TLV移動加載對軌道結構動態特性的影響分析

高 亮,趙 寧,柴雪松,蔡小培,趙 磊

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所,北京 100081;3.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室,北京 100044)

TLV移動加載對軌道結構動態特性的影響分析

高 亮1,3,趙 寧1,柴雪松2,蔡小培1,3,趙 磊1

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所,北京 100081;3.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室,北京 100044)

為探究軌道加載試驗車(簡稱TLV)在高速、重載線路上移動加載測試時其合理的加載參數,建立“TLV—高速板式無砟軌道/重載有砟軌道—路基”空間耦合動力學模型,系統分析加載速度、加載力、軌道結構參數的變化對軌道結構動態特性的影響規律。結果表明:滿足測試要求前提下,同等加載力下合理的移動加載速度建議參考值為40～50km/h;同等加載速度下移動加載力越大,可認為加載力參數越為合理;軌下結構剛度的增大使得TLV移動加載下測得的軌道部件動位移降低,振動響應增強;TLV移動加載下不同軌道結構部件的動態特性對于軌道結構參數變化的敏感程度不同。

TLV;移動加載;高速無砟;重載有砟;動態特性

1 概述

高速、重載線路在投入運營前須對線路的整體結構強度和穩定性進行評估;運營后須對線路狀態進行檢測,保證線路服役狀態安全可靠。加載試驗是線路綜合檢測最重要的環節,在美國、日本和瑞典等軌道技術水平較高的國家,均有專用于線路系統試驗的移動式軌道加載試驗車(Track Loading Vehicle,簡稱TLV)[13]。為了彌補我國線路工程理論研究及實驗室縮尺或實尺模型試驗研究的不足,鑒于移動加載技術在軌道整體性能測試中具有不可替代的作用[4],我國于2011年首次研制了六軸軌道加載車,對鐵路線路開展現場綜合檢測及整體性能試驗研究具有重要的科學價值和實際意義。

目前我國基于TLV的相關測試工作已經有序開展,但對于移動加載關鍵參數的合理取值尚不明確,也尚未從軌道結構的角度來探究移動加載對軌道部件動態特性的影響規律。為使TLV移動加載測試結果更加精確、可靠,擬借鑒現有的車軌耦合協同仿真技術[5-8],通過動力學仿真計算來系統分析高速、重載鐵路在移動加載條件下關鍵參數的取值對軌道結構動態特性的影響,為后續加載試驗的開展提供科學的理論依據和重要參考。

2 理論模型的建立

為了全面模擬TLV在不同軌道結構下的移動加載過程,根據TLV加載控制原理及車輛—軌道耦合動力學理論,詳細考慮軌道結構的精細化特性,基于協同仿真技術建立了“TLV-高速板式無砟軌道-路基”和“TLV-重載有砟軌道-路基”耦合動力學有限元模型。

2.1 移動加載車體模型的建立

TLV移動加載的重要特點為移動加載的荷載必須穩定。傳統車輛模型的輪對傳力體系連接了車體與軌道,所以受到車體振動等因素影響下將無法保持輪軌力的穩定。通過建立獨立加載輪對同時在車體施加荷載反力的處理方法,實現了移動加載基本控制為恒載的仿真模擬。移動加載車體模型如圖1所示。

圖1 移動加載車體模型

2.2 “TLV-高速板式無砟軌道-路基”模型的建立

本文所建立的“TLV-高速板式無砟軌道-路基”模型由鋼軌、扣件系統、軌道板、CA砂漿墊層、混凝土支承層(路基上)、基床表層與基床底層等部分組成。無砟軌道線路整體有限元仿真模型如圖2所示,主要參數取值見表1,其中扣件模型垂向剛度取值為50 MN/m,垂向阻尼取值為6×104N·s/m。

圖2 TLV-高速板式無砟軌道路基整體計算模型

_表1 “TLV-高速板式無砟軌道-路基”模型主要參數取值

2.3 “TLV-重載有砟軌道-路基”模型的建立

同樣,本文所建立的“TLV-重載有砟軌道-路基”模型由鋼軌、扣件與膠墊、軌枕、道床層、基床表層與基床底層等部分組成。有砟軌道線路整體有限元仿真模型如圖3所示,主要參數取值見表2。其中,扣件模型垂向剛度取值為75 MN/m,垂向阻尼取值為5×104N·s/m。

