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        新型鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性影響因素分析

        2019-08-27 01:10:18張鵬飛雷曉燕
        關(guān)鍵詞:軌下膠墊鋼軌

        張鵬飛,朱 勇,雷曉燕

        (華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

        鐵路線路是由不同特點(diǎn)、性質(zhì)迥異的構(gòu)筑物(橋、隧、路基等)和軌道構(gòu)成的。不同線路結(jié)構(gòu)的剛度差異顯著,在列車通過時(shí)引起軌面的位移響應(yīng)不一致,同時(shí),不同結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)沉降也不均勻,特別是在過渡點(diǎn)附近極易產(chǎn)生變形而導(dǎo)致軌面發(fā)生彎折。當(dāng)列車高速通過時(shí),車輛與線路相互動(dòng)力作用加劇,造成軌面嚴(yán)重不平順,加速線路狀態(tài)的惡化,增加線路的養(yǎng)護(hù)維修頻率和費(fèi)用,嚴(yán)重時(shí)甚至威脅行車安全。因此,亟待開展過渡段基礎(chǔ)沉降病害整治技術(shù)研究。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軌道過渡段基礎(chǔ)沉降病害整治技術(shù)研究主要集中針對(duì)既有線路或新建線路上路基加固或剛度平穩(wěn)過渡[1-5]。廖進(jìn)星[6]指出了過渡段和地基沉降不均勻地段,采用不同地基加固處理措施組合、過渡等方法,可實(shí)現(xiàn)控制工后沉降且沉降均勻過渡的目的;劉好正[7]研究發(fā)現(xiàn)擠密樁復(fù)合地基對(duì)于消除黃土地基濕陷性、控制工后沉降的效果十分明顯;趙新益等[8]等對(duì)鐵路軟土不同地基處理方法的地基受力變形特性及沉降控制效果進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和研究;師楊楊[9]對(duì)高速鐵路路基沉降病害的成因及整治技術(shù)現(xiàn)狀作了較為詳細(xì)的介紹,指出了各類現(xiàn)有的沉降病害整治方法;姚建平[10]提出了一套適用于運(yùn)營(yíng)高速鐵路路基沉降整治的精細(xì)化管控技術(shù);徐實(shí)[11]研究發(fā)現(xiàn)采用灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基,工后沉降量能滿足高速鐵路有砟軌道路基工后沉降要求。

        王鑄、宋緒國(guó)[12]提出了斜向水泥土樁法用于列車運(yùn)行條件下路基快速加固的施工工藝,并提出了保證施工安全和行車安全措施以及施工中應(yīng)注意的事項(xiàng);郭戰(zhàn)偉[13]詳細(xì)介紹了幾種路基加固及病害防治方法,并應(yīng)用于既有線上,效果表現(xiàn)良好;仲新華等[14-15]配制出了一種改性聚氨酯注漿材料,并通過工程應(yīng)用證明了該材料可滿足高速鐵路路基加固實(shí)際需求;羅強(qiáng)、蔡英[16]詳細(xì)闡述了鐵路線路路橋過渡段沉降的技術(shù)處理措施,提出了路橋過渡段的構(gòu)造及填料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)建議;謝文良等[17]介紹了高速鐵路路橋過渡段沉降差異的形成原因,分析了路基沉降變形和路基填土壓實(shí)度之間的關(guān)系,并提出了相關(guān)解決措施;陳果元等[18]結(jié)合秦沈客運(yùn)專線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及理論分析,得出了土工格柵過渡段比級(jí)配碎石過渡段更能減小地基總沉降量和工后沉降的結(jié)論;G.M. Stoyanovich等[19]研發(fā)了鋼筋混凝土板、框架和整體混凝土板的幾種設(shè)計(jì),從而使得剛度平穩(wěn)過渡,減少了殘余變形的積累。已有研究對(duì)減少過渡段沉降和降低剛度變化率具有一定效果,但缺乏自動(dòng)性和實(shí)時(shí)性,且整治技術(shù)施工工藝繁瑣。因此,及時(shí)、有效的整治過渡段基礎(chǔ)沉降病害對(duì)保證鐵路安全、平穩(wěn)、舒適運(yùn)行具有重要意義與應(yīng)用價(jià)值。

