區間軌道結構動(dòng)力學(xué)響應研究

線(xiàn)路/路基區間軌道結構動(dòng)力學(xué)響應研究姜福香,岳渠德,王玉田青島建筑工程學(xué)院山東青島266033)摘要基于雙層疊合交叉梁系空間動(dòng)力學(xué)模型利用自行開(kāi)發(fā)的計算機仿真計算程序分析確定了區間軌道結構的動(dòng)、靜力計算長(cháng)度并就各種參數對軌道結構的動(dòng)力影響規律進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞區間軌道;交叉梁系;計算長(cháng)度;動(dòng)力響應中圖分類(lèi)號U213.2+1文獻標識碼:文章編號:1004-2954(2003)10-0094-04概述軌枕單元模型軌枕的垂向為連續彈性(含阻尼)地基梁?jiǎn)卧S向為連續彈性(含阻尼地基上的一維近幾年隨著(zhù)列車(chē)軸重和速度的不斷提高以靜力單元橫向視為剛性質(zhì)量塊軌枕的每個(gè)結點(diǎn)考慮3個(gè)分析為基礎的軌道設計理論與工程實(shí)際越來(lái)越不能相自由度。適應從而使對軌道結構動(dòng)力響應的研究成為當務(wù)之鋼軌_軌枕聯(lián)結點(diǎn)模型鋼軌與軌枕的聯(lián)結點(diǎn)可傳急。本文基于區間軌道結構雙層疊合交叉梁系空間力遞垂向力、橫向力和扭矩。利用有限元的概念將軌枕學(xué)模型利用自行開(kāi)發(fā)的計算機仿真計算程序分析確聯(lián)結點(diǎn)作為一個(gè)特殊單元來(lái)處理將其視為剛度、阻尼定了區間軌道結構的動(dòng)、靜力計算長(cháng)度并在此基礎上單元該單元無(wú)質(zhì)量有線(xiàn)剛度和彎曲剛度。單元的就各種參數對軌道結構的動(dòng)力影響規律進(jìn)行了研究。端與鋼軌連接自由度情況與鋼軌單元一致另一端與區間軌道結構力學(xué)模型簡(jiǎn)介軌枕連接自由度與軌枕單元一致兩個(gè)連接處視為枕軌聯(lián)結點(diǎn)單元的2個(gè)節點(diǎn)。軌道結構由鋼軌、扣件、軌枕和道床(含路基)組軌道結構的單元劃分和節點(diǎn)編號如圖1所示每成本文將整個(gè)軌道結構視為雙層疊合交叉梁系(圖跨軌道有2個(gè)鋼軌節點(diǎn)和4個(gè)軌枕節點(diǎn)所以每1)鋼軌和軌枕之間有支承彈性和阻尼軌枕為彈性跨軌道有22個(gè)自由度?！埠枘岬鼗系亩塘汉雎缘来舱駝?dòng)質(zhì)量對動(dòng)力響各單元的特性矩陣及軌道結構振動(dòng)微分方程的推應的影響。導可參閱文獻11基于上述模型本文采用 FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)了18④1219p/16仿真計算程序程序分為激勵輸入、特性矩陣生成、靜力計算和動(dòng)力計算四大部分。經(jīng)過(guò)大量的算例驗證了本程序的可靠性3軌道結構計算參數和條件鋼軌3.1主要參數利用仿真計算程序進(jìn)行模擬計算之前需要確定圖1軌道結構雙層疊合梁系力學(xué)模型、單元及節點(diǎn)劃分相應的參數。本文參考了大量的文獻選定參數如表鋼軌單元模型掖據有限元法鋼軌垂向和橫向彎~表4所示所取數值均在合理的范圍內。曲均視為梁式單元為雙向可彎的彈性梁扭轉運動(dòng)表1鋼軌單元計算參數視為扭轉單元不計軸力和剪切影響不考慮鋼軌的縱中國煤化工參數值向運動(dòng)鋼軌的每個(gè)結點(diǎn)考慮5個(gè)自由度。CNMH51.51460.6474414截面對豎直軸慣性短)m20373217448937752466收稿日期2003-03-13第一作者簡(jiǎn)介姜福香(190—)女講師,1998年畢業(yè)于成都理工學(xué)院造機氳6)M1310巖土工程專(zhuān)業(yè)密度(g)(kgm-3)鐵道標準設計 RAILWAY STANDARD DESIGN200310)線(xiàn)路/路基表2軌下墊層計算參數計算結果誤差已經(jīng)很小。