TLV移动加载对轨道结构动态特性的影响分析

高 亮,赵 宁,柴雪松,蔡小培,赵 磊

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081;3.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室,北京 100044)

TLV移动加载对轨道结构动态特性的影响分析

高 亮1,3,赵 宁1,柴雪松2,蔡小培1,3,赵 磊1

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081;3.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室,北京 100044)

为探究轨道加载试验车(简称TLV)在高速、重载线路上移动加载测试时其合理的加载参数,建立“TLV—高速板式无砟轨道/重载有砟轨道—路基”空间耦合动力学模型,系统分析加载速度、加载力、轨道结构参数的变化对轨道结构动态特性的影响规律。结果表明:满足测试要求前提下,同等加载力下合理的移动加载速度建议参考值为40～50km/h;同等加载速度下移动加载力越大,可认为加载力参数越为合理;轨下结构刚度的增大使得TLV移动加载下测得的轨道部件动位移降低,振动响应增强;TLV移动加载下不同轨道结构部件的动态特性对于轨道结构参数变化的敏感程度不同。

TLV;移动加载;高速无砟;重载有砟;动态特性

1 概述

高速、重载线路在投入运营前须对线路的整体结构强度和稳定性进行评估;运营后须对线路状态进行检测,保证线路服役状态安全可靠。加载试验是线路综合检测最重要的环节,在美国、日本和瑞典等轨道技术水平较高的国家,均有专用于线路系统试验的移动式轨道加载试验车(Track Loading Vehicle,简称TLV)[13]。为了弥补我国线路工程理论研究及实验室缩尺或实尺模型试验研究的不足,鉴于移动加载技术在轨道整体性能测试中具有不可替代的作用[4],我国于2011年首次研制了六轴轨道加载车,对铁路线路开展现场综合检测及整体性能试验研究具有重要的科学价值和实际意义。

目前我国基于TLV的相关测试工作已经有序开展,但对于移动加载关键参数的合理取值尚不明确,也尚未从轨道结构的角度来探究移动加载对轨道部件动态特性的影响规律。为使TLV移动加载测试结果更加精确、可靠,拟借鉴现有的车轨耦合协同仿真技术[5-8],通过动力学仿真计算来系统分析高速、重载铁路在移动加载条件下关键参数的取值对轨道结构动态特性的影响,为后续加载试验的开展提供科学的理论依据和重要参考。

2 理论模型的建立

为了全面模拟TLV在不同轨道结构下的移动加载过程,根据TLV加载控制原理及车辆—轨道耦合动力学理论,详细考虑轨道结构的精细化特性,基于协同仿真技术建立了“TLV-高速板式无砟轨道-路基”和“TLV-重载有砟轨道-路基”耦合动力学有限元模型。

2.1 移动加载车体模型的建立

TLV移动加载的重要特点为移动加载的荷载必须稳定。传统车辆模型的轮对传力体系连接了车体与轨道,所以受到车体振动等因素影响下将无法保持轮轨力的稳定。通过建立独立加载轮对同时在车体施加荷载反力的处理方法,实现了移动加载基本控制为恒载的仿真模拟。移动加载车体模型如图1所示。

图1 移动加载车体模型

2.2 “TLV-高速板式无砟轨道-路基”模型的建立

本文所建立的“TLV-高速板式无砟轨道-路基”模型由钢轨、扣件系统、轨道板、CA砂浆垫层、混凝土支承层(路基上)、基床表层与基床底层等部分组成。无砟轨道线路整体有限元仿真模型如图2所示,主要参数取值见表1,其中扣件模型垂向刚度取值为50 MN/m,垂向阻尼取值为6×104N·s/m。

图2 TLV-高速板式无砟轨道路基整体计算模型

_表1 “TLV-高速板式无砟轨道-路基”模型主要参数取值

2.3 “TLV-重载有砟轨道-路基”模型的建立

同样,本文所建立的“TLV-重载有砟轨道-路基”模型由钢轨、扣件与胶垫、轨枕、道床层、基床表层与基床底层等部分组成。有砟轨道线路整体有限元仿真模型如图3所示,主要参数取值见表2。其中,扣件模型垂向刚度取值为75 MN/m,垂向阻尼取值为5×104N·s/m。

图3 TLV-重载有砟轨道路基整体计算模型

_表2 “TLV-高速板式无砟轨道-路基”模型主要参数取值_

2.4 模型可靠性验证

基于所建立的“TLV-高速板式无砟轨道/重载有砟轨道-路基”耦合动力学模型,在移动加载速度为60 km/h的条件下,对高速板式无砟轨道模型荷载施加为180 kN/轴、重载有砟轨道模型荷载施加为300 kN/轴,经仿真计算后分析轨道结构动力响应,部分结果见图4、图5(加载轮对约为26 kN)。

