軌道動(dòng)力學(xué)軌道結(jié)構(gòu)及軌下基礎(chǔ)材料的動(dòng)力特性及參數(shù)測(cè)試2014

1、軌道結(jié)構(gòu)及軌下基礎(chǔ)材料的動(dòng)力特性及軌道結(jié)構(gòu)及軌下基礎(chǔ)材料的動(dòng)力特性及參數(shù)測(cè)試參數(shù)測(cè)試軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)測(cè)試機(jī)車(chē)車(chē)輛參數(shù)測(cè)定軌道結(jié)構(gòu)： 有砟軌道：普通鐵路、速度250km/h高速鐵路、城市軌道交通軌道部件：鋼軌、扣件、軌枕、道床、軌道板、砂漿層、支承層、其他（凸形擋臺(tái)）（1）有砟軌道城市軌道與鐵道工程系城市軌道與鐵道工程系無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)城市軌道與鐵道工程系受力： 列車(chē)荷載 溫度力及溫度梯度 損傷：板翹曲、混凝土裂縫無(wú)承軌臺(tái)低彈模，半彈性半剛性,適應(yīng)板的彎曲變形，使板下受力均勻縱橫向定位、抵抗縱橫向力（懸臂梁）不承受縱橫向力及溫度力。施工調(diào)整緩沖協(xié)調(diào)阻斷裂紋填充樹(shù)脂：減少溫度力、減少

2、縱向沖擊定位凸形擋臺(tái)、承受并傳遞垂向和水平力、抵抗并吸收下部基礎(chǔ)變形運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)裂紋形成真縫,使板變成串聯(lián)寬軌枕防止板裂縫無(wú)規(guī)則產(chǎn)生和發(fā)展；吸收縱垂向變形，減少板內(nèi)溫度應(yīng)力和翹曲應(yīng)力；增加板的變形適應(yīng)能力，保護(hù)高彈模砂漿層施工調(diào)整；約束定位軌道板；傳遞垂向、縱橫向力定位軌道板；降低板內(nèi)縱向溫度壓力；形成縱橫向整體受力城市軌道與鐵道工程系城市軌道與鐵道工程系隔離橋梁和軌道的相互作用，減小橋梁伸縮引起的鋼軌和板的縱向力橋梁固定支座上方,橋梁和底座板間設(shè)置預(yù)埋螺栓,將制動(dòng)力和溫度力向墩臺(tái)傳遞減小梁端轉(zhuǎn)角對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的影響城市軌道與鐵道工程系城市軌道與鐵道工程系連續(xù)道床板防止因單元板端與板中位移差而造

3、成的支承層受力和變形不均勻，以及由此形成的對(duì)高速列車(chē)固定波長(zhǎng)的激勵(lì)源道床板中性軸附近配置縱向鋼筋，承受縱向溫度力并限制道床板裂紋寬度承載和傳力；彈性模量過(guò)渡層；阻斷裂紋發(fā)展；變形協(xié)調(diào)城市軌道與鐵道工程系n“質(zhì)量質(zhì)量- -彈簧彈簧”系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn)：以道床為參振質(zhì)量，道床下方設(shè)置彈簧來(lái)獲取減振效果。 優(yōu)點(diǎn)：參振質(zhì)量高，彈簧剛度低?？梢赃_(dá)到最好的減振效果， 適用于特別敏感地段。6.15m46cm18.5cm預(yù)應(yīng)力制混凝土縱梁預(yù)應(yīng)力制混凝土縱梁低剛性彈性等間隔支承低剛性彈性等間隔支承( (防振材料或防振裝置防振材料或防振裝置）鋼制連接管鋼制連接管縱向軌枕軌道部件性能各異 鋼軌（剛度大） 扣件（剛度小彈性

