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嵌入式轨道纵向变形及振动特性分析

成伟  
【摘要】:随着国家城市化的不断推进,我国的交拥堵问题不断升温,新型有轨电车作为一种先进的交通运输方式,以其方便、快捷、运量大、安全性能高、能耗低等优点能够满足城市发展的需求。嵌入式轨道结构为有新型有轨电车的一种轨道结构形式,具有连续支撑,减少轮轨异常磨耗、减振降噪、施工周期短等优点,基于嵌入式轨道巨大的应用市场和良好的减振降噪性能,本文主要对嵌入式轨道纵向变形和振动特性进行分析。主要研究内容如下:设计制作了600 mm双层浇筑式嵌入式轨道实尺模型,进行纵向阻力和垂向刚度参数试验;基于嵌入式轨道的变形特征,推导温度荷载作用下路基上嵌入式轨道无缝线路力学平衡方程,计算钢轨纵向位移和纵向力,分析温度变化,纵向刚度比,嵌入式轨道线路长度对钢轨纵向位移和纵向力的影响,探讨嵌入式轨道应用于路基上无缝线路的可行性,并与普通轨道钢轨纵向受力和变形进行对比分析;以单线简支梁桥嵌入式轨道结构研究对象,推导单线多跨简支梁桥嵌入式轨道无缝线路纵向力解析算法,求解计算钢轨纵向力、钢轨纵向位移及梁轨相对位移,针对温度荷载,列车荷载、制动荷载等因素作用下对简支梁桥嵌入式轨道梁轨相互作用进行分析;分析梁体温差、纵向刚度比、墩台刚度等因素对嵌入式轨道伸缩变形受力的影响,分析简支梁截面形式、钢轨类型、荷载施加跨数等因素对简支梁桥嵌入式轨道挠曲变形受力的影响,以钢轨强度和梁轨相对位移限值为控制指标,探讨嵌入式轨道应用于简支梁桥有轨电车的可行性;以加速度导纳为指标,对嵌入式轨道实尺模型进行锤击试验,研究嵌入式轨道各部件在竖向上的振动传递特性以及其减振性能。结果表明:(1)双层浇筑式嵌入式轨道纵向阻力和垂向刚度结果服从线性分布,进行线性拟合后得到双层浇筑式嵌入式轨道线路纵向阻为8.21kN/mm每600mm,即13.08 N/mm~2;垂向刚度为49.1 kN/mm。当钢轨纵向位移达到6 mm时,填充高分子材料与承轨槽粘结面粘结失效,继续加载高钢轨和分子材料整体滑移,卸载后无法复位,考虑安全系数为1.2,最终确定轨板位移极限值为5 mm,钢轨纵向位移限值可作为判断嵌入式轨道结构是否破坏的指标。通过有限元数值模拟和室内模型试验相互验证,结果吻合良好,对如何测试嵌入式轨道纵向阻力和垂向刚度提供一定方法以供参考。(2)推导温度荷载作用下路基上嵌入式轨道无缝线路力学平衡方程,计算钢轨的纵向位移和纵向力,可得随温度升高,钢轨纵向位移和纵向力极值呈线性变化;随纵向刚度比的增加,钢轨端部纵向位移逐渐减小;铺设长度对轨道结构变形影响较小。当升温50℃时,钢轨强度和钢轨纵向位移都能够满足,故嵌入式轨道应用于路基上无缝线路是可行的。(3)路基上普通轨道结构端部纵向位移明显高于嵌入式轨道,嵌入式轨道依靠填充高分子材料对钢轨起到连续支撑,嵌入式轨道所能提供的纵向阻力大于普通轨道结构,钢轨的纵向力极值相同,说明钢轨的纵向力与纵向阻力无关系,是由温度变化幅值所决定的,在伸缩区嵌入式轨道的应力放散较快。(4)提出了嵌入式轨道简支梁桥纵向力和纵向位移解析算法,该算法具有计算精度和效率高、累计误差小、求解规范并且易于计算机实现的优点。(5)随着梁体温差的增加,钢轨纵向位移、梁轨相对位移及钢轨伸缩力呈线性增长趋势,当梁体温差变化较大时,嵌入式轨道的纵向变形较为明显,嵌入式轨道不适宜铺设在梁体温差较大的桥梁上;随着线路纵向刚度比的增加,梁轨相对位移却逐渐减小,钢轨伸缩力和纵向位移逐渐增大,同时发现纵向刚度比和桥墩纵向刚度对嵌入式轨道的纵向变形影响较小。(6)通过对箱型梁和T型梁挠曲变形分析,可知梁的截面形式对计算挠曲变形影响较为明显;而钢轨类型、荷载施加跨数和线路纵向阻力相比于简支梁截面型式对简支梁桥嵌入式轨道的挠曲变形影响较小。(7)制动力工况和挠曲力工况下,嵌入式轨道纵向变形和受力均较小,梁轨相对位移未超过1 mm远小于嵌入式轨道破坏的极限值,伸缩力工况远大于制动力和挠曲力工况,在简支梁桥嵌入式轨道无缝线路设计时伸缩力工况为主要影响因素,应重点关注。(8)嵌入式轨道钢轨的加速度导纳值均较小,拾振点的响应与激励点的位置相关,在中低频范围内各个测点的响应随距离激励点增大而响应减小,钢轨振动纵向逐渐衰减,由于其固有频率的作用在高频区域内显现峰值,当钢轨的竖向振动传递到承轨槽时,承轨槽的加速度导纳远小于钢轨,说明填充高分子材料起到了很好减振效果。(9)普通轨道结构在钢轨垂向加速度导纳0—2000Hz内存在多个峰值,普通轨道结构的共振峰值分布于全频段,普通轨道结构的钢轨振动较为剧烈;嵌入式轨道钢轨加速度导纳加速度峰值得到明显的降低,在0—180Hz中低频区段内嵌入式钢轨的加速度导纳均远远小于普通轨道结构,效果显著,在180—2000Hz区段内加速度峰值大幅度的减小,说明嵌入式轨道与普通轨道结构相比具有很好的减振性能,高分子填充材料能够大幅度抑制钢轨的振动响应。


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