從圖2還可看出軌道動(dòng)力影參數符號參數值明響長(cháng)度比靜力影響長(cháng)度要小些若軌道靜力計算時(shí)作用306.510.0k灬k2、k3分別為枕軌聯(lián)結3:06.510.0單元的豎向、橫向及繞x軸的靜力與動(dòng)力計算的激振力幅值相等則鋼軌的動(dòng)位移k3,(x10N/m)5.712.3519.0的抗扭剛比靜位移小在本計算算例中動(dòng)位移是靜位移的89%CIA kN s/m)20n分別為枕軌聯(lián)結單根據以上計算軌道計算長(cháng)度集中力作用點(diǎn)到軌道元的豎向、橫向及繞X軸的kN s/m)端的計算長(cháng)度諏為5躓60cm×5=300cm)即可滿(mǎn)足軌底坡計算要求考慮到目前計算機的計算速度和更為可靠的表3軌枕單元計算參數精度本文以下計算取為10跨參數名稱(chēng)符號參數值.30質(zhì)量分布靜力一動(dòng)力截面對水平軸慣性矩()cm4l1000,6000彈性模量E,)MPa104截面面積(A)(cm2400490026軌枕間距/cm5660800.25軌枕長(cháng)度/m023022表4道床及路基計算參數1參數符號參數值說(shuō)明k1(×10N/m3)1.02.03.010k、k2分別為道床(含路基對軌k2(×10Nm2)1.02.03.020枕的豎向及橫向支承彈性分布圖2軌道結構計算長(cháng)度c1、c2分別為道床(含路基對軌c?, kN s/m2)枕的豎向及橫向支承阻尼分布軌道結構參數的影響規律3.2計算條件5.1鋼軌墊層剛度的影響計算步長(cháng):一般取△t=1×10-5s;y取0.5取鋼軌墊層剛度k1,分別取3.0×107、6.5×107、10.00.2孓γ和β為 NEWMARE法參數經(jīng)數值試驗確定)×107N/m周期激振力作用時(shí)間為0001s,計算時(shí)間靜力激勵輸入軌道2股鋼軌垂向或橫向胙作用取為0.005s計算鋼軌和軌枕垂向加速度響應情況,大小為146.25kN方向相同的2個(gè)力計算結果如圖3和圖4所示。從圖3中可知,鋼軌墊動(dòng)力激勵輸入軌道2股鋼軌垂向(或橫向作用層剛度k1對鋼軌垂向加速度幾乎沒(méi)有影響從圖4中大小為146.25kN、方向相同的2個(gè)短期作用的周期激可知鋼軌墊層剛度k對軌枕垂向加速度有明顯影振力周期為0.002s作用時(shí)間為0.001~0.002s響并隨著(zhù)鋼軌墊層剛度k1,的增加而增加。軌道結構計算長(cháng)度100MN30 MN/m4.1軌道靜力影響長(cháng)度為確定軌道的靜力影響長(cháng)度本文采用軌道結構靜力計算程序〃計算分析了軌道2股鋼軌垂向作用大小為146.25kN方向相同的2個(gè)力集中力一側鋼軌跨數從1跨到10跨變化時(shí)軌道的位移z情況鋼軌垂向位移z如圖2所示?？梢?jiàn),當跨數小于等于4跨時(shí)軌道的靜力計算結果誤差較大;當跨數大于5跨圖3鋼軌墊層剛度對鋼軌加速度的影響時(shí)軌道的靜力計算結果誤差已經(jīng)很小。4.2軌道動(dòng)力影響長(cháng)度30 MN/m設軌道2股鋼軌垂向作用大小為146.25kN方向相同的2個(gè)短期作用的周期激振力周期為0.0∞0s作中國煤化工用時(shí)間為0.001s。同樣計算集中力一側鋼軌跨數從1CNMHG跨到10跨變化時(shí)軌道的位移情況鋼軌垂向位移如圖2所示。從圖中可知當跨數小于等于3跨時(shí)軌道的動(dòng)力計算結果誤差較大當跨數大于4跨時(shí)軌道的動(dòng)力圖4鋼軌墊層剛度對軌枕加速度的影響鐵道標準 LWAY STANDARD DES6N200x1095線(xiàn)路/路基由此可以看出適當降低鋼軌墊層的垂向剛度對8所示。從圖7中可知,鋼軌類(lèi)型對鋼軌垂向加速度降低軌枕垂向加速度有一定的作用所以在一些輪軌有一定的影響隨著(zhù)鋼軌類(lèi)型的增重而減少以圖8中沖擊較大的地方采用彈性較大的墊層對改善某些軌可知鋼軌類(lèi)型對軌枕垂向加速度也有一定的影響隨道部件的動(dòng)力響應是十分有利的著(zhù)鋼軌類(lèi)型的增重而減少,52道床剛度的影響4000道床垂向剛度k1分別取1.0×107、2.0×107、3.010、10.0×103N/m2周期激振力作用時(shí)間為0.002s計算時(shí)間取為0.006s,計算鋼軌和軌枕垂向加速度響應情況計算結果如圖5和圖6所示。從圖5中可0.0010-100知道床垂向剛度k1,對鋼軌垂向加速度基本無(wú)影響2000從圖6中可知道床垂向剛度對軌枕垂向加速度稍有3000影響隨著(zhù)k的增加稍有減少。4000圖7鋼軌類(lèi)型對鋼軌加速度的影響3000200050 kg/m-100020h0m00-800圖5道床剛度對鋼軌加速度的影響圖8鋼軌類(lèi)型對軌枕加速度的影響可見(jiàn)采用較重的鋼軌不但為軌排提供了較強的抗彎剛度保證輪軌荷載更均勻地分布到更多的軌枕和扣件而且還可適當降低軌道部件的振動(dòng)加速度從而延緩軌道結構的累積變形減少軌道的養護維修工60作量。