        本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有對(duì)過渡段軌下基礎(chǔ)沉降病害整治技術(shù)的研究現(xiàn)狀,基于有砟軌道混凝土枕結(jié)構(gòu)形式,提出一種可以替代既有軌枕并且能夠自動(dòng)補(bǔ)償軌下基礎(chǔ)沉降的新型鋼枕。為研究新型鋼枕軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響,基于有限元法,建立新型鋼枕軌道-路基空間耦合模型,分析軌下膠墊剛度、鋼枕間距以及道床彈性模量3種軌道參數(shù)對(duì)鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。

        1 新型鋼枕結(jié)構(gòu)概況

        1.1 鋼枕結(jié)構(gòu)組成

        新型鋼枕是由45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼為主要組成材料,內(nèi)置沉降補(bǔ)償裝置的新型軌枕,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐久性好。鋼枕整體三維外觀如圖1所示,具體結(jié)構(gòu)尺寸為:長(zhǎng)2 600 mm,軌下高度210 mm,中間高度165 mm,寬度320 mm;鋼枕承軌槽處內(nèi)置沉降補(bǔ)償裝置,如圖2所示,其余部分結(jié)構(gòu)內(nèi)置空心,其頂板厚度為20 mm,側(cè)板厚度為30 mm,底板厚度為20 mm,端部厚度為50 mm。

        圖1 鋼枕整體三維外觀

        圖2 沉降補(bǔ)償裝置核心部件示意

        鋼枕沉降補(bǔ)償裝置內(nèi),升降塊通過扣件與鋼軌連接,且與鋼板之間靠交錯(cuò)排列的鋸齒嚙合;鋼板通過彈簧塊與鋼枕側(cè)壁相連,其上、下表面與鋼枕頂、底面內(nèi)壁通過鋼棒緊密接觸,鋼棒放置于鋼枕頂、底面內(nèi)壁的凹槽內(nèi);螺桿一端與鋼板的中心處固定,另一端穿過鋼枕側(cè)壁直達(dá)鋼枕外表面,螺桿表面除鋼枕外表面部分有螺紋,通過螺帽貼于鋼枕外壁上,其余部分全光滑。

        1.2 鋼枕工作原理

        新型鋼枕利用升降塊和鋼板之間的鋸齒互鎖,通過鋼軌彈性恢復(fù)力的觸發(fā)作用,自動(dòng)調(diào)節(jié)高度,補(bǔ)償基礎(chǔ)沉降量,進(jìn)而使線路始終保持平順狀態(tài)。當(dāng)列車車輪經(jīng)過時(shí),車輪對(duì)鋼軌產(chǎn)生的作用力經(jīng)升降塊、鋸齒、鋼板、鋼棒和鋼枕底面?zhèn)鬟f到道床上,此時(shí)升降塊與鋼板依靠鋸齒相互嚙合,鋸齒產(chǎn)生互鎖;如果基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降,鋼軌將產(chǎn)生彈性彎曲變形,同時(shí)也帶動(dòng)鋼枕產(chǎn)生變形;當(dāng)列車車輪離開時(shí),鋼軌的彈性變形恢復(fù),隨即產(chǎn)生向上的彈性恢復(fù)力,升降塊將同鋼軌一起向上運(yùn)動(dòng);此時(shí),升降塊上的鋸齒擠壓鋼板上鋸齒,由于鋼棒的滾動(dòng)效應(yīng),彈簧塊將發(fā)生壓縮,使得鋼板被擠壓往鋼枕兩側(cè)內(nèi)壁移動(dòng),同時(shí)升降塊隨鋼軌一起向上運(yùn)動(dòng);由于鋼枕的自重以及道床能夠提供足夠的縱橫向阻力,鋼枕與道砟保持緊密接觸不變,即升降塊向上運(yùn)動(dòng)的位移量為軌下基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降量,使得軌面保持初始高度不變。

        2 計(jì)算模型及參數(shù)

        2.1 模型建立

        新型鋼枕軌道結(jié)構(gòu)如圖3所示。從上往下依次為:60 kg/m鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、新型鋼枕、道床、路基。

        圖3 新型鋼枕軌道結(jié)構(gòu)

