列车荷载作用下轨道和地基的动响应分析

分析了列车运动荷载引起的应力波在轨道结构和周围地基中的传播,用动力子结构方法求解了铁路轨道和多层地基的相互作用问题,特别是在模型中考虑了轨枕离散支撑的作用.研究的对象结构包括列车运动荷载和受轨枕支撑的钢轨,以及下面的无限分层黏弹性地基.通过傅里叶变换求解微分形式的支配方程,得到了在频域和波数领域中的钢轨以及周围地基的振动准解析解,而响应时程则通过傅里叶逆变换得到.利用结果可以评估高速铁路列车运行时产生的轨道与周围地基的振动强度;同时提出了一种直观的方法来确定轨道与地基中产生共振时列车运行的临界速度.     

爆炸荷载作用下建筑玻璃的破碎模式分析

采用JH-2模型,将有限元方法与薄板振动理论相结合,研究了建筑玻璃在爆炸冲击波作用下的破碎原因、破碎模式、碎片分布规律。结果表明,玻璃在爆炸荷载下破碎的主要原因为静水压力达到其材料的静水拉应力强度。根据第1阶、第2阶振幅的比值,玻璃的爆炸响应分两个阶段。对应玻璃在不同响应阶段破碎,玻璃破碎模式分为两种:模式1,玻璃四角与板心连线上呈对称分布的四点最先破坏,裂缝沿该四点的连线发展、贯通,玻璃被分隔成9块;模式2,板心处玻璃最先破坏,裂缝向四边发展、贯通,将玻璃板分成4块。玻璃的破碎模式与爆炸荷载及玻璃尺寸相关,根据玻璃板位移在板心处首次有极大值的时间及该时间玻璃静水压力极大值可初步判定玻璃在爆炸荷载下的破碎模式。     

无砟轨道约束对高速铁路列车-桥梁系统地震响应的影响

建立了38自由度高速列车（动车/拖车）空间振动模型,基于非线性Hertz接触理论和Kalker线性蠕滑理论,引进PEER-NGA强震记录,建立地震作用下的高速铁路列车-无砟轨道/钢轨-桥梁-支座-桥墩-桩土系统精细计算模型,考虑支座刚度和桩土作用及近场地震效应的影响,以高速铁路32 m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序,计算了有/无砟轨道约束下高速列车-桥梁时系统的地震响应。计算结果表明,不考虑三层无砟轨道时列车-桥梁系统模型由于桥梁刚度过大,列车-无砟轨道-桥梁系统的各项地震响应较列车-钢轨-桥梁系统有较大增加;对于有/无地震作用时,采用无砟轨道均可有效改进列车走行性能,近断层地震脉冲效应对有/无砟轨道约束系统动力响应及列车走行安全指标影响均较大。     

高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应有限元模拟

车轮踏面剥离是轨道车辆车轮非圆化损伤的常见形式之一。轮轨滚动接触过程中,车轮踏面剥离会循环冲击钢轨,诱发异常大的轮轨动态相互作用,严重影响高速列车运行平稳性和安全性。基于三维轮轨滚动接触有限元模型,模拟了高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应,分析了轮轨冲击过程中的轮轨接触力/压力、接触斑及黏/滑特性、钢轨表面节点速度分布和应力/应变状态等响应特征,讨论了列车速度、剥离长度和剥离深度等关键参数对轮轨冲击响应的影响。结果发现,车轮踏面剥离引起的轮轨动态垂向接触力随列车速度的提高呈现出先增大后减小的变化趋势,并在列车速度为300 km/h出现最大值,约为轮轨准静态垂向接触力的1.35倍;随着剥离长度的增大,轮轨动态接触力、轮/轨von Mises应力和等效塑性应变均显著增大;随着剥离深度的增大,仅车轮von Mises应力和等效塑性应变显著增大。     

减小高速列车荷载对地面结构损害的数值分析

用数值模拟的方法研究无填充壕沟、注水壕沟和砼填充壕沟对地表高速列车荷载引起振动的防护能力。运用LS-DYNA软件,对高速列车荷载作用下地面结构所产生的动力响应进行数值分析。通过数值模拟计算发现,无填充壕沟和注水壕沟可以明显降低地面结构关键点上的加速度与应力幅值,而砼填充壕沟并无明显降低结构中关键点上的加速度与应力值。对于地表高速列车荷载引起的地面结构振动,无填充壕沟与注水壕沟都有明显的防护作用,而砼填充壕沟的防护作用不明显。     

