车轨路地耦合系统CA砂浆层劣化垂向动力传递特性的研究.pdf

第 卷第期石家庄铁道大学学报(自然科学版)V o l N o 年月J o u r n a lo fS h i j i a z h u a n gT i e d a oU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)S e p 车轨路地耦合系统C A砂浆层劣化垂向动力传递特性的研究任向飞,张建林,王旭东,姚钰琨(太原理工大学 机械与运载工程学院,山西 太原 )摘要:车辆滚动循环载荷作用下C A砂浆层常发生劣化以致失效,为真实反映C A砂浆层在整体系统中的作用特性,建立车辆轨道路基地基耦合系统,分析当C A砂浆层发生不同程度劣化时轨道子系统各层的垂向动力响应变化情况.仿真与信号分析结果表明,C A砂浆层服役性能的优劣影响轨道子系统的载荷传递性能,且劣化长度过长时会改变轨道板 C A砂浆层耦合层的模态特性,导致其各阶次固有频率前移更易发生共振,砂浆层约束能力的减弱叠加共振影响致使轨道板垂向位移在动态荷载作用下超过 高速铁路工程动态验收技术规范 对轨道结构动力性能评判标准的规定限值,轨道服役性能下降.关键词:高速铁路;车轨路地耦合系统;数值计算;C A砂浆层;UM AN S Y S联立仿真中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:责任编辑:车轩玉D O I:/j c n k i s j z t d d x x b z r b 基金项目:山西省自然科学基金(R Z );企业横向项目(RH )作者简介:任向飞(),男,硕士研究生,研究方向为轨道交通.E m a i l:q q c o m任向飞,张建林,王旭东,等车轨路地耦合系统C A砂浆层劣化垂向动力传递特性的研究J石家庄铁道大学学报(自然科学版),():C A砂浆层是无砟轨道结构中的重要承力部件,且最后填充于于轨道板之下,其劣化在运维过程中不易及时发现.日本高铁调查研究发现运行线路C A砂浆层平均损失率为,伤损的形式主要是压溃、缝隙和裂缝等.向俊等通过建立车轨耦合模型探讨了砂浆层脱空对轨道整体动力学性能的影响.王有能等研究了C A砂浆层脱空不同长度时对于轨道部分动力响应参数及C A砂浆层自身疲劳寿命的影响.汪力等研究了C A砂浆层不同脱空长度与不同脱空位置对轨道结构的影响,但上述研究在分析C A砂浆层劣化对轨道的影响时没有考虑路基与地基的耦合作用,事实上车辆、轨道、路基与地基是具有动力相互作用的耦合体.无砟轨道从结构上来说相比传统有砟轨道刚度更大,同时高速铁路轮轨系统间振动作用也更加剧烈,轨道部件微小劣化对列车运行带来的影响也不可忽视.为更真实地还原C A砂浆层在轨下耦合系统中的实际工作状况,将C A砂浆层当作耦合系统中的一层土工结构物,将轨下系统细分为轨道子系统、路基子系统与地基子系统大部分,建立车轨路地耦合系统研究C A砂浆层结构劣化对耦合系统垂向动力学响应及载荷传递特性的影响.车轨路地耦合系统模型 耦合系统模型建立以C R T S型板式无砟轨道为例建立车轨路地耦合系统.使用本课题组专利 中方法将轨道子系统按载荷传递特性划分为钢轨扣件层、轨道板 C A砂浆层、底座板沥青混凝土层层耦合梁结构;将路基子系统按施工过程划分为基床表层、基床底层、路堤本体层;最下部地基子系统看作半空间无限大弹性体,其中轨下耦合系统结构如图所示.石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷岩石/持力层轨道子系统路基子系统地基子系统钢轨扣件系统(弹条及垫板)轨道板CA砂浆层底座板混凝土沥青层基床表层基床底层路堤褥垫层(双层土工格栅及填料)填土地基加固措施CFG桩(水泥粉煤灰桩)图轨下耦合系统结构建模时从基床表层开始,其几何尺寸应根据土体中载荷传递角度 确定,地基与路堤本体部分参数一致,此处将层合并为一弹性体,最下部采用黏弹性力元模拟无限大边界,在考虑土体传力特征的同时还能缩减计算难度,根据国家标准 规定并结合参考文献 中数据,整理轨下系统模型参数如表所示.