图4 移动加载下轮轨力仿真结果

由图4可知,TLV移动加载模型的轮轨力稳定,高速板式无砟轨道及重载有砟轨道模型轮轨力大小分别为103 kN和163 kN,基本为移动荷载与加载轮对自重之和(图中为单轮),仿真满足实际TLV加载力稳定的要求。由图5可知,高速板式无砟轨道及重载有砟轨道模型加载轮移动通过的钢轨垂向位移分别为1.08 mm和2.22 mm,与铁科研TLV移动加载现场实测数据对比见表3,两者相对误差均低于5%,证明了仿真模型的正确性和可行性。

图5 移动加载下钢轨垂向位移仿真结果

表3 模型计算结果与现场实测数据对比mm

3 移动加载关键参数的取值分析

3.1 合理移动加载速度分析

TLV测试应用前,需明确不同移动加载速度对于不同轨道结构综合刚度测试结果的影响,以便在合理的移动加载速度下获取较为准确的数据信息。TLV测试最大速度为60 km/h,故选取TLV移动加载速度分别为60、50、40 km/h和30 km/h这4种工况在同等加载力下进行仿真计算,同时以静载(表4中记作速度为0)作为对比工况。不同轨道结构轨道综合刚度仿真结果如表4所示[9-10],其结果对比分别见图6、图7。

_表4 不同轨道结构在不同移动加载速度下轨道综合刚度

由表4可知,高速铁路无砟轨道的实际综合刚度(即静刚度)大于重载有砟轨道的实际综合刚度。同种轨道结构在不同移动加载速度下所测试仿真的动刚度不同,且在相同速度条件下无砟轨道结构动刚度测试仿真结果大于有砟轨道结构动刚度。由图6、图7看出,移动加载速度60～30 km/h,轨道结构综合刚度测试仿真结果随速度降低而降低,且速度越低测试仿真结果越接近相应轨道结构真实的综合刚度(即静刚度)。这说明从测试功能角度来看,同等加载力下, TLV移动加载测试在满足测试条件的最低速度要求基础上,移动加载速度越低,所测试轨道结构力学特性越真实,轨道结构综合刚度越符合实际。

图6 不同移动加载速度下无砟轨道动静刚度对比

图7 不同移动加载速度下有砟轨道动静刚度对比

此外,根据文献[11]“移动加载速度低于40 km/h时部分测试工况下轮重减载率等指标超标”这一结论,兼顾移动加载的测试功能要求及经济可行性,建议TLV合理的移动速度为40～50 km/h。

3.2 合理移动加载力分析

在明确合理移动加载速度基础上,TLV可对线路施加恒定荷载,连续测试线路力学特性和弹性(刚度)性能,因此,探明不同加载荷载对轨道结构测试影响规律尤为重要。TLV移动加载(恒载)单轮垂向最大能力为175 kN,故选取240 kN/轴、270 kN/轴和300 kN/轴3种工况在相同移动加载速度下进行仿真计算,同时以静载(表5中记作移动加载力为0)作为对比工况。不同轨道结构轨道综合刚度仿真结果如表5所示,其结果对比分别见图8、图9。

由表5可知,高速铁路无砟轨道的实际综合刚度(即静刚度)大于重载有砟轨道的实际综合刚度。同种轨道结构在不同移动加载力下所测试仿真的动刚度不同,且在相同加载力条件下无砟轨道结构动刚度测试仿真结果大于有砟轨道结构动刚度。由图8、图9看出,移动加载力在240～300 kN范围内,轨道结构综合刚度测试仿真结果随加载力增大而降低,且加载力越大测试仿真结果越接近相应轨道结构真实的综合刚度(即静刚度)。这说明同等加载速度下,TLV移动加载测试在满足测试条件的最大加载力要求下,移动加载力越大,所测试轨道结构力学特性越真实,轨道结构刚度越符合实际,可认为移动加载力越为合理。

__表5 不同轨道结构在不同移动加载力下轨道综合刚度

图8 不同移动加载力下无砟轨道动静刚度对比

图9 不同移动加载力下有砟轨道动静刚度对比

4 移动加载下轨道结构参数对其动态特性影响

4.1 扣件刚度影响分析

在TLV移动加载速度为60 km/h、移动垂向恒载300 kN的条件下,分别计算了扣件刚度为30、40、50、60 kN/mm时高速铁路无砟轨道耦合模型的动力响应情况,以及扣件刚度为45、60、75、90 kN/mm时重载有砟轨道耦合模型的动力响应情况。仿真结果见表6、表7。

由表6、表7可看出,在TLV移动加载的条件下,随着扣件刚度的增加,高速铁路无砟轨道的钢轨垂向位移有所降低,降幅为13.49%;轨道板的垂向位移同样随扣件刚度增加而略微降低,但数值很小,基本为0.31～0.33 mm,降幅为8.25%;高速铁路无砟轨道的钢轨振动加速度随之增大,增幅为20.49%;轨道板的振动加速度有所增大,增幅为15.92%。此外随着重载铁路有砟轨道扣件刚度的增加,其钢轨垂向位移有所降低,降幅为8.84%;轨枕的垂向位移同样有所降低,降幅为17.16%;重载有砟轨道钢轨振动加速度有所增大,增幅为5.94%;轨枕的振动加速度有所增加,增幅为23.51%。

