高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道端刺及临时端刺的力学特性分析
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摘要
我国铁路科研设计人员通过京津城际铁路的工程实践、无砟轨道系统技术总结和系统技术再创新等工作,已经形成具有中国特色的CRTSⅡ型纵连式无砟轨道系统成套技术。
CRTSⅡ型纵连式无砟轨道的最大特点是全桥上底座板不在桥缝处断开而是纵连一直到路基上。为了及时将桥上底座板由于温度和制动产生的纵向力传递到路基中,在长大桥台后设置有端刺及摩擦板。当端刺形式为倒T型时,端刺及摩擦板范围路基需要全部使用掺水泥级配碎石。而我国铁路科研人员设计的双柱型端刺可以应用于标准路基中。
本文利用非线性有限元软件建立车辆-轨道-端刺及摩擦板动力学模型,对比分析了不同形式端刺及摩擦板区结构的动力响应,然后分析了端刺与路基之间的轨面折角、行车速度、扣件布置方式对设置有不同形式端刺的系统动力响应的影响。
模型计算结果表明,由于后移小端刺的刚度过渡作用,设置有后移小端刺的双柱型端刺比无后移小端刺的动力响应要为小；设置有倒T型端刺时系统的垂向位移比设置有双柱型端刺时系统的垂向位移要为小,但是由基床动力响应可以看出双柱型端刺的整体性要好于倒T型端刺；轨面折角对系统动力响应有明显影响,需要设法减小端刺与路基之间的轨面折角,而最大轮轨力即发生在轨面折角起始处；列车、轨道及路基动力响应基本上随行车速度增大而增大；通过合理的扣件布置方式可以减小端刺及摩擦板区域的系统动力响应。
由于我国高速铁路桥梁以长大桥梁为主,故无法一次将纵连的底座板浇筑完成,需要分段浇筑。每一底座板浇筑段分为常规区与临时端刺区。
本文利用通用有限元软件建立底座板-桥梁纵向受力模型,对比分析了底座板与桥梁间滑动层摩擦系数、临时端刺长度及常规区长度对底座板及桥梁的受力影响。模型分析表明临时端刺对常规区纵向位移起到很好的限制作用,但是常规区最外面的固结机构以及临时端刺的固结机构是系统的薄弱环节。建议在底座板施工阶段,底座板与桥梁之间的滑动层摩擦系数保持在0.2-0.5,临时端刺合理长度取值约为800m,而常规区的长度可以根据现场施工条件选择。
China has imported the complete technology of Boegl slab track such as design, manufacturing, construction, maintenance, tooling from Germany. So after engineering practice of Jing-Jin high speed railway and technical summary of ballastless track,innovation of ballastless system, Chinese railway researchers and designers has finished CRTS II ballastless track complete technology that has Chinese feature.
The most important feature of CRTS II ballastless track is that the baselayer on the bridge is integrated. In order to translate baselayer force which is generated by temperature and applying the brake to roadbed timely, there is termination cutting off and friction slab behind the abutment. If the style of termination cutting off is overturned T, the whole area of termination cutting off and friction slab should use graded gravel which has cement as roadbed. Chinese railway researchers have designed double pillars termination cutting off which can be used in standard roadbed.
This thesis built up vehicle-track-termination cutting off model using non-liner finite element software, and analyses dynamic responses of different style of termination cutting off. After that the thesis analyzes the influence of angular of rails, vehicle speed and the disposal of fastener to the dynamic responses of the system.
From the result of the analyses, if there is little termination cutting off behind the termination cutting off, the dynamic responses will be less. The displacement of the overturned T termination is much less than the double pillar termination cutting off. Angular of rails can enhance dynamic response of the system. Normally, the speed of the vehicle is higher; the dynamic response of the system is larger. If we dispose the fastener in reason, the dynamic response of the system will be less.
Because in China the bridges of high speed railway are very long, it can not construct the baselayer in one time and it must construct step by step. Each construction step is composed by general area and temporary termination cutting off.
This thesis use general finite element method software to build up baselayer-bridge model. Then analyze the influence of the friction coefficient which between the bridge and baselayer, length of the temporary termination cutting off and length of the normal area to the system. From the result we can see friction coefficient between the bridge and baselayer should be 0.2～0.5, the best length of the temporary termination cutting off is about 800m, the length of the normal area can be decided by the condition of the constructors.