表轨下耦合系统模型参数部件名称弹性模量/P a泊松比密度/(k gm)宽/mm高/mm钢轨 扣件系统 轨道板 C A砂浆层 底座板 沥青混凝土层 基床表层 /基床底层 /路堤地基 车辆子系统模型在U n i v e r s a lM e c h a n i s m软件(简称UM)中建立,选参考T G V列车车型数据,轴重 t;轨道子系统耦合梁模型、路基子系统耦合体模型在A N S Y S软件按图结构图所示分层建立,地基子系统部分与路堤本体合并建模视为半空间无限大弹性体,建模完成后将轨下模型分层导入UM软件.轨下柔性体模型长 m,模型各层间通过UM软件中b u s h i n g力元连接,该力元可模拟C A砂浆层在耦合系统中的连接与缓震作用,力元等效刚度采用弹性模量刚度换算公式KE A/L求得,其中,K为等效刚度;E为弹性模量;A为截面面积;L为弹性体高度,带入即可求得C A砂浆层刚度系数为 N/m,砂车辆子系统轨道子系统路基子系统地基子系统图车辆轨道路基地基耦合系统模型浆层阻尼系数参考文献 可知为 k Ns/m,沥青层连接处与C A砂浆层处连接同理.其余层间无明显的刚度变化且模拟为正常工况,使用自由度力元连接上下层模型对应单元以模拟良好接触的情况.如前述运用UM与AN S Y S软件建立车辆轨道路基地基耦合大系统模型联立仿真,如图所示.模型可靠性验证无砟轨道历次联调及综合轨道动力学检测试验 记录了武广无砟段轨道响应的极值与均值.T GV列车和武广无砟线路运行的C RH A型列车轴重均为 t,此处结合武广高速运行速度范围,使用仿真模型在 k m/h速度区间的仿真数据与实测数据对比进行模型可靠性验证,见表.第期任向飞等:车轨路地耦合系统C A砂浆层劣化垂向动力传递特性的研究 表模型可靠性验证对比mm项目类别钢轨垂向位移最大值最大均值轨道板板中垂向位移最大值最大均值轨道板板段垂向位移最大值最大均值钢轨横向位移最大值最大均值武广实测数据 本文仿真数据 模型仿真结果各项目最大值与实测结果相差均在 以内,虽然最大均值相差倍数较大但差值均在一个数量级,因此可认为该模型的仿真结果具有一定可靠性.C A砂浆层劣化模拟耦合系统中轨道子系统在保证轨面平顺的基础上将上部车辆子系统的滚动循环冲击载荷传递给下部的路基子系统与地基子系统进行能量的吸收耗散.作为轨道子系统中重要的承力减震部件,C A砂浆层结构的完整性定会影响到耦合系统中载荷的传递效率,当砂浆层劣化时冲击载荷聚集于轨道板处,又会形成恶性循环.此处选取C A砂浆层发生长度跨、跨、跨、跨的劣化作为不同工况,其中一跨为(60 m)(30 m)(0 m)劣化区段测点部位XY钢轨轨道板中线钢轨轨道板边线图劣化区段及测点位置一相邻扣件间距 m,分别命名为正常工况、异常工况、异常工况、异常工况.在UM软件中将C A砂浆层劣化路段的b u s h i n g力元设置为缺失,劣化位置设置于轨道中段.如图所示,在仿真时选取轨道中段钢轨正下方各层的劣化区段节点作为动力响应测点进行分析.劣化后轨道子系统动力响应分析 轨道子系统振动响应分析中国现行高速铁路设计规范 按 k m/h为最高运营速度来设计,将 k m/h速度下的轨道动力响应也作为一种工况,结合国家标准 对铁路线路设计速度等级的规定,选取 、k m/h个速度等级作为不同速度工况,仿真时施加U I C B A D 不平顺轨道谱,以耦合系统轨道子系统层耦合梁在不同工况下的振动响应为出发点进行分析,探究各耦合层的垂向位移与垂向加速度响应峰值变化情况,得到图与图,并依据国家标准 对于轨道结构动态响应性能的评判标准进行安全限值的标注.