高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构临界荷位和最不利位置分析

为了研究高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构的临界荷位和最不利位置,以京沪高速铁路CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构为例,选取轨道板板底的纵向弯拉应力作为确定轨道结构临界荷位的指标,计算得到了列车轴载位于板端位置为临界荷位;计算了轴载在临界荷位时的钢轨竖向位移、轨道板板底水平拉应力、CA砂浆层竖向压应力、底座(或支承层)板底水平拉应力,分析了车辆荷载在不同位置处的无砟轨道结构产生的应力大小,得出路基和桥梁上CRTS Ⅱ型无砟轨道结构的最不利位置。     

移动简谐荷载作用下轨道结构动态响应研究

研究了移动简谐荷载作用下轨道结构的动态响应特性,首先,将轨道结构简化为连续离散点支撑的弹性Euler梁模型,并建立了移动荷载作用下轨道系统动力学微分方程,基于无限周期结构在频域内的性质和叠加原理,推导出了移动简谐荷载作用下轨道结构上任意点的动态响应解析表达式;然后,数值分析了激励频率、扣件刚度、扣件阻尼对轨道结构动态响应的影响。研究结果表明:钢轨动态响应共振峰出现在荷载激励频率附近;随着激励频率的增大,钢轨动态响应峰值向高频方向移动;在高频段内,钢轨动态响应随着扣件刚度的增大而增大;扣件阻尼对系统的共振峰值及峰值带宽无显著影响,但在高频段内扣件阻尼具有明显抑制振动的作用,通过增大阻尼可以有效控制轨道的高频振动。     

胶新铁路砂土液化区路基沉降规律研究

地震液化常给人们带来巨大损失,而剪切振动和循环荷载作用下的动力学效应常被认为是地震液化的主要原因,人们对剪切荷载作用下饱和砂土的液化问题进行了较多的研究,而对循环荷载作用下砂土液化的动力学效应研究较少。胶新铁路在DK39+000开始为高地震烈度区,DK283+550~DK283+770分布有地震可液化层,工程修建后列车动荷载的影响将会有诱发砂土液化的可能性。为了研究通车前自然沉降特征和通车后循环荷载作用下的路基沉降变形规律,本文在具体分析了砂土液化的概念和准则判别的基础上,重点分析了砂土液化区路基沉降特征,包括测试断面竖向分层沉降变形特征分析和路基水平位移特征分析。最后在试验的基础上,从理论上给出了循环荷载下砂土的本构关系。     

交通载荷作用下跨海桥梁-电缆组合结构随机振动分析

电缆沿桥跨海铺设是海缆铺设的一种新的形式, 针对由汽车和列车交通载荷诱发的沿跨海桥梁敷设电缆的振动问题, 建立了桥梁-电缆的整体组合结构分析模型, 将汽车和列车的作用载荷简化为移动的随机集中载荷序列, 发展虚拟激励法(pseudo-excitation method, PEM)用于分析移动随机载荷作用下电缆位移和应力响应的标准差及演变功率谱 (power spectral density, PSD), 并研究了汽车和列车运行速度对电缆动力响应标准差的影响. PEM将移动随机载荷问题转化为特定频率简谐移动载荷作用下的动力响应分析, 能够计算得到与Monte Carlo (MC) 方法非常吻合的电缆动力响应标准差, 但所需的时域响应分析次数远少于MC方法. 数值结果表明, 随着汽车和列车运行速度的提升, 电缆位移和应力标准差呈现增大的趋势; 在汽车和列车交通载荷作用下, 铝护套的位移标准差和功率谱的值比缆芯要大, 这可能会使得电缆的疲劳破坏首先发生在铝护套层, 本文工作对电缆沿桥跨海铺设实际工程具有一定的借鉴意义.      