CRTSⅡ型纵连式无砟轨道的最大特点是全桥上底座板不在桥缝处断开而是纵连一直到路基上。为了及时将桥上底座板由于温度和制动产生的纵向力传递到路基中,在长大桥台后设置有端刺及摩擦板。当端刺形式为倒T型时,端刺及摩擦板范围路基需要全部使用掺水泥级配碎石。而我国铁路科研人员设计的双柱型端刺可以应用于标准路基中。
本文利用非线性有限元软件建立车辆-轨道-端刺及摩擦板动力学模型,对比分析了不同形式端刺及摩擦板区结构的动力响应,然后分析了端刺与路基之间的轨面折角、行车速度、扣件布置方式对设置有不同形式端刺的系统动力响应的影响。
模型计算结果表明,由于后移小端刺的刚度过渡作用,设置有后移小端刺的双柱型端刺比无后移小端刺的动力响应要为小；设置有倒T型端刺时系统的垂向位移比设置有双柱型端刺时系统的垂向位移要为小,但是由基床动力响应可以看出双柱型端刺的整体性要好于倒T型端刺；轨面折角对系统动力响应有明显影响,需要设法减小端刺与路基之间的轨面折角,而最大轮轨力即发生在轨面折角起始处；列车、轨道及路基动力响应基本上随行车速度增大而增大；通过合理的扣件布置方式可以减小端刺及摩擦板区域的系统动力响应。
由于我国高速铁路桥梁以长大桥梁为主,故无法一次将纵连的底座板浇筑完成,需要分段浇筑。每一底座板浇筑段分为常规区与临时端刺区。
本文利用通用有限元软件建立底座板-桥梁纵向受力模型,对比分析了底座板与桥梁间滑动层摩擦系数、临时端刺长度及常规区长度对底座板及桥梁的受力影响。模型分析表明临时端刺对常规区纵向位移起到很好的限制作用,但是常规区最外面的固结机构以及临时端刺的固结机构是系统的薄弱环节。建议在底座板施工阶段,底座板与桥梁之间的滑动层摩擦系数保持在0.2-0.5,临时端刺合理长度取值约为800m,而常规区的长度可以根据现场施工条件选择。
China has imported the complete technology of Boegl slab track such as design, manufacturing, construction, maintenance, tooling from Germany. So after engineering practice of Jing-Jin high speed railway and technical summary of ballastless track,innovation of ballastless system, Chinese railway researchers and designers has finished CRTS II ballastless track complete technology that has Chinese feature.
The most important feature of CRTS II ballastless track is that the baselayer on the bridge is integrated. In order to translate baselayer force which is generated by temperature and applying the brake to roadbed timely, there is termination cutting off and friction slab behind the abutment. If the style of termination cutting off is overturned T, the whole area of termination cutting off and friction slab should use graded gravel which has cement as roadbed. Chinese railway researchers have designed double pillars termination cutting off which can be used in standard roadbed.
This thesis built up vehicle-track-termination cutting off model using non-liner finite element software, and analyses dynamic responses of different style of termination cutting off. After that the thesis analyzes the influence of angular of rails, vehicle speed and the disposal of fastener to the dynamic responses of the system.
From the result of the analyses, if there is little termination cutting off behind the termination cutting off, the dynamic responses will be less. The displacement of the overturned T termination is much less than the double pillar termination cutting off. Angular of rails can enhance dynamic response of the system. Normally, the speed of the vehicle is higher; the dynamic response of the system is larger. If we dispose the fastener in reason, the dynamic response of the system will be less.
Because in China the bridges of high speed railway are very long, it can not construct the baselayer in one time and it must construct step by step. Each construction step is composed by general area and temporary termination cutting off.
This thesis use general finite element method software to build up baselayer-bridge model. Then analyze the influence of the friction coefficient which between the bridge and baselayer, length of the temporary termination cutting off and length of the normal area to the system. From the result we can see friction coefficient between the bridge and baselayer should be 0.2～0.5, the best length of the temporary termination cutting off is about 800m, the length of the normal area can be decided by the condition of the constructors.
