高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型方案研究_刘玮
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上节对桥上 Ⅲ型轨枕的桥上有砟轨道结构的动力
性能进行了研究 。本节将对宽轨枕 、梯子式轨枕的桥 上有砟轨道结构的动力性能进行计算 , 并对 3种不同 轨枕形式的桥上有砟轨道结构进行对比分析 。
宽轨枕是预制的混凝土枕 , 长度与普通混凝土轨 枕相同 , 而宽度约为后者的 2倍 。 梯子式轨枕结构改 变了传统的横向轨枕间隔放置来支承钢轨 , 改用混凝 土纵梁连续支撑和固定钢轨 , 左右纵梁之间用钢管材 料进行横向刚性连接 , 如图 15所示 。
(1.中铁工程设计咨询集团有 限公司 , 北京 100055;2.北京交通大学 , 北京 100044)
摘 要 :高速铁路高架车站和大 跨度 桥梁等 地段 铺设无 砟轨 道的 技术尚 不成 熟 , 仍 然需 要采 用有 砟轨 道结 构 。 我国目前对高速铁路桥上有砟轨道结构 研究较少 。 文章利 用多体 动力学软 件 ADAMS/Rail及大 型有限 元软件 ANSYS建立的三维动力模型 , 研究了 Ⅲ 型轨枕 、宽轨 枕 、梯 子式轨枕 3种 不同轨 枕形式 高速铁 路桥上 有砟轨道的车辆 -轨道 -桥梁系统动力学 性能 。从 车辆 、轨 道 、桥梁 三方面的 动力响应对 其力学特 性进行对 比研究 , 并对我国高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型提出建议 。 关键词 :高速铁路 ;有砟轨道 ;轨枕选型 ;动力响应 中图分类号 :U213.3 文献标识码 :A
对于桥梁振动加速度 , 我国 《高速铁路设计规范 》 中对于桥面的竖向振动加速度限值做了明确规定 , 有 砟桥面为不超过 0.35 g。对于横向加速度 , 日本铁道技 术研究所的试验表明当桥梁的横向加速度达到 0.1 ～ 0.2 g时 , 车辆容易脱轨 。我国 《秦沈客运专线综合实 验段线桥养护维修技术条件 》中对设计速度 300 km/h 桥梁规定的横向加速度限值为 1.0 m/s2。 从更加安全 的角度考虑 , 本文取 1.0 m/s2 作为 桥梁横向加速 度 限值 。
第 3期
刘 玮 , 等 :高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型 方案研究
2011年 6月
外 , 可知当轮载经过钢轨支点正上方时 , 钢轨支点压力 最大 , 压力为 31.262 kN。
道床状态是决定高速铁路桥上有砟轨道结构车辆 运营安全及轨道维修周期的关键因素 。对于采用 Ⅲ型 轨枕的桥上有 砟轨道结构 , 当车辆以 350 km/h通过 时 , 道床最大加速度为 41.224 m/s2 , 道床最大应力为 110.978 kPa, 且出现在道床表层 , 并随着道 床深度增 加而递减 。
2.3 计算方法 本文采用了瞬态动力学 分析模块中的 Full法对
高速铁路桥上有砟轨道振动特性进行研究 。为消除边 界影响 , 在建立模型时考虑到使激振点远离端部一定 距离 。 因此建立了 5跨桥的模型 , 研究车辆通过中间 3跨时其桥梁及轨道结构的动态响应 。
3 计算结果
本节利用前文中所建的车辆 -轨道 -桥梁系统动 力学模型 , 对 Ⅲ型轨枕 、宽轨枕 、梯子式轨枕这几种常 见的桥上有砟轨道结构形式的动力性能进行了研究 。 仿真计算时 , 车辆的速度取 350 km/h。 下面先以桥上 Ⅲ型轨枕为例给出典型的计算结果图示 。 3.1 桥上 III型轨枕结构的系统动力特性
StudyonSelectionofSleepersforBallastedTrackon BridgesofHigh-speedRailway
LIUWei QUCun (1.ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo., Ltd, Beijing 100055, China;
