靠性3轨道结构计算参数和条件钢轨3.1主要参数利用仿真计算程序进行模拟计算之前需要确定图1轨道结构双层叠合梁系力学模型、单元及节点划分相应的参数。本文参考了大量的文献选定参数如表钢轨单元模型掖据有限元法钢轨垂向和横向弯~表4所示所取数值均在合理的范围内。曲均视为梁式单元为双向可弯的弹性梁扭转运动表1钢轨单元计算参数视为扭转单元不计轴力和剪切影响不考虑钢轨的纵中国煤化工参数值向运动钢轨的每个结点考虑5个自由度。CNMH51.51460.6474414截面对竖直轴惯性短)m20373217448937752466收稿日期2003-03-13第一作者简介姜福香(190—)女讲师,1998年毕业于成都理工学院造機氳6)M1310岩土工程专业密度(g)(kgm-3)铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN200310)线路/路基表2轨下垫层计算参数计算结果误差已经很小。从图2还可看出轨道动力影参数符号参数值明响长度比静力影响长度要小些若轨道静力计算时作用306.510.0k灬k2、k3分别为枕轨联结3:06.510.0单元的竖向、横向及绕x轴的静力与动力计算的激振力幅值相等则钢轨的动位移k3,(x10N/m)5.712.3519.0的抗扭刚比静位移小在本计算算例中动位移是静位移的89%CIA kN s/m)20n分别为枕轨联结单根据以上计算轨道计算长度集中力作用点到轨道元的竖向、横向及绕X轴的kN s/m)端的计算长度诹为5躓60cm×5=300cm)即可满足轨底坡计算要求考虑到目前计算机的计算速度和更为可靠的表3轨枕单元计算参数精度本文以下计算取为10跨参数名称符号参数值.30质量分布静力一动力截面对水平轴惯性矩()cm4l1000,6000弹性模量E,)MPa104截面面积(A)(cm2400490026轨枕间距/cm5660800.25轨枕长度/m023022表4道床及路基计算参数1参数符号参数值说明k1(×10N/m3)1.02.03.010k、k2分别为道床(含路基对轨k2(×10Nm2)1.02.03.020枕的竖向及横向支承弹性分布图2轨道结构计算长度c1、c2分别为道床(含路基对轨c?, kN s/m2)枕的竖向及横向支承阻尼分布轨道结构参数的影响规律3.2计算条件5.1钢轨垫层刚度的影响计算步长:一般取△t=1×10-5s;y取0.5取钢轨垫层刚度k1,分别取3.0×107、6.5×107、10.00.2孓γ和β为 NEWMARE法参数经数值试验确定)×107N/m周期激振力作用时间为0001s,计算时间静力激励输入轨道2股钢轨垂向或横向胙作用取为0.005s计算钢轨和轨枕垂向加速度响应情况,大小为146.25kN方向相同的2个力计算结果如图3和图4所示。从图3中可知,钢轨垫动力激励输入轨道2股钢轨垂向(或横向作用层刚度k1对钢轨垂向加速度几乎没有影响从图4中大小为146.25kN、方向相同的2个短期作用的周期激可知钢轨垫层刚度k对轨枕垂向加速度有明显影振力周期为0.002s作用时间为0.001~0.002s响并随着钢轨垫层刚度k1,的增加而增加。轨道结构计算长度100MN30 MN/m4.1轨道静力影响长度为确定轨道的静力影响长度本文采用轨道结构静力计算程序〃计算分析了轨道2股钢轨垂向作用大小为146.25kN方向相同的2个力集中力一侧钢轨跨数从1跨到10跨变化时轨道的位移z情况钢轨垂向位移z如图2所示。可见,当跨数小于等于4跨时轨道的静力计算结果误差较大;当跨数大于5跨图3钢轨垫层刚度对钢轨加速度的影响时轨道的静力计算结果误差已经很小。4.2轨道动力影响长度30 MN/m设轨道2股钢轨垂向作用大小为146.25kN方向相同的2个短期作用的周期激振力周期为0.0∞0s作中国煤化工用时间为0.001s。同样计算集中力一侧钢轨跨数从1CNMHG跨到10跨变化时轨道的位移情况钢轨垂向位移如图2所示。从图中可知当跨数小于等于3跨时轨道的动力计算结果误差较大当跨数大于4跨时轨道的动力图4钢轨垫层刚度对轨枕加速度的影响铁道标准 LWAY STANDARD DES6N200x1095线路/路基由此可以看出适当降低钢轨垫层的垂向刚度对8所示。从图7中可知,钢轨类型对钢轨垂向加速度降低轨枕垂向加速度有一定的作用所以在一些轮轨有一定的影响随着钢轨类型的增重而减少以图8中冲击较大的地方采用弹性较大的垫层对改善某些轨可知钢轨类型对轨枕垂向加速度也有一定的影响随道部件的动力响应是十分有利的着钢轨类型的增重而减少,52道床刚度的影响4000道床垂向刚度k1分别取1.0×107、2.0×107、3.010、10.0×103N/m2周期激振力作用时间为0.002s计算时间取为0.006s,计算钢轨和轨枕垂向加速度响应情况计算结果如图5和图6所示。