轨道动力学 轨道结构及轨下基础材料的动力特性及参数测试2014

1、轨道结构及轨下基础材料的动力特性及轨道结构及轨下基础材料的动力特性及参数测试参数测试轨道结构动力特性轨道结构的动力参数测试机车车辆参数测定轨道结构： 有砟轨道：普通铁路、速度250km/h高速铁路、城市轨道交通轨道部件：钢轨、扣件、轨枕、道床、轨道板、砂浆层、支承层、其他（凸形挡台）（1）有砟轨道城市轨道与铁道工程系城市轨道与铁道工程系无砟轨道结构城市轨道与铁道工程系受力： 列车荷载 温度力及温度梯度 损伤：板翘曲、混凝土裂缝无承轨台低弹模，半弹性半刚性,适应板的弯曲变形，使板下受力均匀纵横向定位、抵抗纵横向力（悬臂梁）不承受纵横向力及温度力。施工调整缓冲协调阻断裂纹填充树脂：减少温度力、减少

2、纵向冲击定位凸形挡台、承受并传递垂向和水平力、抵抗并吸收下部基础变形运营中出现裂纹形成真缝,使板变成串联宽轨枕防止板裂缝无规则产生和发展；吸收纵垂向变形，减少板内温度应力和翘曲应力；增加板的变形适应能力，保护高弹模砂浆层施工调整；约束定位轨道板；传递垂向、纵横向力定位轨道板；降低板内纵向温度压力；形成纵横向整体受力城市轨道与铁道工程系城市轨道与铁道工程系隔离桥梁和轨道的相互作用，减小桥梁伸缩引起的钢轨和板的纵向力桥梁固定支座上方,桥梁和底座板间设置预埋螺栓,将制动力和温度力向墩台传递减小梁端转角对无砟轨道结构的影响城市轨道与铁道工程系城市轨道与铁道工程系连续道床板防止因单元板端与板中位移差而造

3、成的支承层受力和变形不均匀，以及由此形成的对高速列车固定波长的激励源道床板中性轴附近配置纵向钢筋，承受纵向温度力并限制道床板裂纹宽度承载和传力；弹性模量过渡层；阻断裂纹发展；变形协调城市轨道与铁道工程系n“质量质量- -弹簧弹簧”系统系统特点：以道床为参振质量，道床下方设置弹簧来获取减振效果。 优点：参振质量高，弹簧刚度低。可以达到最好的减振效果， 适用于特别敏感地段。6.15m46cm18.5cm预应力制混凝土纵梁预应力制混凝土纵梁低刚性弹性等间隔支承低刚性弹性等间隔支承( (防振材料或防振装置防振材料或防振装置）钢制连接管钢制连接管纵向轨枕轨道部件性能各异 钢轨（刚度大） 扣件（刚度小弹性

4、大） 轨枕刚度较大 道床（有砟散体，弹性变化；无砟刚度大） 路基轨道结构总刚度 （钢轨+扣件（轨下垫层）+道床+路基）a. 均布质量b. 钢轨抗弯刚度（EJ） 与横截面积、轨头磨耗（轮廓形状）有关c. 钢轨头部轮廓形状钢轨位移公式 包括钢轨刚度在内的轨道总体刚度参数： 荷载 钢轨基础弹性系数k 刚比系数 轨道总刚度43642EJkkyPkzxxekPyxsincos2钢轨采用欧拉-伯努利梁瑞利-铁木辛柯梁时，钢轨梁具有扭转和剪切的功能钢轨的剪切变形特性只有在频率500Hz以下时才能被忽略 欧拉-伯努利梁计算时，pinned-pinned响应频率为f=1214Hz。实际上的pinned-pinn