图 1 ADAMS车 体模型
图 2 输入的钢轨垂向不 平顺图
采用梁单元进行处理 ;对于道砟 , 过去认为在有限元中 将散体材料作为连续介质的处理会引起很大误差 , 不 能反映这类材料的真实情况 , 但研究认为采用传统的
有限元法模拟道砟计算结果偏大 , 从设计角度看是偏 于安全的 。 因此 , 在本文计算中 , 道砟采用实体单元来 模拟 , 且为了保证工况一致 , 3种不同轨枕形式 (Ⅲ型 轨枕 、宽轨枕 、梯子式轨枕 )的模型采用的道砟参数均 相同 。 计算取用的基本参数如表 1所示 。
bridgesofhigh-speedrailwayisproposed. Keywords:high-speedrailway;ballastedtrack;sleeperselection;dynamicresponse
1 研究背景
高速铁路轨道结构主要包括有砟轨道和无砟轨道 2种类型 。 有砟轨道是铁路的传统结构形式 , 在国内 外已广泛应用 。 目前无砟轨道为世界高速铁路轨道结 构主要的发展方向 , 但是由于部分高架车站 、大型始发 站 、桥上大号码道岔区 、大跨度桥梁等为不宜铺设无砟 轨道的地段 , 这些地段就不得不采用有砟轨道 。 德国 《铁路桥梁及其它工程结构物规范 》DS804中明确规 定 , 铁路桥梁原则上必须采用有砟轨道结构 。
根据计算得出 , 桥梁最大垂向加速度 1.434 m/s2 , 即 0.143 g, 小于限值 0.35 g。而桥梁横向最大加速度 为 0.676 m/s2 也小于 1.0 m/s2的限值 , 如图 13、图 14 所示 。
图 13 桥梁垂向加速度图
图 14 桥梁横向加速度图
3.2 不同轨枕形式的车辆 -有砟轨道 -桥梁系统动 力特性的对比分析
车辆以 350 km/h通过时 , 车体最大垂向加速度为 0.633 m/s2 , 最大横向加速度为 0.807 m/s2 。 我国高 速铁路车体振动加速度的舒适度标准值限制为 :垂向 振动加速度 0.13 g, 横向振动加速度 0.10 g。 从图 5、 图 6数据可看出车体加速度小于我国高速铁路客车加
表 2 不同轨枕形式的车辆振动响应对比分析表
项目 车体垂向加速度 车体横向加速度
单位 m/s2 m/s2
Ⅲ 型轨枕 0.633 0.807
宽轨枕 0.635 0.821
梯子式轨枕 0.650 0.859
表 3给出了当车辆以 350 km/h通过 , 采用 Ⅲ型轨 枕 、宽轨枕 、梯子式轨枕的桥上有砟轨道结构时 , 轨道 结构的动力响应对比 。
收稿日期 :2011-03-03 作者简介 :刘玮 (1983-), 女, 助理工程师 。
桥上有砟轨道结构复杂 、设计较难 , 是有砟轨道结 构设计的重中之重 。目前我国针对高速铁路桥上有砟 轨道结构研究不足 。本文将结合我国高速铁路有砟轨 道结构的特点 , 研究采用 Ⅲ型轨枕 、宽轨枕 、梯子式轨 枕 3种不同轨枕形式的高速铁路桥上有砟轨道的动力 学特性 , 并进行对比分析 。 研究成果对高速铁路桥上 有砟轨道结构选型具有一定的指导意义 。
表 1 基本参数表
部件Baidu Nhomakorabea
项目
单位
数值
钢轨 (60 kg/m)
扣件
弹性模量 密度
泊松比 扣件垂向刚度 扣件横向刚度
扣件间距 扣件垂向阻尼
MPa kg/m3
kN/mm kN/mm
m kN· s/m
2.1 ×105 7 830 0.3 60 30 0.6 75
轨枕
扣件横向阻尼 弹性模量 密度 泊松比 弹性模量 密度
kN· s/m MPa kg/m3 MPa kg/m3
60 36 000 2 500
0.2 120 2 000
泊松比
-
道床
道床顶面宽度
m
道床厚度
m
道床坡度
-
0.27 3.6 0.35 1∶1.75
图 3 桥上 Ⅲ 型轨枕模 型图
图 4 桥上 Ⅲ 型轨枕模型 侧面图
2.2 桥上有砟轨道结构有限元模型 本文采用 ANSYS有限元软件建立了桥上有砟轨