从图5中可0.0010-100知道床垂向刚度k1,对钢轨垂向加速度基本无影响2000从图6中可知道床垂向刚度对轨枕垂向加速度稍有3000影响随着k的增加稍有减少。4000图7钢轨类型对钢轨加速度的影响3000200050 kg/m-100020h0m00-800图5道床刚度对钢轨加速度的影响图8钢轨类型对轨枕加速度的影响可见采用较重的钢轨不但为轨排提供了较强的抗弯刚度保证轮轨荷载更均匀地分布到更多的轨枕和扣件而且还可适当降低轨道部件的振动加速度从而延缓轨道结构的累积变形减少轨道的养护维修工60作量。为此各国铁路广泛采用60kg/m轨我国新修80订的《铁路线路设计规范XGB500∞-99池规定速度图6道床刚度对轨枕加速度的影大于140km/h线路上应铺设使用60kg/m轨。5.4轨枕间距的影响这与一些文献的计算结果基本相同。但双层叠合轨枕间距分别取56、60、80cm周期激振力作用时交叉梁系力学模型无法反映道床的动力响应情况间为0.001s,计算时间取为0.02s计算钢轨和轨枕垂般来讲道床垂向刚度增大时道床加速度增长较快会向加速度响应情况计算结果如图9和图10所示同加剧对车辆和轨道的损伤对快速、舒适、安全的运行时计算枕上压力的响应情况如图11所示。从图不利卢与此同时为防止高速行车岀现不能容忍的道床中和图10可知轨枕间距对钢轨垂向加速度和轨枕垂下沉量对道床的压实度要求较高即道床刚度较大3000为妥善解决这一对矛盾既要保证道床有足够的压实度又不致引起轮轨力和道床加速度过大可以采取其他措施来降低道床刚度如高速铁路在道床底部增设04r080000T20..0160. 0180.0p030~80mm厚的碴下弹性垫层。中国煤化工5.3钢轨类型的影响CNMHG钢轨类型分别取50、60、75kg/m钢轨,周期激振2500力作用时间为0.001s,计算时间取为0.006s,计算钢轨和轨枕垂向加速度响应情况,计算结果如图7和图图9轨枕间距对钢轨加速度的影响新幕C96铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN200310)线路/路基向加速度的影响不明显认图11中可知轨枕间距对枕上压力有一定的影响随着轨枕间距的增加而增加。9后nm目0400800-800图13轨枕长度对轨枕加速度的影响图10轨枕间距对轨枕加速度的影响NuNos500100012001400169(b0减图14轨枕质量对钢轨加速度的影响图11轨枕间距对枕上压力的影响5.5轨枕长度的影响200O AASA轨枕长度分别取2.5、2.6m钢轨,周期激振力作用时间为0.001s计算时间取为0.02s计算钢轨和轨枕垂向加速度响应情况,计算结果如图12和图13所-800示。从图12中可知轨枕长度对钢轨垂向加速度无影响以图13中可知轨枕长度对轨枕垂向加速度无明显影响随着轨枕长度的增加而略有减少图15轨枕质量对轨枕加速度的影响学模型重点在各种参数条件下对区间轨道结构进行2.5m了计算机模拟计算。考虑到轨道结构的横向振动较弱本文主要对钢轨和轨枕的垂向加速度响应作了详细的分析。应该指出的是虽然得出的结果大多是定0015性的但有一定的实际意义尤其为轨道结构的设计和1500施工提供了指导。参考文献[I]岳渠德.区间轨道结构双层叠合交叉梁系力学模型研究J]铁道图12轨枕长度对钢轨加速度的影响标准设计200x12)5.6轨枕质量的影响[2]张宝珍高速铁路板式轨道动力特性分杬J]西南交通大学学报轨枕质量分别取100.4、123.1kg/m,周期激振力1993283)87~91作用时间为0.001s计算时间取为0.02s,计算钢轨和[3]李成辉轨道结构振动理论及应用研究D]成都西南交通大学轨枕垂向加速度响应情况,计算结果如图14和图15[4]史玉杰道岔转换设备振动参数的计算机模拟研究J中国铁道所示。从图14中可知轨枕质量对钢轨垂向加速度基A)7~05本无影响队图15中可知轨枕质量对轨枕垂向加速「5]V中国煤化工 k stiffness and track damping度有一定的影响随着轨枕质量的增加而有所增加。CNMHG[6] W.T. Thomson. Theory of vibration with application[ J ]. Prentice-Hal6结语INC, London 1981本文基于区间线路轨道结构双层叠合交叉梁系力铁道标准 LWAY STANDARD DES6N200x10