線路/路基區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)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)模型利用自行開發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算程序分析確定了區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜力計(jì)算長(zhǎng)度并就各種參數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響規(guī)律進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞區(qū)間軌道;交叉梁系;計(jì)算長(zhǎng)度;動(dòng)力響應(yīng)中圖分類號(hào)U213.2+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:文章編號(hào):1004-2954(2003)10-0094-04概述軌枕單元模型軌枕的垂向?yàn)檫B續(xù)彈性(含阻尼)地基梁?jiǎn)卧S向?yàn)檫B續(xù)彈性(含阻尼地基上的一維近幾年隨著列車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(jié)點(diǎn)考慮3個(gè)分析為基礎(chǔ)的軌道設(shè)計(jì)理論與工程實(shí)際越來越不能相自由度。適應(yīng)從而使對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的研究成為當(dāng)務(wù)之鋼軌_軌枕聯(lián)結(jié)點(diǎn)模型鋼軌與軌枕的聯(lián)結(jié)點(diǎn)可傳急。本文基于區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)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)模型利用自行開發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算程序分析確聯(lián)結(jié)點(diǎn)作為一個(gè)特殊單元來處理將其視為剛度、阻尼定了區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜力計(jì)算長(zhǎng)度并在此基礎(chǔ)上單元該單元無質(zhì)量有線剛度和彎曲剛度。單元的就各種參數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響規(guī)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(qū)間軌道結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)單元的2個(gè)節(jié)點(diǎn)。軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、軌枕和道床(含路基)組軌道結(jié)構(gòu)的單元?jiǎng)澐趾凸?jié)點(diǎn)編號(hào)如圖1所示每成本文將整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)視為雙層疊合交叉梁系(圖跨軌道有2個(gè)鋼軌節(jié)點(diǎn)和4個(gè)軌枕節(jié)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(duì)動(dòng)力響各單元的特性矩陣及軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)微分方程的推應(yīng)的影響。導(dǎo)可參閱文獻(xiàn)11基于上述模型本文采用 FORTRAN語言編寫了18④1219p/16仿真計(jì)算程序程序分為激勵(lì)輸入、特性矩陣生成、靜力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算四大部分。經(jīng)過大量的算例驗(yàn)證了本程序的可靠性3軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)和條件鋼軌3.1主要參數(shù)利用仿真計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算之前需要確定圖1軌道結(jié)構(gòu)雙層疊合梁系力學(xué)模型、單元及節(jié)點(diǎn)劃分相應(yīng)的參數(shù)。本文參考了大量的文獻(xiàn)選定參數(shù)如表鋼軌單元模型掖據(jù)有限元法鋼軌垂向和橫向彎~表4所示所取數(shù)值均在合理的范圍內(nèi)。曲均視為梁式單元為雙向可彎的彈性梁扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)表1鋼軌單元計(jì)算參數(shù)視為扭轉(zhuǎn)單元不計(jì)軸力和剪切影響不考慮鋼軌的縱中國(guó)煤化工參數(shù)值向運(yùn)動(dòng)鋼軌的每個(gè)結(jié)點(diǎn)考慮5個(gè)自由度。CNMH51.51460.6474414截面對(duì)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(jī)氳6)M1310巖土工程專業(yè)密度(g)(kgm-3)鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì) RAILWAY STANDARD DESIGN200310)線路/路基表2軌下墊層計(jì)算參數(shù)計(jì)算結(jié)果誤差已經(jīng)很小。