2.BeijingJiaotongUniversity, Beijing 100044, China) Abstract:Ballastlesstechnologyonelevatedstationsandlong-spanbridgesareimmatureandballastedtracksarestillinevitable.Asthereislessresearchonballastedtracksonbridgesofhigh-speedrailwayinChina, thepaperstudiesthe mechanicalperformanceofcar-track-bridgesystemonbridgeofhigh-speedrailwaywiththreedifferentsleepersi.e.type IIIties, broadsleepersandladdertypesleepersby3Ddynamicmodelestablishedonmulti-bodydynamicsoftwareADAMS/Railandlarge-scalefiniteelementsoftwareANSYS.Comparativestudyfocusesonthemechanicalcharactersof cars, tracksandbridgesfromtheirdynamicresponse, onthisbasis, howtoselectsleepertypeforballastedtrackson
道结构模型 , 如图 3、图 4所示 。 模型由钢轨 、扣件 、轨 枕 、道砟 、桥梁等部分组成 。 在建模时 , 钢轨作为一个 等截面的细长结构物 , 在对其进行有限元分时 , 可将其 看成无限长点支承梁 , 以实际尺寸建模 , 并以梁单元来 模拟 ;对于扣件 , 忽略其非线性因素等效为一个线弹性 件 , 以弹簧单元来模拟 ;对于不同类型的混凝土轨枕均
图 15 梯子式轨枕
表 2给出了当车辆以 350 km/h通过 , 采用 Ⅲ型轨 枕 、宽轨枕 、梯子式轨枕的桥上有砟轨道结构时 , 车辆 的动力响应对比 。 在车辆动力响应方面 , 3 种轨枕形 式对应的车体垂向 、横向加速度都未超过限值 , 即满足 车体垂向加振动速度不大于 0.13 g、车体横向振动加 速度不大于 0.10 g的指标要求 。
表 3 不同轨枕形式轨道结构动 力响应对比表
项目 钢轨垂向加速度
钢轨垂向位移 钢轨支点压力 轨枕垂向加速度 轨枕垂向位移
道床加速度 道床垂向位移 道床表层动应力 道床底层动应力
单位
m/s2 mm kN m/s2 mm m/s2 mm kPa kPa
图 6 车体横向加速度图
图 10 轨枕垂向加速度图
图 7 钢轨垂向加速度图
图 11 道砟垂向加速度图
图 8 钢轨垂向位移 图
图 12 道床应力图
钢轨垂向加速度最大为 438.405 m/s2 , 而轨枕垂 向加速度最大为 109.022 m/s2 , 道床垂向加速度最大 为 41.224 m/s2, 轨道结构从上至下振动逐渐变弱 。 此
2 计算模型及方法
2.1 车体模型 本文利用 ADAMS/Rail软件建立了我国自主研发
的动力分散式动车组 , 如图 1所示 。 而轮轨接触模型 则采用 ADAMS/Rail提供的根据轮 /轨几何 轮廓数据
第 3期
刘 玮 , 等 :高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型 方案研究
2011年 6月
文件进行动态计算的通用非线性轮 /轨单元进行模拟 。 对于轨道系统的不平顺采用德国的低干扰轨道谱进行 模拟 , 如图 2所示 。
第 3期
刘 玮 , 等 :高速铁路桥上有砟轨道 轨枕选型方案研究
速度舒适度限值 。 图 7 ～图 12 为当车辆以 350 km/h通过 , 采用 Ⅲ
型轨枕的桥上有砟轨道结构时 , 轨道结构各部分的振 动响应时程曲线图 。
2011年 6月
图 5 车体垂向加速度图
图 9 钢轨支点压力 图
第2021卷1 年第6
月 3期
高 速 铁 路 技 术 HIGHSPEEDRAILWAYTECHNOLOGY
文 章编号 :1674— 8247(2011)03— 0038— 05