圖3 TLV-重載有砟軌道路基整體計算模型

_表2 “TLV-高速板式無砟軌道-路基”模型主要參數取值_

2.4 模型可靠性驗證

基于所建立的“TLV-高速板式無砟軌道/重載有砟軌道-路基”耦合動力學模型,在移動加載速度為60 km/h的條件下,對高速板式無砟軌道模型荷載施加為180 kN/軸、重載有砟軌道模型荷載施加為300 kN/軸,經仿真計算后分析軌道結構動力響應,部分結果見圖4、圖5(加載輪對約為26 kN)。

圖4 移動加載下輪軌力仿真結果

由圖4可知,TLV移動加載模型的輪軌力穩定,高速板式無砟軌道及重載有砟軌道模型輪軌力大小分別為103 kN和163 kN,基本為移動荷載與加載輪對自重之和(圖中為單輪),仿真滿足實際TLV加載力穩定的要求。由圖5可知,高速板式無砟軌道及重載有砟軌道模型加載輪移動通過的鋼軌垂向位移分別為1.08 mm和2.22 mm,與鐵科研TLV移動加載現場實測數據對比見表3,兩者相對誤差均低于5%,證明了仿真模型的正確性和可行性。

圖5 移動加載下鋼軌垂向位移仿真結果

表3 模型計算結果與現場實測數據對比mm

3 移動加載關鍵參數的取值分析

3.1 合理移動加載速度分析

TLV測試應用前,需明確不同移動加載速度對于不同軌道結構綜合剛度測試結果的影響,以便在合理的移動加載速度下獲取較為準確的數據信息。TLV測試最大速度為60 km/h,故選取TLV移動加載速度分別為60、50、40 km/h和30 km/h這4種工況在同等加載力下進行仿真計算,同時以靜載(表4中記作速度為0)作為對比工況。不同軌道結構軌道綜合剛度仿真結果如表4所示[9-10],其結果對比分別見圖6、圖7。

_表4 不同軌道結構在不同移動加載速度下軌道綜合剛度

由表4可知,高速鐵路無砟軌道的實際綜合剛度(即靜剛度)大于重載有砟軌道的實際綜合剛度。同種軌道結構在不同移動加載速度下所測試仿真的動剛度不同,且在相同速度條件下無砟軌道結構動剛度測試仿真結果大于有砟軌道結構動剛度。由圖6、圖7看出,移動加載速度60～30 km/h,軌道結構綜合剛度測試仿真結果隨速度降低而降低,且速度越低測試仿真結果越接近相應軌道結構真實的綜合剛度(即靜剛度)。這說明從測試功能角度來看,同等加載力下, TLV移動加載測試在滿足測試條件的最低速度要求基礎上,移動加載速度越低,所測試軌道結構力學特性越真實,軌道結構綜合剛度越符合實際。

圖6 不同移動加載速度下無砟軌道動靜剛度對比

圖7 不同移動加載速度下有砟軌道動靜剛度對比

此外,根據文獻[11]“移動加載速度低于40 km/h時部分測試工況下輪重減載率等指標超標”這一結論,兼顧移動加載的測試功能要求及經濟可行性,建議TLV合理的移動速度為40～50 km/h。

3.2 合理移動加載力分析

在明確合理移動加載速度基礎上,TLV可對線路施加恒定荷載,連續測試線路力學特性和彈性(剛度)性能,因此,探明不同加載荷載對軌道結構測試影響規律尤為重要。TLV移動加載(恒載)單輪垂向最大能力為175 kN,故選取240 kN/軸、270 kN/軸和300 kN/軸3種工況在相同移動加載速度下進行仿真計算,同時以靜載(表5中記作移動加載力為0)作為對比工況。不同軌道結構軌道綜合剛度仿真結果如表5所示,其結果對比分別見圖8、圖9。