5、ed响应频率会比这个计算频率低。 原因：钢轨模拟成欧拉-伯努利梁。当振动的波长与梁的高度相比较短时，欧拉-伯努利梁的结果不是很精确。只有在振动的波长远远大于梁的高度时，欧拉-伯努利梁的结果才会精确。但这种情况对钢轨来说不容易实现，因为60kg/m钢轨的高度为h=172mm，并不比pinned-pinned响应频率的波长小多少（ 2L=1.3m=7.5h）。实际上，钢轨的剪切变形和转动惯量同样对pinned-pinned响应频率有影响。为保证在列车荷载作用下，钢轨不产生过大的爬行量，要求当钢轨上作用有轮载或无轮载时，扣件弹簧和垫层弹簧都处于受压状态扣件垫板的刚度受荷载作用频率的影响不大，但对预加

6、荷载的大小很敏感，预加荷载越大，垫板越被压缩，其刚度越大。而垫板的阻尼损失因子却与预加荷载的大小无关，随频率变化而略微增加。开槽或小圆柱 根据槽深度和橡胶垫宽度分条计算刚度，之后各条弹簧刚度并联组合 单个小圆柱刚度之后并联 橡胶另一面计算同理，两面弹簧刚度串联垂向橡胶刚度调节轨道基础弹性 刚度小,弹性大,垂直力传递衰减大 刚度大,弹性小,垂直力传递衰减慢横向橡胶刚度调节轨道横向弹性 刚度大,横向力大,轨距动态位移控制较好 刚度小,横向力小,轨距动态扩大可能超限高速铁路有砟轨道垫层静刚度5070kN/mm，无砟轨道垫层静刚度2030kN/mm横向刚度2040kN/mm普速铁路90120kN/mm

7、，提速铁路5080kN/mm扣板式扣件圆弹簧的刚度扣压件前端刚度：扣压件对钢轨位移的追随性是无砟轨道钢轨扣件的重要设计参数，它直接影响扣件拧紧力的稳定程度、扣压件的应力波动和抵抗钢轨小返的能力a. 轨枕间距b. 轨枕均布质量(一半轨枕)aWmss2如果采用欧拉-伯努利梁理论来描述轨枕的振动，可以在轨枕自振频率和第一、二阶振动模态上和测量值较好地吻合，如果想要分析轨枕更高频率的振动，就必须用瑞利-铁木辛柯梁理论来描述轨枕。a. 道床参振的均布质量道床应力均布刚度计算方法道床应力非均布刚度计算方法 分层计算道床应力均布刚度计算方法 道床刚度与道砟弹性模量有关，以道砟内摩擦角向下扩散 不考虑相邻轨枕

8、影响，半根轨枕道床应力非均布刚度计算方法 荷载作用中心，道砟中的应力最大 离荷载作用中心越远，道砟中的应力越小，因此道砟的下沉量也是非均匀的 道床刚度：道床上作用的集中荷载除以道床下沉量（最大下沉量而非平均下沉量）Winkler假定假定路基模量为平均值质量 均布质量 集总质量刚度 均布弹簧刚度 集总弹簧刚度集总质量和均布质量的关系 弹性地基梁上分布质量的动量与集总质量的动量相等集总刚度和均布刚度的关系 分布质量条件下和集总质量条件下在荷载作用点处钢轨的下沉量相等CA砂浆弹性模量随着CA砂浆弹性模量提高，底座板纵横向弯矩增大、轨道板纵横向弯矩减小，砂浆弹模对轨道板弯矩影响较大；CA砂浆弹性模量对

9、轨道各动力学指标影响不大；动位移差反映CA砂浆对其上下位移的协调能力Eisenmann计算模型为控制裂缝，支承层应力不应大于道床板应力，即支承层弹性模量不宜过大支承层弹性模量越高，基床压应力越小，但依靠提高支承层弹模来降低基床压应力没多大必要，应该采取合理的支承层结构形式轨道结构的动力响应特性可以通过在轨道上施加荷载来进行调查分析 采用液压千斤顶在轨道上施加正弦波荷载，可以分析200Hz频率内的轨道结构动力响应； 采用冲击锤加载，可以分析更高频率的轨道结构动力响应。频率2040Hz时的响应（或称刚度），主要与路基刚度有关，是体现出整个轨道结构在以路基层为基础的弹性材料上振动。频率50300Hz