No.3, Vol.2 Jun.2 011
高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型方案研究
刘 玮1 曲 村2
性能进行了研究 。本节将对宽轨枕 、梯子式轨枕的桥 上有砟轨道结构的动力性能进行计算 , 并对 3种不同 轨枕形式的桥上有砟轨道结构进行对比分析 。
宽轨枕是预制的混凝土枕 , 长度与普通混凝土轨 枕相同 , 而宽度约为后者的 2倍 。 梯子式轨枕结构改 变了传统的横向轨枕间隔放置来支承钢轨 , 改用混凝 土纵梁连续支撑和固定钢轨 , 左右纵梁之间用钢管材 料进行横向刚性连接 , 如图 15所示 。
(1.中铁工程设计咨询集团有 限公司 , 北京 100055;2.北京交通大学 , 北京 100044)
摘 要 :高速铁路高架车站和大 跨度 桥梁等 地段 铺设无 砟轨 道的 技术尚 不成 熟 , 仍 然需 要采 用有 砟轨 道结 构 。 我国目前对高速铁路桥上有砟轨道结构 研究较少 。 文章利 用多体 动力学软 件 ADAMS/Rail及大 型有限 元软件 ANSYS建立的三维动力模型 , 研究了 Ⅲ 型轨枕 、宽轨 枕 、梯 子式轨枕 3种 不同轨 枕形式 高速铁 路桥上 有砟轨道的车辆 -轨道 -桥梁系统动力学 性能 。从 车辆 、轨 道 、桥梁 三方面的 动力响应对 其力学特 性进行对 比研究 , 并对我国高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型提出建议 。 关键词 :高速铁路 ;有砟轨道 ;轨枕选型 ;动力响应 中图分类号 :U213.3 文献标识码 :A
对于桥梁振动加速度 , 我国 《高速铁路设计规范 》 中对于桥面的竖向振动加速度限值做了明确规定 , 有 砟桥面为不超过 0.35 g。对于横向加速度 , 日本铁道技 术研究所的试验表明当桥梁的横向加速度达到 0.1 ～ 0.2 g时 , 车辆容易脱轨 。我国 《秦沈客运专线综合实 验段线桥养护维修技术条件 》中对设计速度 300 km/h 桥梁规定的横向加速度限值为 1.0 m/s2。 从更加安全 的角度考虑 , 本文取 1.0 m/s2 作为 桥梁横向加速 度 限值 。
第 3期
刘 玮 , 等 :高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型 方案研究
2011年 6月
外 , 可知当轮载经过钢轨支点正上方时 , 钢轨支点压力 最大 , 压力为 31.262 kN。
道床状态是决定高速铁路桥上有砟轨道结构车辆 运营安全及轨道维修周期的关键因素 。对于采用 Ⅲ型 轨枕的桥上有 砟轨道结构 , 当车辆以 350 km/h通过 时 , 道床最大加速度为 41.224 m/s2 , 道床最大应力为 110.978 kPa, 且出现在道床表层 , 并随着道 床深度增 加而递减 。
2.3 计算方法 本文采用了瞬态动力学 分析模块中的 Full法对
高速铁路桥上有砟轨道振动特性进行研究 。为消除边 界影响 , 在建立模型时考虑到使激振点远离端部一定 距离 。 因此建立了 5跨桥的模型 , 研究车辆通过中间 3跨时其桥梁及轨道结构的动态响应 。
3 计算结果
本节利用前文中所建的车辆 -轨道 -桥梁系统动 力学模型 , 对 Ⅲ型轨枕 、宽轨枕 、梯子式轨枕这几种常 见的桥上有砟轨道结构形式的动力性能进行了研究 。 仿真计算时 , 车辆的速度取 350 km/h。 下面先以桥上 Ⅲ型轨枕为例给出典型的计算结果图示 。 3.1 桥上 III型轨枕结构的系统动力特性
StudyonSelectionofSleepersforBallastedTrackon BridgesofHigh-speedRailway
LIUWei QUCun (1.ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo., Ltd, Beijing 100055, China;
图 1 ADAMS车 体模型
图 2 输入的钢轨垂向不 平顺图