轨道板最大垂向位移/mm150 200 250 300 350 4001.00.80.6钢轨最大垂向位移/mm正常工况异常工况1异常工况2异常工况3正常工况异常工况1异常工况2异常工况3速度/(kmh-1)速度/(kmh-1)150 200 250 300 350 4000.80.60.40.2最大允许值正常工况异常工况1异常工况2异常工况3速度/(kmh-1)150 200 250 300 350 4000.450.400.350.30底座板最大垂向位移/mm(a)钢轨-扣件层(b)轨道板-CA砂浆层(c)底座板-沥青混凝土层图轨道子系统垂向位移正常工况异常工况1异常工况2异常工况3钢轨最大垂向加速度/(ms-2)速度/(kmh-1)150 200 250 300 350 4001 0000速度/(kmh-1)150 200 250 300 350 400100500轨道板最大垂向加速度/(ms-2)速度/(kmh-1)150 200 250 300 350 4002520151050底座板最大垂向加速度/(ms-2)正常工况异常工况1异常工况2异常工况3正常工况异常工况1异常工况2异常工况3(a)钢轨-扣件层(b)轨道板-CA砂浆层(c)底座板-沥青混凝土层图轨道子系统垂向加速度 石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷由不同工况下轨道子系统各层的垂向位移与垂向加速度峰值变化情况可知:除 k m/h速度段,随速度增加轨道子系统各层位移峰值与加速度峰值也线性增加;当车辆在异常工况条件下运行时仅以 k m/h速度运行时轨道板测点处垂向最大位移达 mm,在 k m/h速度运行时轨道板垂向最大位移已达 mm,在 k m/h速度时轨道板垂向最大位移已经达到 mm,轨道板垂向位移响应幅值超出评判标准中关于轨道板板端垂向位移规定的最大允许值,而C A砂浆层劣化跨长度以下时各层响应均处于安全限值内,说明当C A砂浆层劣化程度不大时,轨道系统依旧可以满足要求,但当劣化达正常工况异常工况1异常工况2异常工况3?20406080 100 120 140 160(17阶，90.5 Hz)(16阶，74.6 Hz)(15阶，66.3 Hz)(14阶，65.8 Hz)(13阶，59.7 Hz)(12阶，46.0 Hz)(11阶，43.3 Hz)(10阶，33.8 Hz)模态频率/Hz20181614121086420阶次图不同工况下轨道板 C A砂浆层耦合层模态频率一定长度,轨道系统动态响应峰值便会超出国家标准.轨道板 C A砂浆层模型模态分析当轨道板下C A砂浆层发生劣化相当于轨道板下板面约束的缺失,即此时轨道板 C A砂浆层耦合层的刚度矩阵与阻尼矩阵发生了变化,在此根据轨道板劣化后的实际约束情况建立耦合模型,对不同工况下的轨道板 C A砂浆层耦合层进行模态分析.考虑到振动系统中低频振动能量占比更多,此处取前 阶模态频率分析,计算结果如图所示.由图可以看出,随脱空长度增加,轨道板同阶次固有频率向低频偏移.在异常工况和异常工况劣化程度时,轨道板 阶以下的固有频率与正常工况时非常接近,但是异常工况时轨道板的固有频率在阶以后就开始有较大不同.轨道板加速度信号功率谱密度分析由 节模态分析结果可知,在异常工况劣化条件下轨道板 C A砂浆层耦合层固有频率从第阶开始就向能量更大的低频段偏移,因此转换视角,对轨道板耦合层的垂向加速度响应进行频域分析.车辆作用于耦合系统产生的动力响应信号是随机振动信号,随机信号不能直接进行快速傅里叶变换(F F T),欲分析随机信号的频域响应,需要进行功率谱密度(P S D)分析,在功率谱密度分析结果图中,幅值越高说明当前对应阶次频率所包含的能量越大.前述轨道子系统振动响应表明在异常工况运行条件下,轨道板垂向最大位移增幅与轨道板垂向最大加速度增幅较前几种工况有着量级的明显不同,在此对不同速度及不同工况下的轨道板垂向加速度响应信号进行功率谱密度分析,结果如图所示,主频用底色标注.正常工况异常工况1异常工况2异常工况3103.5 Hz91.7 Hz?50100150200654321077.2 Hz71.3 Hz轨道板垂向加速度/(ms-2)频率/Hz(a)速度160 km/h正常工况异常工况1异常工况2异常工况3?5010015020087.9 Hz52.7 Hz轨道板垂向加速度/(ms-