        為避免模型邊界效應(yīng)引起的計(jì)算誤差,建立含24跨新型鋼枕的軌道-路基空間耦合有限元模型,如圖4所示。對(duì)鋼軌兩端截面全約束,同時(shí)全約束路基底面。

        圖4 新型鋼枕軌道-路基空間耦合模型

        2.2 模型參數(shù)

        鋼軌采用SOLID 45實(shí)體單元模擬,在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下,對(duì)鋼軌截面廓形適當(dāng)簡(jiǎn)化;扣件采用COMBIN 14彈簧單元模擬;新型鋼枕采用SOLID 45實(shí)體單元模擬;道床[20]和路基均采用SOLID 45實(shí)體單元模擬。鋼枕軌道結(jié)構(gòu)基本參數(shù)[21]如表1所示。

        2.3 模型加載

        本文計(jì)算以CRH2型列車為例,基于多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立CRH2型列車模型,其參數(shù)取值見文獻(xiàn)[22],考慮我國(guó)合武客運(yùn)專線軌道譜較為適合路基有砟軌道結(jié)構(gòu)高低不平順,因此,采用我國(guó)合武客運(yùn)專線軌道譜作為系統(tǒng)的激勵(lì),考慮列車以200 km/h的速度通過直線線路,運(yùn)行距離為1 000 m。經(jīng)計(jì)算,垂向輪軌力時(shí)程曲線如圖5所示。

        表1 模型計(jì)算基本參數(shù)

        圖5 垂向輪軌力時(shí)程曲線

        考慮列車前后轉(zhuǎn)向架引發(fā)的軌道反應(yīng)相互不疊加,僅模擬單一轉(zhuǎn)向架下雙輪對(duì)的垂向列車荷載。由圖5可知,CRH2型列車通過直線段的最大輪軌力為96.166 kN,即按列車固定軸距對(duì)兩根鋼軌對(duì)稱施加大小為96.166 kN的垂向力P,為減小分析規(guī)模,取新型鋼枕軌道中間12跨軌枕范圍內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,加載示意如圖6所示。值得注意的是,當(dāng)鋼枕間距發(fā)生改變時(shí),4號(hào)鋼枕對(duì)應(yīng)的垂向力P位置仍保持不變,僅8號(hào)鋼枕對(duì)應(yīng)的垂向力P位置隨之改變。

        圖6 模型加載示意(單位:mm)

        3 軌道參數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響

        針對(duì)軌下膠墊剛度、鋼枕間距和道床彈性模量3種參數(shù),分別計(jì)算列車荷載作用下不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)受力特性,分析這3種參數(shù)對(duì)鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。

        3.1 軌下膠墊剛度的影響

        考慮軌下膠墊剛度大小對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響,軌下膠墊剛度分別取50,60,70,80,90 kN/mm,扣件間距取0.6 m,道床彈性模量取150 MPa,其他參數(shù)取值見表1。計(jì)算列車荷載作用下鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性,分析軌下膠墊剛度對(duì)鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

        表2 不同軌下膠墊剛度下軌道結(jié)構(gòu)受力變形最大值

        從表2可以看出,軌下膠墊剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特性影響比較顯著,特別是對(duì)鋼軌的受力特性影響較大。隨著軌下膠墊剛度的增大,鋼軌位移遞減顯著,但鋼枕、道床和路基位移均隨之遞增;同時(shí),鋼軌軌頭應(yīng)力呈略微減小趨勢(shì),鋼枕、道床和路基應(yīng)力均隨之遞增。

        當(dāng)軌下膠墊剛度從50 kN/mm增大到90 kN/mm時(shí),在軌道位移方面,鋼軌位移減小了32.8%,鋼枕位移增大了16.7%,道床位移增大了16.5%,路基位移增大了15.0%;在軌道應(yīng)力方面,鋼枕應(yīng)力增大了17.1%,道床和路基應(yīng)力分別增大了18.3%和16.5%。

        綜合上述,軌下膠墊剛度對(duì)鋼軌受力特性的影響最為顯著,隨著軌下膠墊剛度的增大,鋼軌的受力與變形均隨之減小,這對(duì)鋼軌的使用狀態(tài)是有利的,但與此同時(shí)增大了鋼枕、道床和路基的受力與變形。因此,需要對(duì)軌下膠墊剛度進(jìn)行合理的選取。

