CN103015280A - 轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置 - Google Patents

轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置 Download PDF

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蒋红光
徐翔
陈仁朋
陈云敏
蒋建群
程翀
金皖锋
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Abstract

本发明公开了一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置。多个作动器在沿轨道方向的轨枕正上方布置，每个作动器底部在分配梁跨中处连接，分配梁两端底部安装在两侧钢轨正上方，两条连续的钢轨铺设在轨枕上，分别在轨枕位置正上方切断成相互独立的分段钢轨，每对分段钢轨和轨枕用扣件系统连接。防脱套件实现作动器竖向压力、上拔力的施加。根据列车-轨道-路基理论模型确定在不同移动速度下轮轴移动作用的单个扣件系统的受力荷载时程曲线，作为每个作动器的荷载激励曲线，相邻作动器沿轮轴移动方向以相同时间间隔依次进行动态激振，实现不同速度下轮轴移动荷载的模拟加载。本发明为开展轨道交通动力学模型试验研究提供了可靠便捷的加载平台。

Description

轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置
技术领域
本发明涉及一种荷载加载方法及装置，尤其是涉及一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置。
背景技术
我国正处于轨道交通快速发展的阶段，无论是城际普通铁路和高速铁路，还是城市地铁和轻轨，都处于快速建设过程中。伴随着轨道交通设施的建设和投入运营，越来越多的工程问题凸显出来。在列车高速通过时荷载通过轮轴与钢轨的相互作用传递至线下结构，与传统的定点循环加载相比，轮轴与钢轨的作用具有典型的移动效应和速度效应，随着轮轴的移动，轨下各结构层沿着列车行进方向经历相同的加载过程。这种不同于固定点加载的受力方式，导致了轨道结构和路基结构呈现出不同的动力性能。因此，实现列车轮轴荷载移动过程的有效模拟，对研究轨道交通基础设施真实的动力性能至关重要。目前，轮轴荷载模拟的试验手段主要有室内模型试验和现场原位测试两种。室内模型试验受到场地尺寸和行车速度的限制，不易实现真车的高速移动加载；现场原位测试虽然可以采用真实的轮轴移动过程，但所处的环境比较复杂不易控制，可重复性较差。现有的轮轴动荷载模拟装置，如可调频调幅SBZ30动态激振器，采用偏心块的快速转动产生竖向激振力，可以实现固定位置的高频激振，不足之处是：无法实现轮轴荷载的移动性；模拟高速交通移动荷载作用的试验系统，采用由离心旋转电机控制的正反向移动加载器，带动竖向激振器实现轮轴荷载的移动加载，但由于尺寸限制，无法实现轮轴荷载的以较高的速度匀速移动。
发明内容
为了克服现有室内模型试验和现场原位测试的不足，本发明的目的在于提供一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置，实现轮轴荷载高速移动。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一、一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法，包括以下步骤：
步骤1）通过列车-轨道-路基理论模型计算确定不同移动速度                                               
Figure 2012105737744100002DEST_PATH_IMAGE002
下轮轴移动荷载作用的单个扣件系统的受力荷载时程曲线； 
步骤2）按高速铁路设计规范轨枕沿轨道方向的间距为，通过扣件系统将钢轨与轨枕进行连接，两条连续的钢轨分别在轨枕位置正上方处切断为多对相互独立的分段钢轨，钢轨与轨枕之间的连接特性保持不变；
步骤3）在步骤2）中的每一对分段钢轨正上方均布置一条分配梁，分配梁跨中处上方连接一个作动器，将步骤1）得到的单个扣件系统的受力荷载时程曲线，作为每个作动器的荷载激励曲线；
步骤4）步骤3）中每个作动器的荷载激励曲线均相同，每个作动器开始激振存在时间间隔，相邻作动器激振的时间间隔
Figure 2012105737744100002DEST_PATH_IMAGE006
由轨枕的间距
Figure 729107DEST_PATH_IMAGE004
和移动速度确定：  
Figure 2012105737744100002DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤5）沿轮轴移动方向相邻作动器通过按照步骤4）所述的时间间隔依次进行动态激振，即实现不同移动速度轮轴移动荷载的模拟加载。