4、大） 軌枕剛度較大 道床（有砟散體，彈性變化；無(wú)砟剛度大） 路基軌道結(jié)構(gòu)總剛度 （鋼軌+扣件（軌下墊層）+道床+路基）a. 均布質(zhì)量b. 鋼軌抗彎剛度（EJ） 與橫截面積、軌頭磨耗（輪廓形狀）有關(guān)c. 鋼軌頭部輪廓形狀鋼軌位移公式 包括鋼軌剛度在內(nèi)的軌道總體剛度參數(shù)： 荷載 鋼軌基礎(chǔ)彈性系數(shù)k 剛比系數(shù) 軌道總剛度43642EJkkyPkzxxekPyxsincos2鋼軌采用歐拉-伯努利梁瑞利-鐵木辛柯梁時(shí)，鋼軌梁具有扭轉(zhuǎn)和剪切的功能鋼軌的剪切變形特性只有在頻率500Hz以下時(shí)才能被忽略 歐拉-伯努利梁計(jì)算時(shí)，pinned-pinned響應(yīng)頻率為f=1214Hz。實(shí)際上的pinned-pinn

5、ed響應(yīng)頻率會(huì)比這個(gè)計(jì)算頻率低。 原因：鋼軌模擬成歐拉-伯努利梁。當(dāng)振動(dòng)的波長(zhǎng)與梁的高度相比較短時(shí)，歐拉-伯努利梁的結(jié)果不是很精確。只有在振動(dòng)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于梁的高度時(shí)，歐拉-伯努利梁的結(jié)果才會(huì)精確。但這種情況對(duì)鋼軌來(lái)說(shuō)不容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?0kg/m鋼軌的高度為h=172mm，并不比pinned-pinned響應(yīng)頻率的波長(zhǎng)小多少（ 2L=1.3m=7.5h）。實(shí)際上，鋼軌的剪切變形和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量同樣對(duì)pinned-pinned響應(yīng)頻率有影響。為保證在列車(chē)荷載作用下，鋼軌不產(chǎn)生過(guò)大的爬行量，要求當(dāng)鋼軌上作用有輪載或無(wú)輪載時(shí)，扣件彈簧和墊層彈簧都處于受壓狀態(tài)扣件墊板的剛度受荷載作用頻率的影響不大，但對(duì)預(yù)加

6、荷載的大小很敏感，預(yù)加荷載越大，墊板越被壓縮，其剛度越大。而墊板的阻尼損失因子卻與預(yù)加荷載的大小無(wú)關(guān)，隨頻率變化而略微增加。開(kāi)槽或小圓柱 根據(jù)槽深度和橡膠墊寬度分條計(jì)算剛度，之后各條彈簧剛度并聯(lián)組合 單個(gè)小圓柱剛度之后并聯(lián) 橡膠另一面計(jì)算同理，兩面彈簧剛度串聯(lián)垂向橡膠剛度調(diào)節(jié)軌道基礎(chǔ)彈性 剛度小,彈性大,垂直力傳遞衰減大 剛度大,彈性小,垂直力傳遞衰減慢橫向橡膠剛度調(diào)節(jié)軌道橫向彈性 剛度大,橫向力大,軌距動(dòng)態(tài)位移控制較好 剛度小,橫向力小,軌距動(dòng)態(tài)擴(kuò)大可能超限高速鐵路有砟軌道墊層靜剛度5070kN/mm，無(wú)砟軌道墊層靜剛度2030kN/mm橫向剛度2040kN/mm普速鐵路90120kN/mm

7、，提速鐵路5080kN/mm扣板式扣件圓彈簧的剛度扣壓件前端剛度：扣壓件對(duì)鋼軌位移的追隨性是無(wú)砟軌道鋼軌扣件的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它直接影響扣件擰緊力的穩(wěn)定程度、扣壓件的應(yīng)力波動(dòng)和抵抗鋼軌小返的能力a. 軌枕間距b. 軌枕均布質(zhì)量(一半軌枕)aWmss2如果采用歐拉-伯努利梁理論來(lái)描述軌枕的振動(dòng)，可以在軌枕自振頻率和第一、二階振動(dòng)模態(tài)上和測(cè)量值較好地吻合，如果想要分析軌枕更高頻率的振動(dòng)，就必須用瑞利-鐵木辛柯梁理論來(lái)描述軌枕。a. 道床參振的均布質(zhì)量道床應(yīng)力均布剛度計(jì)算方法道床應(yīng)力非均布剛度計(jì)算方法 分層計(jì)算道床應(yīng)力均布剛度計(jì)算方法 道床剛度與道砟彈性模量有關(guān)，以道砟內(nèi)摩擦角向下擴(kuò)散 不考慮相鄰軌枕