        3.2 鋼枕間距的影響

        考慮鋼枕間距大小對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響,鋼枕間距分別取1 600,1 667,1 760,1 840根/km,軌下膠墊剛度取60 kN/mm,道床彈性模量取150 MPa,其他參數(shù)取值見表1。計(jì)算列車荷載作用下鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性,分析鋼枕間距對(duì)鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

        表3 不同鋼枕間距下軌道結(jié)構(gòu)受力變形最大值

        從表3可以看出,鋼枕間距對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特性影響比較明顯;總體上看,減小鋼枕間距能夠減小軌道結(jié)構(gòu)受力與變形;當(dāng)鋼枕間距從1600根/km減小到1840根/km時(shí),在軌道位移方面,鋼軌位移減小了11.5%,鋼枕位移減小了8.9%,道床位移減小了7.9%,路基位移減小了2.2%;在軌道應(yīng)力方面,鋼軌軌頭應(yīng)力呈略微減小趨勢(shì),鋼枕應(yīng)力減小了10.0%,道床應(yīng)力和路基應(yīng)力分別減小了12.6%和5.5%。

        綜合上述,減小鋼枕間距有利于減小軌道結(jié)構(gòu)受力,但鋼枕間距太小會(huì)加大對(duì)道砟搗固的作業(yè)難度,增加養(yǎng)護(hù)維修工作量和維修成本。因此,鋼枕間距需在合理范圍內(nèi)選取。

        3.3 道床彈性模量的影響

        考慮道床彈性模量大小對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響,道床彈性模量分別取70,90,110,130,150 MPa,扣件間距取0.6 m,軌下膠墊剛度取60 kN/mm,其他參數(shù)取值見表1。計(jì)算列車荷載作用下鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性,分析道床彈性模量對(duì)鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

        從表4可以看出,道床彈性模量對(duì)鋼軌和路基的受力特性影響較小,對(duì)鋼枕和道床的受力特性影響較顯著;隨著道床彈性模量的增大,軌道各部件位移均隨之減小,與此同時(shí),鋼軌軌頭應(yīng)力變化較小,鋼枕和道床應(yīng)力均隨之增大,路基應(yīng)力隨之略微減小。

        當(dāng)?shù)来矎椥阅A繌?0 MPa增大到150 MPa時(shí),在軌道位移方面,鋼軌位移減小了1.2%,鋼枕位移減小了15.6%,道床位移減小了23.5%,路基位移減小了10.1%;在軌道應(yīng)力方面,鋼枕應(yīng)力增大了15.6%,道床應(yīng)力增大了17.4%,路基應(yīng)力減小了7.3%。

        表4 不同道床彈性模量下軌道結(jié)構(gòu)受力變形最大值

        綜合上述,增大道床彈性模量可以減小鋼枕軌道結(jié)構(gòu)變形,但同時(shí)會(huì)增大鋼枕和道床的受力。因此,道床彈性模量應(yīng)在合理范圍內(nèi)取值。

        4 結(jié)論

        提出一種能夠自動(dòng)補(bǔ)償基礎(chǔ)沉降的新型鋼枕,建立了新型鋼枕軌道-路基空間耦合模型,分析了軌下膠墊剛度、鋼枕間距以及道床彈性模量等參數(shù)對(duì)鋼枕軌道結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下。

        (1)軌下膠墊剛度對(duì)鋼軌受力特性的影響最為顯著,隨著軌下膠墊剛度的增大,鋼軌的受力與變形均隨之減小,這對(duì)鋼軌的使用狀態(tài)是有利的,但與此同時(shí)增大了鋼枕、道床和路基的受力與變形。

        (2)減小鋼枕間距能夠減小軌道結(jié)構(gòu)受力與變形,但鋼枕間距太小會(huì)加大對(duì)道砟搗固的作業(yè)難度,增加養(yǎng)護(hù)維修工作量和維修成本。因此,鋼枕間距需在合理范圍內(nèi)選取。

        (3)增大道床彈性模量可以減小軌道結(jié)構(gòu)變形,但同時(shí)增大了鋼枕和道床的受力。

        綜上以上分析,建議對(duì)軌下膠墊剛度、鋼枕間距和道床彈性模量等參數(shù)綜合考慮后合理選取。

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