____表6 扣件刚度改变对无砟轨道结构动态特性的影响

____表7 扣件刚度改变对有砟轨道结构动态特性的影响

因此可知,由于扣件刚度的增加,造成轨道综合刚度的增加,在移动加载力恒定的条件下使得轨道各部件的垂向位移有所降低,而振动响应有所增强。TLV移动加载下扣件刚度改变对于不同轨道结构部件动态特性的影响程度不同,其中无砟轨道结构中钢轨较为敏感,所受影响较大,而有砟轨道结构中则轨枕较为敏感。

4.2 CA砂浆弹性模量影响分析

在TLV移动加载速度为60 km/h、移动垂向恒载300 kN的条件下,本节仿真分析兼顾了日本低弹模砂浆的取值(一般为100～300 MPa)[12],计算了砂浆弹性模量为200、4 000、7 000 MPa和10 000 MPa时高速铁路无砟轨道耦合模型的动力响应情况。仿真结果见表8。

表8 CA砂浆弹性模量改变对无砟轨道结构动态特性的影响

由表8可看出,在TLV移动加载的条件下,随着砂浆弹性模量的增加,高速铁路无砟轨道的钢轨垂向位移有所降低,降幅为9.64%;轨道板的垂向位移则略微降低,但位移较小,基本为0.33 mm左右,降幅约为7%;钢轨振动加速度随之增大,增幅为22.18%;轨道板的振动加速度有所增大,增幅为19.71%。

因此可知,由于无砟轨道砂浆弹性模量的增加,造成轨道综合刚度的增加,在移动加载力恒定的条件下使得无砟轨道各部件的垂向位移有所降低,而振动响应有所增强。TLV移动加载下CA砂浆弹性模量的改变对于无砟轨道结构各部件动态特性的影响程度不同,其中钢轨较为敏感,所受影响较大。

4.3 道床弹性模量影响分析

在TLV移动加载速度为60km/h、移动垂向恒载300 kN的条件下,分别计算了道床弹性为70、100、130、160 MPa时重载有砟轨道耦合模型的动力响应情况。仿真结果见表9。

_表9 道床弹性模量改变对有砟轨道结构动态特性的影响

由表9可看出,在TLV移动加载的条件下,随着道床弹性模量的增加,重载有砟轨道的钢轨垂向位移有所降低,降幅为11.98%;轨枕的垂向位移有所减小,降幅为14.28%;钢轨振动加速度随之增大,增幅为3.54%;轨枕的振动加速度有所增大,增幅为18.03%。

因此可知,由于有砟轨道道床弹性模量的增加,造成轨道综合刚度的增加,在TLV移动加载力恒定的条件下使得有砟轨道各部件的垂向位移有所降低,而振动响应有所增强。TLV移动加载下道床弹性模量的改变对于有砟轨道结构各部件动态特性的影响程度不同,其中轨枕较为敏感,所受影响较大。

5 结论

本文基于所建立的“TLV-高速板式无砟轨道-路基”和“TLV-重载有砟轨道-路基”耦合动力模型,通过以上仿真计算分析,得出结论如下。

(1)同种类型的轨道结构在TLV不同移动加载速度下的轨道动刚度不同,相同加载速度条件下无砟轨道结构动刚度大于有砟轨道结构动刚度。同等加载力情况下,TLV在兼顾移动加载的测试功能要求及经济可行性考虑下,建议TLV合理的移动速度为40～50 km/h。

(2)同种类型的轨道结构在TLV不同移动加载力下的动刚度不同,相同加载力条件下无砟轨道结构动刚度大于有砟轨道结构动刚度。同等加载速度下, TLV移动加载测试在满足测试条件的最大加载力要求下,移动加载力越大,可认为移动加载力越为合理。

(3)TLV移动加载在扣件刚度、CA砂浆弹性模量、道床弹性模量各自增大的情况下,均会造成相应轨道综合刚度的增加,轨道结构各部件的动位移有所降低,振动响应有所增强。

(4)TLV移动加载下,不同轨道结构部件的动态特性对于扣件刚度、CA砂浆弹性模量、道床弹性模量变化的敏感程度不同,无砟轨道结构中钢轨所受影响较大,而有砟轨道结构中轨枕所受影响较大。

今后对TLV开展的测试工作除结合以上结论外,还应兼顾加载车具体的功能要求与现场线路特点进行综合对比和优化,确保实际测试的安全、准确和合理。

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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

国家863计划项目(2011AA11A102);国家自然科学基金“重点”(U1234211);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2012JBZ011)

高 亮(1968—),男,教授,博士生导师,工学博士,E-mail: lgao@bjtu.edu.cn。