從圖2還可看出軌道動(dòng)力影參數(shù)符號(hào)參數(shù)值明響長(zhǎng)度比靜力影響長(zhǎng)度要小些若軌道靜力計(jì)算時(shí)作用306.510.0k灬k2、k3分別為枕軌聯(lián)結(jié)3:06.510.0單元的豎向、橫向及繞x軸的靜力與動(dòng)力計(jì)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(jì)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(jié)單根據(jù)以上計(jì)算軌道計(jì)算長(zhǎng)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(jì)算長(zhǎng)度諏為5躓60cm×5=300cm)即可滿足軌底坡計(jì)算要求考慮到目前計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和更為可靠的表3軌枕單元計(jì)算參數(shù)精度本文以下計(jì)算取為10跨參數(shù)名稱符號(hào)參數(shù)值.30質(zhì)量分布靜力一動(dòng)力截面對(duì)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(zhǎng)度/m023022表4道床及路基計(jì)算參數(shù)1參數(shù)符號(hào)參數(shù)值說明k1(×10N/m3)1.02.03.010k、k2分別為道床(含路基對(duì)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(jié)構(gòu)計(jì)算長(zhǎng)度c1、c2分別為道床(含路基對(duì)軌c?, kN s/m2)枕的豎向及橫向支承阻尼分布軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律3.2計(jì)算條件5.1鋼軌墊層剛度的影響計(jì)算步長(zhǎng):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(shù)經(jīng)數(shù)值試驗(yàn)確定)×107N/m周期激振力作用時(shí)間為0001s,計(jì)算時(shí)間靜力激勵(lì)輸入軌道2股鋼軌垂向或橫向胙作用取為0.005s計(jì)算鋼軌和軌枕垂向加速度響應(yīng)情況,大小為146.25kN方向相同的2個(gè)力計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3中可知,鋼軌墊動(dòng)力激勵(lì)輸入軌道2股鋼軌垂向(或橫向作用層剛度k1對(duì)鋼軌垂向加速度幾乎沒有影響從圖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(duì)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響并隨著鋼軌墊層剛度k1,的增加而增加。軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算長(zhǎng)度100MN30 MN/m4.1軌道靜力影響長(zhǎng)度為確定軌道的靜力影響長(zhǎng)度本文采用軌道結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算程序〃計(jì)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(cè)鋼軌跨數(shù)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?當(dāng)跨數(shù)小于等于4跨時(shí)軌道的靜力計(jì)算結(jié)果誤差較大;當(dāng)跨數(shù)大于5跨圖3鋼軌墊層剛度對(duì)鋼軌加速度的影響時(shí)軌道的靜力計(jì)算結(jié)果誤差已經(jīng)很小。4.2軌道動(dòng)力影響長(zhǎng)度30 MN/m設(shè)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(guó)煤化工用時(shí)間為0.001s。同樣計(jì)算集中力一側(cè)鋼軌跨數(shù)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(dāng)跨數(shù)小于等于3跨時(shí)軌道的動(dòng)力計(jì)算結(jié)果誤差較大當(dāng)跨數(shù)大于4跨時(shí)軌道的動(dòng)力圖4鋼軌墊層剛度對(duì)軌枕加速度的影響鐵道標(biāo)準(zhǔn) LWAY STANDARD DES6N200x1095線路/路基由此可以看出適當(dāng)降低鋼軌墊層的垂向剛度對(duì)8所示。從圖7中可知,鋼軌類型對(duì)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鋼軌類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(duì)改善某些軌可知鋼軌類型對(duì)軌枕垂向加速度也有一定的影響隨道部件的動(dòng)力響應(yīng)是十分有利的著鋼軌類型的增重而減少,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(jì)算時(shí)間取為0.006s,計(jì)算鋼軌和軌枕垂向加速度響應(yīng)情況計(jì)算結(jié)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(duì)鋼軌垂向加速度基本無影響2000從圖6中可知道床垂向剛度對(duì)軌枕垂向加速度稍有3000影響隨著k的增加稍有減少。4000圖7鋼軌類型對(duì)鋼軌加速度的影響3000200050 kg/m-100020h0m00-800圖5道床剛度對(duì)鋼軌加速度的影響圖8鋼軌類型對(duì)軌枕加速度的影響可見采用較重的鋼軌不但為軌排提供了較強(qiáng)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(dāng)降低軌道部件的振動(dòng)加速度從而延緩軌道結(jié)構(gòu)的累積變形減少軌道的養(yǎng)護(hù)維修工60作量。