由表5可知,高速鐵路無砟軌道的實際綜合剛度(即靜剛度)大于重載有砟軌道的實際綜合剛度。同種軌道結構在不同移動加載力下所測試仿真的動剛度不同,且在相同加載力條件下無砟軌道結構動剛度測試仿真結果大于有砟軌道結構動剛度。由圖8、圖9看出,移動加載力在240～300 kN范圍內,軌道結構綜合剛度測試仿真結果隨加載力增大而降低,且加載力越大測試仿真結果越接近相應軌道結構真實的綜合剛度(即靜剛度)。這說明同等加載速度下,TLV移動加載測試在滿足測試條件的最大加載力要求下,移動加載力越大,所測試軌道結構力學特性越真實,軌道結構剛度越符合實際,可認為移動加載力越為合理。

__表5 不同軌道結構在不同移動加載力下軌道綜合剛度

圖8 不同移動加載力下無砟軌道動靜剛度對比

圖9 不同移動加載力下有砟軌道動靜剛度對比

4 移動加載下軌道結構參數對其動態特性影響

4.1 扣件剛度影響分析

在TLV移動加載速度為60 km/h、移動垂向恒載300 kN的條件下,分別計算了扣件剛度為30、40、50、60 kN/mm時高速鐵路無砟軌道耦合模型的動力響應情況,以及扣件剛度為45、60、75、90 kN/mm時重載有砟軌道耦合模型的動力響應情況。仿真結果見表6、表7。

由表6、表7可看出,在TLV移動加載的條件下,隨著扣件剛度的增加,高速鐵路無砟軌道的鋼軌垂向位移有所降低,降幅為13.49%;軌道板的垂向位移同樣隨扣件剛度增加而略微降低,但數值很小,基本為0.31～0.33 mm,降幅為8.25%;高速鐵路無砟軌道的鋼軌振動加速度隨之增大,增幅為20.49%;軌道板的振動加速度有所增大,增幅為15.92%。此外隨著重載鐵路有砟軌道扣件剛度的增加,其鋼軌垂向位移有所降低,降幅為8.84%;軌枕的垂向位移同樣有所降低,降幅為17.16%;重載有砟軌道鋼軌振動加速度有所增大,增幅為5.94%;軌枕的振動加速度有所增加,增幅為23.51%。

____表6 扣件剛度改變對無砟軌道結構動態特性的影響

____表7 扣件剛度改變對有砟軌道結構動態特性的影響

因此可知,由于扣件剛度的增加,造成軌道綜合剛度的增加,在移動加載力恒定的條件下使得軌道各部件的垂向位移有所降低,而振動響應有所增強。TLV移動加載下扣件剛度改變對于不同軌道結構部件動態特性的影響程度不同,其中無砟軌道結構中鋼軌較為敏感,所受影響較大,而有砟軌道結構中則軌枕較為敏感。

4.2 CA砂漿彈性模量影響分析

在TLV移動加載速度為60 km/h、移動垂向恒載300 kN的條件下,本節仿真分析兼顧了日本低彈模砂漿的取值(一般為100～300 MPa)[12],計算了砂漿彈性模量為200、4 000、7 000 MPa和10 000 MPa時高速鐵路無砟軌道耦合模型的動力響應情況。仿真結果見表8。

表8 CA砂漿彈性模量改變對無砟軌道結構動態特性的影響

由表8可看出,在TLV移動加載的條件下,隨著砂漿彈性模量的增加,高速鐵路無砟軌道的鋼軌垂向位移有所降低,降幅為9.64%;軌道板的垂向位移則略微降低,但位移較小,基本為0.33 mm左右,降幅約為7%;鋼軌振動加速度隨之增大,增幅為22.18%;軌道板的振動加速度有所增大,增幅為19.71%。

因此可知,由于無砟軌道砂漿彈性模量的增加,造成軌道綜合剛度的增加,在移動加載力恒定的條件下使得無砟軌道各部件的垂向位移有所降低,而振動響應有所增強。TLV移動加載下CA砂漿彈性模量的改變對于無砟軌道結構各部件動態特性的影響程度不同,其中鋼軌較為敏感,所受影響較大。