8、影響，半根軌枕道床應(yīng)力非均布剛度計(jì)算方法 荷載作用中心，道砟中的應(yīng)力最大 離荷載作用中心越遠(yuǎn)，道砟中的應(yīng)力越小，因此道砟的下沉量也是非均勻的 道床剛度：道床上作用的集中荷載除以道床下沉量（最大下沉量而非平均下沉量）Winkler假定假定路基模量為平均值質(zhì)量 均布質(zhì)量 集總質(zhì)量剛度 均布彈簧剛度 集總彈簧剛度集總質(zhì)量和均布質(zhì)量的關(guān)系 彈性地基梁上分布質(zhì)量的動(dòng)量與集總質(zhì)量的動(dòng)量相等集總剛度和均布剛度的關(guān)系 分布質(zhì)量條件下和集總質(zhì)量條件下在荷載作用點(diǎn)處鋼軌的下沉量相等CA砂漿彈性模量隨著CA砂漿彈性模量提高，底座板縱橫向彎矩增大、軌道板縱橫向彎矩減小，砂漿彈模對(duì)軌道板彎矩影響較大；CA砂漿彈性模量對(duì)

9、軌道各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)影響不大；動(dòng)位移差反映CA砂漿對(duì)其上下位移的協(xié)調(diào)能力Eisenmann計(jì)算模型為控制裂縫，支承層應(yīng)力不應(yīng)大于道床板應(yīng)力，即支承層彈性模量不宜過(guò)大支承層彈性模量越高，基床壓應(yīng)力越小，但依靠提高支承層彈模來(lái)降低基床壓應(yīng)力沒(méi)多大必要，應(yīng)該采取合理的支承層結(jié)構(gòu)形式軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性可以通過(guò)在軌道上施加荷載來(lái)進(jìn)行調(diào)查分析 采用液壓千斤頂在軌道上施加正弦波荷載，可以分析200Hz頻率內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)； 采用沖擊錘加載，可以分析更高頻率的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。頻率2040Hz時(shí)的響應(yīng)（或稱剛度），主要與路基剛度有關(guān)，是體現(xiàn)出整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)在以路基層為基礎(chǔ)的彈性材料上振動(dòng)。頻率50300Hz

10、的響應(yīng)，主要與有砟軌道的軌排和道床有關(guān)，軌排和道床形成質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，同時(shí)道砟也起到了良好的阻尼效果；頻率在200600Hz的響應(yīng)，主要與鋼軌-扣件-軌枕組成的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)有關(guān)，而道砟提供了大部分的阻尼效果；頻率在1000Hz左右的響應(yīng)，即pinned-pinned響應(yīng)。該響應(yīng)的峰值很窄，說(shuō)明這個(gè)頻段的阻尼效果較差。這種高頻振動(dòng)響應(yīng)一般在鋼軌彎曲波長(zhǎng)大約是兩倍軌枕間距時(shí)候發(fā)生。鋼軌彎曲時(shí)因?yàn)橛熊壵碇С校奢d作用的能量無(wú)法由有效的阻尼進(jìn)行衰減，所以荷載無(wú)法通過(guò)扣件、軌枕有效地傳遞下去，而會(huì)沿鋼軌縱向以振動(dòng)方式傳播。如果荷載作用在兩根軌枕中間的鋼軌上，加載頻率等于或接近pinned-pinned頻

