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轨道结构随机振动和Ⅲ型轨枕可靠性研究

李斌  
【摘要】:基于车辆、轨道耦合系统的思路,建立了满足高速铁路轨道结构动力分析要求的车辆—轨道空间耦合系统振动分析模型。采用该模型,将轨道不平顺视为平稳的各态历经过程,对轨道结构的随机振动规律进行了研究。更进一步,将轨道结构作为随机参数结构,把扣件刚度和道床刚度视为服从正态分布的随机变量,应用Monte Carlo随机有限元方法,对轨道结构的随机振动规律进行了研究。应用可靠度理论,对Ⅲ型混凝土轨枕应用于高速铁路的可靠性进行了研究。本文的主要研究内容和成果如下: 1、基于车辆—轨道耦合系统的思路,建立了满足高速铁路轨道结构随机振动分析要求的车辆—轨道空间耦合系统振动分析模型。该模型为半车空间、耦合、定点模型。模型中轨道结构的钢轨采用连续弹性点支承Euler梁单元。轨枕采用刚体单元,道床在纵向和横向离散为道床块单元。模型边界采用了连续弹性支承半无限长梁单元。采用Hertz非线性轮轨接触关系实现车辆系统与轨道系统的耦合。 2、首次提出了人工轨道短波不平顺的概念,并采用随机波长和随机波深构造了轨道随机不平顺人工短波样本。将人工短波样本与德国高速低干扰随机不平顺样本相结合,给出了高速铁路的轨道随机不平顺样本,为研究高速铁路轨道结构的随机振动规律提供良好的基础。 3、仿真计算了轮轨系统受轨道随机不平顺激励时,轨道结构的随机振动响应,并对计算结果进行了统计分析。 结果表明,车速从160km/h到350km/h时,轨道结构各部件的随机振动响应中,钢轨、轨枕、道床加速度、枕上压力的概率分布均服从正态分布。车辆、轨道结构各部件的随机振动响应随着行车速度的提高,振动加速度、轮轨垂向接触力、枕上压力、路基面应力等均呈现明显增大的趋势,其中以加速度的变化最为明显,轮轨力、枕上压力、路基面应力次之,位移变化相对较小 当行车速度从250km/h增加到350km/h时,车辆、轨道结构的振动响应有一个比较明显的变化,响应出现很大的增加,钢轨加速度由158g增加到581g,轮轨力由280kN增加到350kN,枕上压力由92kN增加到109kN。尤以振动加速度的变化最为明显,其中钢轨和轮对的振动加速度成倍增加,可见速度效应非常突出。 4、对轨道结构各个振动参数进行了详细分析,由于轨道结构的扣件刚度和道床刚度的变化范围较大,而其他参数的变化相对较小,并且轨道结构的振动对刚度的变化比较敏感。因此,将扣件刚度和道床刚度作为服从正态分布的随机变量,并给出了这两个随机参数的模拟样本。 5、将扣件刚度和道床刚度作为服从正态分布的随机变量得到的随机参数样本,与轨道随机不平顺样本一起,作为车辆—轨道耦合振动系统的广义激励,对轮轨系统的随机振动进行了仿真计算,并对计算结果进行了统计分析。 (1)结果表明,轨枕加速度、道床加速度、轮轨力、枕上压力及路基面应力的极大值的分布范围均较大,钢轨加速度极大值分布范围最大,这说明钢轨加速度极大值的变化非常大。 (2)轮轨系统随机振动响应中,钢轨、轨枕、道床加速度、轮轨力、枕上压力的极大值的概率分布在检验水平为0.05时,经χ2检验,均服从极值Ⅰ型分布。 (3)车辆、轨道结构的随机振动响应随着行车速度的提高,呈明显增大趋势,尤其在高速情况下,增幅巨大。这说明高速铁路动力响应非常大,应引起足够重视。 (4)轨道结构的扣件刚度和道床刚度对轮轨系统的随机振动响应影响很大,因此优化高速铁路轨道结构参数,尤其是扣件刚度和道床刚度,并保持其在较小范围内变化显得非常重要。 (5)通过对轮轨力计算结果的研究,提出了我国各速度等级铁路设计轮载的动力系数建议值。160、200、250、300、350km/h的动力系数建议值分别为2.4、2.8、3.0、3.5、3.7。 6、分析并提出了Ⅲ型混凝土轨枕的4种失效模式,分别为轨下截面和枕中截面在疲劳弯矩作用下的开裂失效、混凝土受压区压溃破坏失效。分别对各种失效模式对应的抗力和作用效应的影响因素进行了分析。 7、根据Ⅲ型混凝土轨枕的实际工作状态,提出了符合Ⅲ型混凝土轨枕支承分析的计算图式。该图式设轨枕在受均布反力集度q1的基础上,以轨下截面为对称中心,附加作用一倒梯形反力集度,倒梯形集度高为(q2-q1),上底宽为(2,1+l2),下底宽为l2。基于该图式,计算了Ⅲ型混凝土轨枕的作用效应。 8、提出了由轨枕静载抗裂试验荷载求取轨枕截面抗力,即疲劳承载弯矩和受压区混凝土边缘疲劳压应力的计算方法。 9、给出了作用效应和抗力的分布,其中作用效应的分布服从极值Ⅰ型,抗力的概率分布服从对数正态分布。同时给出了各分布的统计特征参数及其分布函数。 10、应用JC法,对Ⅲ型混凝土轨枕的可靠指标进行了计算。当不考虑抗力折减及作用效应发展系数时,Ⅲ型轨枕的可靠指标为3.583,失效概率为0.00017,即0.017%。当考虑抗力折减及作用效应发展系数时,Ⅲ型轨枕的可靠指标为2.909,失效概率为0.00181,即0.18%。对Ⅲ型轨枕而言,该失效概率是可以接受的。 11、由Ⅲ型混凝土轨枕可靠度初步研究结果表明,Ⅲ型混凝土轨枕可以应用于高速铁路。


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