4.3 道床彈性模量影響分析

在TLV移動加載速度為60km/h、移動垂向恒載300 kN的條件下,分別計算了道床彈性為70、100、130、160 MPa時重載有砟軌道耦合模型的動力響應情況。仿真結果見表9。

_表9 道床彈性模量改變對有砟軌道結構動態特性的影響

由表9可看出,在TLV移動加載的條件下,隨著道床彈性模量的增加,重載有砟軌道的鋼軌垂向位移有所降低,降幅為11.98%;軌枕的垂向位移有所減小,降幅為14.28%;鋼軌振動加速度隨之增大,增幅為3.54%;軌枕的振動加速度有所增大,增幅為18.03%。

因此可知,由于有砟軌道道床彈性模量的增加,造成軌道綜合剛度的增加,在TLV移動加載力恒定的條件下使得有砟軌道各部件的垂向位移有所降低,而振動響應有所增強。TLV移動加載下道床彈性模量的改變對于有砟軌道結構各部件動態特性的影響程度不同,其中軌枕較為敏感,所受影響較大。

5 結論

本文基于所建立的“TLV-高速板式無砟軌道-路基”和“TLV-重載有砟軌道-路基”耦合動力模型,通過以上仿真計算分析,得出結論如下。

(1)同種類型的軌道結構在TLV不同移動加載速度下的軌道動剛度不同,相同加載速度條件下無砟軌道結構動剛度大于有砟軌道結構動剛度。同等加載力情況下,TLV在兼顧移動加載的測試功能要求及經濟可行性考慮下,建議TLV合理的移動速度為40～50 km/h。

(2)同種類型的軌道結構在TLV不同移動加載力下的動剛度不同,相同加載力條件下無砟軌道結構動剛度大于有砟軌道結構動剛度。同等加載速度下, TLV移動加載測試在滿足測試條件的最大加載力要求下,移動加載力越大,可認為移動加載力越為合理。

(3)TLV移動加載在扣件剛度、CA砂漿彈性模量、道床彈性模量各自增大的情況下,均會造成相應軌道綜合剛度的增加,軌道結構各部件的動位移有所降低,振動響應有所增強。

(4)TLV移動加載下,不同軌道結構部件的動態特性對于扣件剛度、CA砂漿彈性模量、道床彈性模量變化的敏感程度不同,無砟軌道結構中鋼軌所受影響較大,而有砟軌道結構中軌枕所受影響較大。

今后對TLV開展的測試工作除結合以上結論外,還應兼顧加載車具體的功能要求與現場線路特點進行綜合對比和優化,確保實際測試的安全、準確和合理。

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Analysis of TLV Mobile Loading Influence on Dynamic Characteristics of Track Structure

GAO Liang1,3,ZHAO Ning1,CHAI Xue-song2,CAI Xiao-pei1,3,ZHAO Lei1
(1.School of Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;3.Beijing Key Laboratory of Track Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

To explore the reasonable loading parameter when the Track Loading Vehicle(TLV)is under mobile loading test on high-speed railway and heavy-haul railway,the“TLV-Slab Ballastless Track& Heavy-haul Ballast Track-Subgrade”spatial coupling dynamic models is established.The influence on the dynamic characteristics of track structure based on TLV is systematically analyzed by setting up the loading speed,loading force and the parameter of track structure.The results suggest that the reasonable loading speed under the same loading force is 40～50 km/h on the premise of meeting the test requirements,and that the bigger the loading force,the more reasonable the loading parameters at the same loading speed.The increase of structure stiffness under the rail may lead to the decreasing of dynamic displacement and the enhanced vibration response of track component.The sensitivities of the dynamic characteristics of different track components under the mobile loading of TLV are different to the changes of the parameters of track structure.

TLV;Mobile loading;High-speed ballastless;Heavy-haul ballast;Dynamic characteristics

U213.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.001

1004-2954(2014)12-0001-05

2014-03-12;

2014-03-30

國家863計劃項目(2011AA11A102);國家自然科學基金“重點”(U1234211);中央高校基本科研業務費專項資金資助(2012JBZ011)

高 亮(1968—),男,教授,博士生導師,工學博士,E-mail: lgao@bjtu.edu.cn。