10、的响应，主要与有砟轨道的轨排和道床有关，轨排和道床形成质量-弹簧系统，同时道砟也起到了良好的阻尼效果；频率在200600Hz的响应，主要与钢轨-扣件-轨枕组成的质量弹簧系统有关，而道砟提供了大部分的阻尼效果；频率在1000Hz左右的响应，即pinned-pinned响应。该响应的峰值很窄，说明这个频段的阻尼效果较差。这种高频振动响应一般在钢轨弯曲波长大约是两倍轨枕间距时候发生。钢轨弯曲时因为有轨枕支承，荷载作用的能量无法由有效的阻尼进行衰减，所以荷载无法通过扣件、轨枕有效地传递下去，而会沿钢轨纵向以振动方式传播。如果荷载作用在两根轨枕中间的钢轨上，加载频率等于或接近pinned-pinned频

11、率时，轨道的pinned-pinned响应会很容易激发出来。这时，在单位激振力作用下，钢轨产生较大变形，振动频率在800Hz1000Hz。 用试验的方法测量运动机械或工程结构受外界激励（包括环境激励）或运动过程中重要部位的力、位移、速度、加速度等运动量， 了解机械或结构的工作状态或动力学特性，如列车运行安全、轨道受力状态、结构固有频率、振型、阻尼、刚度等特性参数，为机械或结构与环境相互影响和作用进行调整和优化。振动测试与理论计算的关系 相辅相成 结构动态变形和内力不仅与动力荷载的性质、数量、大小、作用方式、变化规律及结构本身动力特性有关，而且与结构组成形式、材料有关，实际工程非常复杂，仿真分析

12、可以解决许多结构振动方面的问题，但所依据的模型和边界条件往往很难确定，对复杂结构或牵涉复杂的非线性机理时，靠理论和仿真分析都是不够的，进行现场和实验室测试工作不可或缺。振动测试的基本内容 系统的激励、响应、振动特性 已知激励和系统振动特性，求响应（振动量的测量） 已知激励和响应，求系统振动特性（参数识别） 已知系统的振动特性和响应，求激励（环境预测）分析不同机车车辆类型、运行条件、轨道结构参数条件下，轨道结构动力特性；不同轨道结构材料、不同轨道结构形式对轨道结构振动的影响现场测试 轮轨力：垂向力、横向力、轮对横向力 位移：钢轨、轨枕 加速度：钢轨、轨枕、基础 安全参数：脱轨系数、轮重减载率实验

13、室测试 落轴试验 冲击锤试验 激振试验a. 力垂直力剪应力法轨道垂直力P标定方法：水平力测试贴片组桥方法剪应力法横向水平力轨道横向力Q标定方法：轮轨垂直力波形(V=180km/h) 轮轨横向力波形(V=180km/h) 枕上压力传力比：轮轨垂直力和枕上压力的之比b 位移钢轨垂、横向位移；轨枕垂向位移激光位移传感器道床系数C的测定道床横向阻力的测定c. 加速度d. 安全参数南京长江大桥有砟桥弹性改善 提速条件下，大桥轨道结构组成分为有砟+明桥面+有砟，有砟轨道的道砟厚度不足，出现道床稳定性差、变形快、维修周期短等； 大桥出现明显的刚度差异，造成线路刚度不均匀，直接影响列车的运行品质。轮轨垂直力钢轨垂直位移各趟列车每个机车轮对在明桥和30mm道砟垫处上引起的钢轨垂向位移比较加速度a 落轴试验：最早用于测定轨道刚度、轨道结构自振频率落轴试验原理簧下质量为参振质量落轴高度冲击速度新型扣件系统的振动性能测试WJ-2扣件：落轴高度25mmb. 冲击锤试验Track ReceptanceTr