11、率時(shí)，軌道的pinned-pinned響應(yīng)會(huì)很容易激發(fā)出來(lái)。這時(shí)，在單位激振力作用下，鋼軌產(chǎn)生較大變形，振動(dòng)頻率在800Hz1000Hz。 用試驗(yàn)的方法測(cè)量運(yùn)動(dòng)機(jī)械或工程結(jié)構(gòu)受外界激勵(lì)（包括環(huán)境激勵(lì)）或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重要部位的力、位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)量， 了解機(jī)械或結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)或動(dòng)力學(xué)特性，如列車(chē)運(yùn)行安全、軌道受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)固有頻率、振型、阻尼、剛度等特性參數(shù)，為機(jī)械或結(jié)構(gòu)與環(huán)境相互影響和作用進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。振動(dòng)測(cè)試與理論計(jì)算的關(guān)系 相輔相成 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形和內(nèi)力不僅與動(dòng)力荷載的性質(zhì)、數(shù)量、大小、作用方式、變化規(guī)律及結(jié)構(gòu)本身動(dòng)力特性有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)組成形式、材料有關(guān)，實(shí)際工程非常復(fù)雜，仿真分析

12、可以解決許多結(jié)構(gòu)振動(dòng)方面的問(wèn)題，但所依據(jù)的模型和邊界條件往往很難確定，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或牽涉復(fù)雜的非線性機(jī)理時(shí)，靠理論和仿真分析都是不夠的，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試工作不可或缺。振動(dòng)測(cè)試的基本內(nèi)容 系統(tǒng)的激勵(lì)、響應(yīng)、振動(dòng)特性 已知激勵(lì)和系統(tǒng)振動(dòng)特性，求響應(yīng)（振動(dòng)量的測(cè)量） 已知激勵(lì)和響應(yīng)，求系統(tǒng)振動(dòng)特性（參數(shù)識(shí)別） 已知系統(tǒng)的振動(dòng)特性和響應(yīng)，求激勵(lì)（環(huán)境預(yù)測(cè)）分析不同機(jī)車(chē)車(chē)輛類(lèi)型、運(yùn)行條件、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性；不同軌道結(jié)構(gòu)材料、不同軌道結(jié)構(gòu)形式對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 輪軌力：垂向力、橫向力、輪對(duì)橫向力 位移：鋼軌、軌枕 加速度：鋼軌、軌枕、基礎(chǔ) 安全參數(shù)：脫軌系數(shù)、輪重減載率實(shí)驗(yàn)

13、室測(cè)試 落軸試驗(yàn) 沖擊錘試驗(yàn) 激振試驗(yàn)a. 力垂直力剪應(yīng)力法軌道垂直力P標(biāo)定方法：水平力測(cè)試貼片組橋方法剪應(yīng)力法橫向水平力軌道橫向力Q標(biāo)定方法：輪軌垂直力波形(V=180km/h) 輪軌橫向力波形(V=180km/h) 枕上壓力傳力比：輪軌垂直力和枕上壓力的之比b 位移鋼軌垂、橫向位移；軌枕垂向位移激光位移傳感器道床系數(shù)C的測(cè)定道床橫向阻力的測(cè)定c. 加速度d. 安全參數(shù)南京長(zhǎng)江大橋有砟橋彈性改善 提速條件下，大橋軌道結(jié)構(gòu)組成分為有砟+明橋面+有砟，有砟軌道的道砟厚度不足，出現(xiàn)道床穩(wěn)定性差、變形快、維修周期短等； 大橋出現(xiàn)明顯的剛度差異，造成線路剛度不均勻，直接影響列車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)。輪軌垂直力鋼軌垂直位移各趟列車(chē)每個(gè)機(jī)車(chē)輪對(duì)在明橋和30mm道砟墊處上引起的鋼軌垂向位移比較加速度a 落軸試驗(yàn)：最早用于測(cè)定軌道剛度、軌道結(jié)構(gòu)自振頻率落軸試驗(yàn)原理簧下質(zhì)量為參振質(zhì)量落軸高度沖擊速度新型扣件系統(tǒng)的振動(dòng)性能測(cè)試WJ-2扣件：落軸高度25mmb. 沖擊錘試驗(yàn)Track ReceptanceTr