引文
[1]李成辉.轨道[M].成都：西南交通大学出版社,2005
[2]赵国堂.高速铁路无碴轨道结构[M],北京：中国铁道出版社,2006
[3]左藤吉彦.新轨道力学[M].北京：中国铁道出版社,200
[4]谷爱军.铁路轨道[M],北京：中国铁道出版社,2007
[5]范俊杰.现代铁路轨道[M].北京：中国铁道出版社,2001
[6]卢祖文.客运专线铁路轨道[M].北京：中国铁道出版社,2005
[7]中华人民共和国铁道部.铁路轨道设计规范(TB10082-2005)[S].北京：中国铁道出版社,2005
[8]客运专线无砟轨道铁路设计指南[M].北京：中国铁道出版社,2005
[9]Ripke B, Knothe K. Simulation of High Frequency Vehicle-track Interactions, Vehicle System Dynamics,1995,24 (Supp 1.):72-85
[10]翟婉明.车辆—轨道垂向耦合合动力学[D].西南交通大学博士论文,1991
[11]翟婉明.车辆—轨道耦合动力学(第三版)[M].北京：科学出版社,2007
[12]任尊松.车辆—道岔系统动力学研究[D],西南交通大学博士论文,2000
[13]任尊松.车辆系统动力学[M],北京：中国铁道出版社,2007
[14]李成辉.轨道结构振动理论及应用研究[D],西南交通大学博士论文,1996
[15]何华武.无砟轨道技术[M],北京：中国铁道出版社,2005
[16]Kerr.轨道力学及轨道工程(论文集)[M],北京：中国铁道出版社,1983
[17]Verbic,Branislav;Schmid,Guenther;Koepper,Heinz-Dieter;Best,Heinrich.Investigating the dynamic behaviour of rigid track,Railway Gazette Interational.1997
[18]Mohammadi,Mohsen;Karabalis,Dimitris L.Dynamic 3-D soil-railway track interaction by BEM-FEM.Earthquake Engineering& Structural Dynamics.1995(5)
[19]Rehfeld,Erich,Subsoil composition-requirements for the use of slab track, Eisenbahningenieur.1995(4)
[20]张格明.中高速条件下车线桥动力分析模型与轨道不平顺影响[D],铁道科学研究院博士论文,2001
[21]蔡成标.高速铁路列车—线路—桥梁耦合振动理论及应用研究[D],西南交通大学博士论文,2004
[22]高芒芒.高速铁路列车—线路—桥梁耦合振动及列车走行性研究[D],铁道科学研究院博士论文,2001
[23]罗强.高速铁路路桥过渡段动力学特性分析及工程试验研究[D].西南交通大学博士论文,2004
[24]苏谦.高速铁路路基空间时变耦合系统动力分析模型及其应用研究[D],西南交通大学博士论文,2001
[25]陈希成.高速铁路板式轨道结构力学分析[D].西南交通大学硕士论文,2008
[26]赵坪锐.板式无砟轨道动力学性能分析与参数研究[D].西南交通大学硕士论文,2003
[27]颜胜才.遂渝铁路基床荷载特性及路涵过渡性能试验研究[D].西南交通大学硕士论文,2007
[28]陈雪华.高速铁路无碴轨道过渡段路基的动力特性研究[D].中南大学博士论文,2006
[29]宣言.客运专线曲线线路车线耦合系统动力学性能及无砟轨道结构振动响应的仿真研究[D],铁道科学研究院博士论文,2005
[30]万家.高速列车—无砟轨道—桥梁耦合系统动力学性能仿真研究[D],铁道科学研究院博士论文,2005
[31]谷爱军.隧道内弹性支撑块轨道结构振动及其传递特性研究[D],北京交通大学博士论文,2008
[32]王小韬.轨道过渡段动不平顺分析[D].西南交通大学硕士论文,2007
[33]夏禾.车辆与结构动力相互作用[M].北京：科学出版社,2002.3
[34]练松良.轨道动力学[M],上海：同济大学出版社,2003
[35]王其昌.高速铁路土木工程[M],成都：西南交通大学出版社,1999
[36]陈鹏.高速铁路无砟轨道结构力学特性研究[D],北京交通大学博士论文,2008
[37]中华人民共和国铁道部.新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定[S](铁建设函[2007]47号)
[38]王其昌,蔡成标,,蔡英等.高速铁路路桥过渡段轨道折角限值的分析[J],铁道学报,1998,6：109-113
[39]蔡成标,翟婉明,,赵铁军等.列车通过路桥过渡段时的动力作用研究[J],交通运输工程学报,2001,1(1)：17-19,28
[40]蔡成标.无碴轨道动力学理论及应用[J],西南交通大学学报,2007,6：255-261
[41]蔡成标,翟婉明,王其昌.不同轨下基础轨道连接的动力特性分析[J],铁道学报,2002,1：79-82
[42]蔡成标,刘建新,翟婉明,客运专线道岔前后轨道刚度过渡段动力学研究研究[J],中国铁道科学,2007,5：18-22