采用梁单元进行处理 ;对于道砟 , 过去认为在有限元中 将散体材料作为连续介质的处理会引起很大误差 , 不 能反映这类材料的真实情况 , 但研究认为采用传统的
有限元法模拟道砟计算结果偏大 , 从设计角度看是偏 于安全的 。 因此 , 在本文计算中 , 道砟采用实体单元来 模拟 , 且为了保证工况一致 , 3种不同轨枕形式 (Ⅲ型 轨枕 、宽轨枕 、梯子式轨枕 )的模型采用的道砟参数均 相同 。 计算取用的基本参数如表 1所示 。
bridgesofhigh-speedrailwayisproposed. Keywords:high-speedrailway;ballastedtrack;sleeperselection;dynamicresponse
1 研究背景
高速铁路轨道结构主要包括有砟轨道和无砟轨道 2种类型 。 有砟轨道是铁路的传统结构形式 , 在国内 外已广泛应用 。 目前无砟轨道为世界高速铁路轨道结 构主要的发展方向 , 但是由于部分高架车站 、大型始发 站 、桥上大号码道岔区 、大跨度桥梁等为不宜铺设无砟 轨道的地段 , 这些地段就不得不采用有砟轨道 。 德国 《铁路桥梁及其它工程结构物规范 》DS804中明确规 定 , 铁路桥梁原则上必须采用有砟轨道结构 。
根据计算得出 , 桥梁最大垂向加速度 1.434 m/s2 , 即 0.143 g, 小于限值 0.35 g。而桥梁横向最大加速度 为 0.676 m/s2 也小于 1.0 m/s2的限值 , 如图 13、图 14 所示 。
图 13 桥梁垂向加速度图
图 14 桥梁横向加速度图
3.2 不同轨枕形式的车辆 -有砟轨道 -桥梁系统动 力特性的对比分析
车辆以 350 km/h通过时 , 车体最大垂向加速度为 0.633 m/s2 , 最大横向加速度为 0.807 m/s2 。 我国高 速铁路车体振动加速度的舒适度标准值限制为 :垂向 振动加速度 0.13 g, 横向振动加速度 0.10 g。 从图 5、 图 6数据可看出车体加速度小于我国高速铁路客车加
表 2 不同轨枕形式的车辆振动响应对比分析表
项目 车体垂向加速度 车体横向加速度
单位 m/s2 m/s2
Ⅲ 型轨枕 0.633 0.807
宽轨枕 0.635 0.821
梯子式轨枕 0.650 0.859
表 3给出了当车辆以 350 km/h通过 , 采用 Ⅲ型轨 枕 、宽轨枕 、梯子式轨枕的桥上有砟轨道结构时 , 轨道 结构的动力响应对比 。
收稿日期 :2011-03-03 作者简介 :刘玮 (1983-), 女, 助理工程师 。
桥上有砟轨道结构复杂 、设计较难 , 是有砟轨道结 构设计的重中之重 。目前我国针对高速铁路桥上有砟 轨道结构研究不足 。本文将结合我国高速铁路有砟轨 道结构的特点 , 研究采用 Ⅲ型轨枕 、宽轨枕 、梯子式轨 枕 3种不同轨枕形式的高速铁路桥上有砟轨道的动力 学特性 , 并进行对比分析 。 研究成果对高速铁路桥上 有砟轨道结构选型具有一定的指导意义 。
表 1 基本参数表
部件Baidu Nhomakorabea
项目
单位
数值
钢轨 (60 kg/m)
扣件
弹性模量 密度
泊松比 扣件垂向刚度 扣件横向刚度
扣件间距 扣件垂向阻尼
MPa kg/m3
kN/mm kN/mm
m kN· s/m
2.1 ×105 7 830 0.3 60 30 0.6 75
轨枕
扣件横向阻尼 弹性模量 密度 泊松比 弹性模量 密度
kN· s/m MPa kg/m3 MPa kg/m3
60 36 000 2 500
0.2 120 2 000
泊松比
-
道床
道床顶面宽度
m
道床厚度
m
道床坡度
-
0.27 3.6 0.35 1∶1.75
图 3 桥上 Ⅲ 型轨枕模 型图
图 4 桥上 Ⅲ 型轨枕模型 侧面图
2.2 桥上有砟轨道结构有限元模型 本文采用 ANSYS有限元软件建立了桥上有砟轨