既有裂缝、空洞病害隧道爆破振动安全控制标准

爆破荷载作用下，既有隧道衬砌的振动安全振速控制标准制定，大多以既有隧道完好为前提条件，不考虑病害因子对结构动力响应的影响，与实际不相符。为此，以既有新岭隧道旁拟建新隧道为工程背景，基于既有隧道衬砌裂缝和背后空洞的实际分布特征与规律，建立带裂缝与空洞的二维、三维结构模型，分析裂缝、空洞对衬砌动力响应的影响，提出以振速为指标的标准管理体系。结果表明:裂缝的最不利分布位置为迎爆侧边墙处，裂缝的存在增强了既有衬砌对S₁应力(拉应力)的响应，振速控制标准的制定应以S₁应力和裂缝径向深度为控制指标；当裂缝径向深度为(0～1/8)h、(1/8～1/2)h和＞(1/2)h（h为衬砌厚度）时，控制标准分别为12、10和8 cm/s。空洞的最不利分布位置为拱顶，空洞的存在增强了既有衬砌对S₁应力和振速的双重响应，以增强振速响应为主，振速控制标准的制定应以振速、空洞面积及纵向长度为控制指标，空洞工况下，控制标准为12 cm/s；空洞沿隧道纵向长度小于7 m时，监控范围为3～4倍纵长；空洞沿隧道纵向长度大于7 m时，监控范围为1～1.5倍纵长；纵向长度小时，倍数取大值。     

地质断层对地下结构震塌影响机理的动光弹试验研究

用动态光弹性试验模拟研究了地质断层对应力波的影响及相互作用,比较分析了冲击荷载作用下水平和30方向的裂缝的动态响应,得到指定点处的条纹级数 时间关系曲线图和应力 时间关系曲线图,研究了结构物顶部震塌的机理,试验结论可为防护结构的改进提供参考。     

高速铁路碎石道砟振动的离散元模拟

道砟振动对其磨损、破碎和道床累积变形有显著影响,为揭示高速车辆移动荷载作用下道砟动态响应特性,建立有砟道床离散元模型,开展车辆-轨道耦合动力学计算得到离散元模型输入荷载,模拟分析高速车辆以不同速度通过时有砟道床的振动响应,并与车辆-轨道耦合动力学计算结果进行对比分析。结果表明,轨枕、道砟和道床块振动位移波形相似,位移幅值沿道床深度方向减小,道床块振动位移与轨枕底面以下0.3m处道砟的振动位移相当;轨枕、道床块振动速度与加速度随行车速度提高而增大;受道砟颗粒间复杂相互作用的影响,道砟振动加速度会出现突变。道床离散元模型能合理反映道砟颗粒的振动响应特性,道床块模型体现了道床层在有砟轨道结构中的动力传递与减振特性,两种道床模型的计算结果具有一定的相似性。     

高速列车-轨道-路基耦合垂向振动特性分析

随着高速铁路的发展,列车运行速度和列车载重的不断提高,轨道结构承受的动载荷不断增大,其反复作用的结果必将导致轨道结构部件疲劳破坏更加突出,可靠性下降,并加速残余累积变形;反过来轨道结构部件的破坏,影响列车行驶的安全性和舒适性.因此,列车-轨道-路基耦合系统动力学问题越来越受到学术界的关注.采用统一模型法,建立车辆、钢轨、轨枕、道床和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,利用新型显式积分法对耦合系统运动方程进行数值积分计算,分析列车速度、轨枕间距、轨道不平顺及列车重量对列车运行的品质、动位移以及轨道结构振动的影响规律.对车辆运行速度的控制以及对轨道结构设计、施工和养护提供有用的参考.     

动荷载作用下高速铁路风积土地基动力特性试验研究

根据辽西地区的地震资料和波速测试资料,通过动三轴试验,进行了地震冲击荷载和列车振动荷载两种动荷载作用下辽西风积土地基的动力特性试验研究。研究结果表明,风积土的动强度、动变形和动模量等指标与荷载类型、持续时间、振动频率和动应力幅值等条件有关。在地震荷载作用下,动荷载频率和动应力幅值越大、震动持续时间越长,其产生的动应变越大;在高速列车振动荷载作用下,土的动强度和动抗剪强度随振动次数的增加而降低;固结比相同时,动弹性模量Ed和动剪切模量Gd随固结压力的增大而增大;随动应变εd的增大而减小,且初始时刻减小速度明显,之后逐渐变缓。     