為此各國(guó)鐵路廣泛采用60kg/m軌我國(guó)新修80訂的《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范XGB500∞-99池規(guī)定速度圖6道床剛度對(duì)軌枕加速度的影大于140km/h線路上應(yīng)鋪設(shè)使用60kg/m軌。5.4軌枕間距的影響這與一些文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)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)模型無法反映道床的動(dòng)力響應(yīng)情況間為0.001s,計(jì)算時(shí)間取為0.02s計(jì)算鋼軌和軌枕垂般來講道床垂向剛度增大時(shí)道床加速度增長(zhǎng)較快會(huì)向加速度響應(yīng)情況計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示同加劇對(duì)車輛和軌道的損傷對(duì)快速、舒適、安全的運(yùn)行時(shí)計(jì)算枕上壓力的響應(yīng)情況如圖11所示。從圖不利盧與此同時(shí)為防止高速行車岀現(xiàn)不能容忍的道床中和圖10可知軌枕間距對(duì)鋼軌垂向加速度和軌枕垂下沉量對(duì)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(duì)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大可以采取其他措施來降低道床剛度如高速鐵路在道床底部增設(shè)04r080000T20..0160. 0180.0p030~80mm厚的碴下彈性墊層。中國(guó)煤化工5.3鋼軌類型的影響CNMHG鋼軌類型分別取50、60、75kg/m鋼軌,周期激振2500力作用時(shí)間為0.001s,計(jì)算時(shí)間取為0.006s,計(jì)算鋼軌和軌枕垂向加速度響應(yīng)情況,計(jì)算結(jié)果如圖7和圖圖9軌枕間距對(duì)鋼軌加速度的影響新幕C96鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì) RAILWAY STANDARD DESIGN200310)線路/路基向加速度的影響不明顯認(rèn)圖11中可知軌枕間距對(duì)枕上壓力有一定的影響隨著軌枕間距的增加而增加。9后nm目0400800-800圖13軌枕長(zhǎng)度對(duì)軌枕加速度的影響圖10軌枕間距對(duì)軌枕加速度的影響NuNos500100012001400169(b0減圖14軌枕質(zhì)量對(duì)鋼軌加速度的影響圖11軌枕間距對(duì)枕上壓力的影響5.5軌枕長(zhǎng)度的影響200O AASA軌枕長(zhǎng)度分別取2.5、2.6m鋼軌,周期激振力作用時(shí)間為0.001s計(jì)算時(shí)間取為0.02s計(jì)算鋼軌和軌枕垂向加速度響應(yīng)情況,計(jì)算結(jié)果如圖12和圖13所-800示。從圖12中可知軌枕長(zhǎng)度對(duì)鋼軌垂向加速度無影響以圖13中可知軌枕長(zhǎng)度對(duì)軌枕垂向加速度無明顯影響隨著軌枕長(zhǎng)度的增加而略有減少圖15軌枕質(zhì)量對(duì)軌枕加速度的影響學(xué)模型重點(diǎn)在各種參數(shù)條件下對(duì)區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行2.5m了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算?？紤]到軌道結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)較弱本文主要對(duì)鋼軌和軌枕的垂向加速度響應(yīng)作了詳細(xì)的分析。應(yīng)該指出的是雖然得出的結(jié)果大多是定0015性的但有一定的實(shí)際意義尤其為軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和1500施工提供了指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[I]岳渠德.區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)雙層疊合交叉梁系力學(xué)模型研究J]鐵道圖12軌枕長(zhǎng)度對(duì)鋼軌加速度的影響標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(bào)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(jì)算時(shí)間取為0.02s,計(jì)算鋼軌和[3]李成輝軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論及應(yīng)用研究D]成都西南交通大學(xué)軌枕垂向加速度響應(yīng)情況,計(jì)算結(jié)果如圖14和圖15[4]史玉杰道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備振動(dòng)參數(shù)的計(jì)算機(jī)模擬研究J中國(guó)鐵道所示。從圖14中可知軌枕質(zhì)量對(duì)鋼軌垂向加速度基A)7~05本無影響隊(duì)圖15中可知軌枕質(zhì)量對(duì)軌枕垂向加速「5]V中國(guó)煤化工 k stiffness and track damping度有一定的影響隨著軌枕質(zhì)量的增加而有所增加。CNMHG[6] W.T. Thomson. Theory of vibration with application[ J ]. Prentice-Hal6結(jié)語INC, London 1981本文基于區(qū)間線路軌道結(jié)構(gòu)雙層疊合交叉梁系力鐵道標(biāo)準(zhǔn) LWAY STANDARD DES6N200x10