2.BeijingJiaotongUniversity, Beijing 100044, China) Abstract:Ballastlesstechnologyonelevatedstationsandlong-spanbridgesareimmatureandballastedtracksarestillinevitable.Asthereislessresearchonballastedtracksonbridgesofhigh-speedrailwayinChina, thepaperstudiesthe mechanicalperformanceofcar-track-bridgesystemonbridgeofhigh-speedrailwaywiththreedifferentsleepersi.e.type IIIties, broadsleepersandladdertypesleepersby3Ddynamicmodelestablishedonmulti-bodydynamicsoftwareADAMS/Railandlarge-scalefiniteelementsoftwareANSYS.Comparativestudyfocusesonthemechanicalcharactersof cars, tracksandbridgesfromtheirdynamicresponse, onthisbasis, howtoselectsleepertypeforballastedtrackson
道结构模型 , 如图 3、图 4所示 。 模型由钢轨 、扣件 、轨 枕 、道砟 、桥梁等部分组成 。 在建模时 , 钢轨作为一个 等截面的细长结构物 , 在对其进行有限元分时 , 可将其 看成无限长点支承梁 , 以实际尺寸建模 , 并以梁单元来 模拟 ;对于扣件 , 忽略其非线性因素等效为一个线弹性 件 , 以弹簧单元来模拟 ;对于不同类型的混凝土轨枕均
图 15 梯子式轨枕
表 2给出了当车辆以 350 km/h通过 , 采用 Ⅲ型轨 枕 、宽轨枕 、梯子式轨枕的桥上有砟轨道结构时 , 车辆 的动力响应对比 。 在车辆动力响应方面 , 3 种轨枕形 式对应的车体垂向 、横向加速度都未超过限值 , 即满足 车体垂向加振动速度不大于 0.13 g、车体横向振动加 速度不大于 0.10 g的指标要求 。
表 3 不同轨枕形式轨道结构动 力响应对比表
项目 钢轨垂向加速度
钢轨垂向位移 钢轨支点压力 轨枕垂向加速度 轨枕垂向位移
道床加速度 道床垂向位移 道床表层动应力 道床底层动应力
单位
m/s2 mm kN m/s2 mm m/s2 mm kPa kPa
图 6 车体横向加速度图
图 10 轨枕垂向加速度图
图 7 钢轨垂向加速度图
图 11 道砟垂向加速度图
图 8 钢轨垂向位移 图
图 12 道床应力图
钢轨垂向加速度最大为 438.405 m/s2 , 而轨枕垂 向加速度最大为 109.022 m/s2 , 道床垂向加速度最大 为 41.224 m/s2, 轨道结构从上至下振动逐渐变弱 。 此
2 计算模型及方法
2.1 车体模型 本文利用 ADAMS/Rail软件建立了我国自主研发
的动力分散式动车组 , 如图 1所示 。 而轮轨接触模型 则采用 ADAMS/Rail提供的根据轮 /轨几何 轮廓数据
第 3期
刘 玮 , 等 :高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型 方案研究
2011年 6月
文件进行动态计算的通用非线性轮 /轨单元进行模拟 。 对于轨道系统的不平顺采用德国的低干扰轨道谱进行 模拟 , 如图 2所示 。
第 3期
刘 玮 , 等 :高速铁路桥上有砟轨道 轨枕选型方案研究
速度舒适度限值 。 图 7 ～图 12 为当车辆以 350 km/h通过 , 采用 Ⅲ
型轨枕的桥上有砟轨道结构时 , 轨道结构各部分的振 动响应时程曲线图 。
2011年 6月
图 5 车体垂向加速度图
图 9 钢轨支点压力 图
第2021卷1 年第6
月 3期
高 速 铁 路 技 术 HIGHSPEEDRAILWAYTECHNOLOGY
文 章编号 :1674— 8247(2011)03— 0038— 05
No.3, Vol.2 Jun.2 011
高速铁路桥上有砟轨道轨枕选型方案研究
刘 玮1 曲 村2