[43]罗强,蔡英.高速铁路路桥过渡段变形限制与合理长度研究[J],铁道标准设计,2000,6：02-04
[44]王于,翟婉明,,林良明等.一种确定轨道过渡段的新方法[J],铁道工程学报,1999,12：25-28
[45]毛利军,雷晓燕,杜厚志.提速线路轨道过渡段动力响应[J],华东交通大学学报,2001,1：35-40
[46]雷晓燕,陈水生.高速铁路轨道结构空间动力分析[J],铁道学报,2000,5：76-80
[47]雷晓燕.列车通过轨道不平顺和刚度突变时对轨道振动的影响[J],铁道科学与工程学报,2005,6：01-08
[48]罗强,蔡英.高速铁路路桥过渡段技术处理措施的研究[J],铁道工程学报,1999,3：30-33
[49]雷晓燕.移动荷载作用下轨道基础刚度突变对轨道振动的影响[J],振动工程学报,2006,2：195-199
[50]杨广庆,彭华,刘建坤.软基上高速铁路路桥过渡段的技术措施研究[J],探矿工程,2002,5：13-15
[51]雷晓燕.轨道过渡段刚度突变对轨道振动的影响[J],中国铁道科学,2000,9：42-45
[52]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M],北京：机械工业出版社,2006
[53]张文元.ABAQUS动力学有限元分析指南[M],北京：中国图书出版社,2006
[54]王金昌,陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用[M],杭州：浙江大学出版社,2006
[55]赵腾伦.ABAQUS在机械工程中的应用[M],北京：中国水利水电出版社,2007
[56]梁智垚,段树金.轨道过渡段静动态反应分析[J],铁道标准设计,2004,9：21-23
[57]HKS, ABAQUS Analysis Theory Manual[M/CD],Version 6.6,2006
[58]Singh,S.Effect of trackstiffness transition between approach and bridge and perturbation-generated loads inthisregion. Internal TTCI Rep. Transportation Technology Center,Inc.,Pueblo,Colo,2003
[59]HKS, ABAQUS Analysis Theory Manual[M/CD],Version 6.6,2006
[60]Design of track transitions. Research Results Digest 79,TCRP
[61]Nielsen J C O. Train/track interaction:Coupling of moving and stationary dynamic systems[D] Chalmers University of Technology, G(¨|o)tebory,Sweden,1993
[62]Dingqing Li,David Davis.Transition of Railroad Brige Approaches[J],Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2005
[63]Charity D. Sasaoka,David D. Davis.Implementing Track Transition Solutions for Heavy Axle Load Service, Transportation Technology Center, Inc., Pueblo, Colorado
[64]任彦如,段树金等.轨道结构路桥过渡段静力分析[J],石家庄铁道学院学报,2006,1：76-79
[65]朱剑月,练松良.高速铁路有砟轨道结构动力特性分析研究[J],中国铁道科学,2007,3：132-134
[66]孔祥仲,刘伟平.板式轨道过渡段刚度设计计算方法[J],铁道标准设计,2000,9：07-09
[67]施光夏.遇渡段轨道之勤态反应[D],国立台湾大学工程科学及海洋工程研究所硕士论文,2005
[68]高延霞,赵路青.关于无砟轨道过渡段[J],中国科技信息,2009,2：261-263
[69]徐振龙,钱振地,王金学.隧道内长枕埋入式无碴轨道综合施工技术研究[J],铁道工程学报,2004,12：73-76
[70]铁道科学研究院,成都铁路局,铁道第二勘察设计院.遂渝线无砟轨道试验段综合试验总报告[R],2007
[71]王磊.郑州-西安客运专线路基过渡段施工技术[J],中国铁路,2006,11：43-46
[72]隙志伟.以有限元素法分析轨道结构与轮-轨互制作用下之反应[D],台湾国立成功大学土木工程研究所硕士论文,2003
[73]徐学东.德国Rheda型无碴轨道的技术特点[J],中国铁路,2006,2：51-52,57
[74]赵平锐.客运专线无砟轨道设计理论与方法研究[D],西南交通大学博士学位论文,2008,
[2]赵国堂.高速铁路无碴轨道结构[M],北京：中国铁道出版社,2006
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