為此各國鐵路廣泛采用60kg/m軌我國新修80訂的《鐵路線(xiàn)路設計規范XGB500∞-99池規定速度圖6道床剛度對軌枕加速度的影大于140km/h線(xiàn)路上應鋪設使用60kg/m軌。5.4軌枕間距的影響這與一些文獻的計算結果基本相同。但雙層疊合軌枕間距分別取56、60、80cm周期激振力作用時(shí)交叉梁系力學(xué)模型無(wú)法反映道床的動(dòng)力響應情況間為0.001s,計算時(shí)間取為0.02s計算鋼軌和軌枕垂般來(lái)講道床垂向剛度增大時(shí)道床加速度增長(cháng)較快會(huì )向加速度響應情況計算結果如圖9和圖10所示同加劇對車(chē)輛和軌道的損傷對快速、舒適、安全的運行時(shí)計算枕上壓力的響應情況如圖11所示。從圖不利盧與此同時(shí)為防止高速行車(chē)岀現不能容忍的道床中和圖10可知軌枕間距對鋼軌垂向加速度和軌枕垂下沉量對道床的壓實(shí)度要求較高即道床剛度較大3000為妥善解決這一對矛盾既要保證道床有足夠的壓實(shí)度又不致引起輪軌力和道床加速度過(guò)大可以采取其他措施來(lái)降低道床剛度如高速鐵路在道床底部增設04r080000T20..0160. 0180.0p030~80mm厚的碴下彈性墊層。中國煤化工5.3鋼軌類(lèi)型的影響CNMHG鋼軌類(lèi)型分別取50、60、75kg/m鋼軌,周期激振2500力作用時(shí)間為0.001s,計算時(shí)間取為0.006s,計算鋼軌和軌枕垂向加速度響應情況,計算結果如圖7和圖圖9軌枕間距對鋼軌加速度的影響新幕C96鐵道標準設計 RAILWAY STANDARD DESIGN200310)線(xiàn)路/路基向加速度的影響不明顯認圖11中可知軌枕間距對枕上壓力有一定的影響隨著(zhù)軌枕間距的增加而增加。9后nm目0400800-800圖13軌枕長(cháng)度對軌枕加速度的影響圖10軌枕間距對軌枕加速度的影響NuNos500100012001400169(b0減圖14軌枕質(zhì)量對鋼軌加速度的影響圖11軌枕間距對枕上壓力的影響5.5軌枕長(cháng)度的影響200O AASA軌枕長(cháng)度分別取2.5、2.6m鋼軌,周期激振力作用時(shí)間為0.001s計算時(shí)間取為0.02s計算鋼軌和軌枕垂向加速度響應情況,計算結果如圖12和圖13所-800示。從圖12中可知軌枕長(cháng)度對鋼軌垂向加速度無(wú)影響以圖13中可知軌枕長(cháng)度對軌枕垂向加速度無(wú)明顯影響隨著(zhù)軌枕長(cháng)度的增加而略有減少圖15軌枕質(zhì)量對軌枕加速度的影響學(xué)模型重點(diǎn)在各種參數條件下對區間軌道結構進(jìn)行2.5m了計算機模擬計算?？紤]到軌道結構的橫向振動(dòng)較弱本文主要對鋼軌和軌枕的垂向加速度響應作了詳細的分析。應該指出的是雖然得出的結果大多是定0015性的但有一定的實(shí)際意義尤其為軌道結構的設計和1500施工提供了指導。參考文獻[I]岳渠德.區間軌道結構雙層疊合交叉梁系力學(xué)模型研究J]鐵道圖12軌枕長(cháng)度對鋼軌加速度的影響標準設計200x12)5.6軌枕質(zhì)量的影響[2]張寶珍高速鐵路板式軌道動(dòng)力特性分杬J]西南交通大學(xué)學(xué)報軌枕質(zhì)量分別取100.4、123.1kg/m,周期激振力1993283)87~91作用時(shí)間為0.001s計算時(shí)間取為0.02s,計算鋼軌和[3]李成輝軌道結構振動(dòng)理論及應用研究D]成都西南交通大學(xué)軌枕垂向加速度響應情況,計算結果如圖14和圖15[4]史玉杰道岔轉換設備振動(dòng)參數的計算機模擬研究J中國鐵道所示。從圖14中可知軌枕質(zhì)量對鋼軌垂向加速度基A)7~05本無(wú)影響隊圖15中可知軌枕質(zhì)量對軌枕垂向加速「5]V中國煤化工 k stiffness and track damping度有一定的影響隨著(zhù)軌枕質(zhì)量的增加而有所增加。CNMHG[6] W.T. Thomson. Theory of vibration with application[ J ]. Prentice-Hal6結語(yǔ)INC, London 1981本文基于區間線(xiàn)路軌道結構雙層疊合交叉梁系力鐵道標準 LWAY STANDARD DES6N200x10