车辆荷载作用下钢板组合连续梁桥桥面板应力分析

新型的双主梁钢板组合梁,钢板主梁间距较大,桥面板正应力在横桥向的分布更加不均匀,为了进一步研究钢板组合连续梁桥桥面板在车辆荷载作用下的剪力滞效应,采用有限元软件Midas/FEA进行了建模分析。着重研究了车辆荷载在横向与纵向作用位置变化时,对混凝土桥面板剪力滞效应的影响。结果表明:随着车辆荷载纵向作用位置的变化,不同工况下的剪力滞系数变化规律不尽相同,其中对车辆荷载纵向作用位置最敏感的截面是支点处截面以及正负弯矩变化的交界处;车辆荷载横向作用位置的变化对剪力滞影响较大,作用位置处的剪力滞系数在偏载时达到最大。因此,在设计阶段,应充分考虑车辆荷载作用位置变化对双主梁式钢板组合梁桥剪力滞效应的影响。并且对于这类宽跨比较大的桥型,当采用规范给出的有效宽度划分梁格时,对其应力做出修正。     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置,主桥采用欧拉伯努利梁,通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比,模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素,以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明,(1)合理有效地布置列车荷载轴距,可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外,避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应,即桥梁结构的基频共振;(2)随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大,桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少,对桥梁振动有着不同程度的减振效果;(3)通过合理安置液体粘滞阻尼器,可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应;(4)随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座,粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显;(5)随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座,粘滞阻尼器的减振效果略有提升,但不明显。     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置，主桥采用欧拉伯努利梁，通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比，模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素，以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明，（1）合理有效地布置列车荷载轴距，可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外，避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应，即桥梁结构的基频共振；（2）随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大，桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少，对桥梁振动有着不同程度的减振效果；（3）通过合理安置液体粘滞阻尼器，可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应；（4）随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座，粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显；（5）随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座，粘滞阻尼器的减振效果略有提升，但不明显。     

基于流固耦合方法的水轮机蜗壳结构振动及损伤机理研究

蜗壳流道内的内水压力是引起外围混凝土发生损伤的主要原因.基于流固耦合理论,并引入混凝土弹塑性损伤模型,建立了流体与蜗壳结构耦合振动分析的理论框架,提出了一套水轮机流道内水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动损伤的数值计算方法.首先基于有限体积法建立水轮机蜗壳流道流动的数值模型,同时采用有限元方法建立蜗壳结构固体区域的三维有限元模型;进而将流体区域边界上动水压力作为外荷载实时传递给固体区域边界进行三维有限元非线性损伤瞬态分析,实现了大型水轮机蜗壳结构中流体流场到固体应力、位移场的单向耦合三维数值分析.通过计算分析得到了水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动的响应规律以及混凝土损伤的发展规律.     

钢轨短波波磨的产生机理

通过对轮-轨系统进行动力学分析,指出高频率的能量传播主要集中于轮轨之间,在对轮-轨系统进行有限元分析的基础上,研究了轨道的受力情况和摩擦系数对应力分布的影响。讨论了轨道的弹塑变形和安定极限。     

页岩层理方位及强度对水力压裂的影响

为了研究页岩天然层理倾角及强度等对水力压裂裂纹扩展的影响,采用室内水力压裂实验,通过监测孔直接对裂纹扩展的实时监测和注水压力信息及试件压裂后的剖切,分析层理倾角、强度等对压裂裂纹扩展的影响。实验结果表明:水力压裂过程中,垂直最小地应力稳定扩展的主裂缝遇层理时,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越小,主裂缝越易沿着层理面方向扩展,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越大,主裂缝遇层理面时越易贯穿层理面沿原方向扩展;层理方位,地应力及基质抗拉强度不变,层理的抗拉强度远弱于基质抗拉强度时,主裂缝与层理面相遇后越易沿着层理面方向扩展,层理抗拉强度与基质抗拉强度越相近,主裂缝遇层理时越易贯穿层理沿原方向扩展;层理方位和强度不变,地应力及应力差越大,主裂缝遇层理后越易贯穿层理面沿原方向扩展。