二、一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载装置：
多个作动器在按照高速铁路每条轨枕沿轨道方向的正上方布置，每个作动器底部用高强螺栓在分配梁跨中处连接，分配梁两端底部固定安装在两侧钢轨正上方，两条连续的钢轨铺设在轨枕上，分别在轨枕位置正上方切断成相互独立的分段钢轨，每对分段钢轨和轨枕用扣件系统连接，轨枕下方为道床、道床下方为地基。
所述的每个作动器顶部连接在反力横梁跨中处，每根反力横梁两端固定在两根反力纵梁上，每根反力纵梁的两端连接在两根支撑柱上，每根支撑柱底部固定在地面上。 
所述的分配梁两端底部固定安装在每对分段钢轨正上方的装置是防脱套件，其实现作动器竖向压力的施加，也实现作动器上拔力的施加。
本发明具有的有益效果是：
（1）两条钢轨分段后，相邻作动器以单个扣件系统的受力荷载时程曲线为荷载激励曲线，并沿轮轴移动方向以相同时间依次动态激振，从而代替实体列车轮轴模型实现不同速度下的轮轴荷载的移动加载；（2）防脱套件实现作动器竖向压力的施加，也实现作动器上拔力的施加。（3）避免了行车速度提高所需要的长距离加速路段，大大缩小了室内试验模型的尺寸，为开展轨道交通动力学模型试验研究提供了可靠便捷的加载平台。
附图说明
图1是本发明装置横向示意图。
图2是本发明装置纵向示意图。
图3是一段钢轨连接横向示意图。
图4是一段钢轨连接纵向示意图。
图5是轮轴移动下列车-轨道-路基理论模型原理图。
图6是作动器荷载激励曲线。
图中：1、作动器，2、分配梁，3、防脱套件，4、高强螺栓，5、扣件结构，6、钢轨，7、轨枕，8、道床，9、地基，10、反力横梁，11、反力纵梁，12、支撑柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本实施例在图1和图2所示轨道交通轮轴移动荷载模拟加载装置上进行，选用有砟轨道结构，扣件系统5选用WJ-7型，钢轨6型号选用CHN60，轨枕7选用III型钢筋混凝土轨枕，道床8分为道床表层和道床底层，道床表层选用级配碎石，道床底层选用A/B填料，每条轨枕7沿轨道方向的间距为
Figure 2012105737744100002DEST_PATH_IMAGE010
，共设置8条轨枕7， 8个作动器1在每条轨枕7位置处上方布置，每个作动器1底部用高强螺栓4在分配梁2跨中处连接，分配梁2两端底部固定安装在每对分段钢轨6正上方的装置是防脱套件3，其实现作动器1竖向压力的施加，也实现作动器1上拔力的施加。两条连续的钢轨6铺设在轨枕7上，分别在轨枕7位置正上方切断成相互独立的0.3m长的分段钢轨6，每对分段钢轨6和轨枕7用扣件系统5连接，如图3和图4所示，轨枕7下方为道床8、道床8下方为地基9，每个作动器1顶部连接在反力横梁10跨中处，每根反力横梁10两端固定在两根反力纵梁11上，每根反力纵梁11的两端连接在两根支撑柱12上，每根支撑柱12底部固定在地面上。
图5所示轮轴移动下列车-轨道-路基理论模型为平面结构假设，依次由轮轴、钢轨6、扣件结构5、轨枕7、道床8和地基9组成，钢轨6采用欧拉梁假设，假设为简支梁，离散分布的轨枕7假设为质量块。扣件系统5、道床8均采用粘弹性弹簧假设，其中道床8为分布弹簧和阻尼，列车运行过程中轮轴与钢轨6相互作用，产生的作用力通过钢轨6下方离散支撑的扣件系统5承担。
取轮轴移动速度
Figure 2012105737744100002DEST_PATH_IMAGE012
，由于该模型为研究结构移动质量系的问题，不同于一般的定点加载的动力问题，采用的基本控制方程为偏微分方程组，使用模态分解的方法，将列车子系统的平衡方程、钢轨的平衡方程和轨枕的平衡方程转化为常微分方程组，根据NEWMARK方法进行求解，得到在轮轴移动速度
Figure 573249DEST_PATH_IMAGE002
为13.5km/h时单个扣件系统的受力荷载时程曲线如图6所示，将其作为每个作动器的荷载激励曲线。
所有作动器的荷载激励曲线均相同，每个作动器开始激振存在时间间隔，相邻作动器的激振时间间隔由轨枕的间距和列车速度确定， 
Figure 2012105737744100002DEST_PATH_IMAGE014
。
沿轮轴移动方向相邻作动器按照时间间隔
Figure 2012105737744100002DEST_PATH_IMAGE016
依次进行动态激振，即实现不同速度下轮轴移动荷载的模拟加载。

Claims (4)

1.一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1）通过列车-轨道-路基理论模型计算确定不同移动速度                                                
Figure 2012105737744100001DEST_PATH_IMAGE001
下轮轴移动荷载作用的单个扣件系统的受力荷载时程曲线； 
步骤2）按高速铁路轨枕沿轨道方向的间距为
Figure 815498DEST_PATH_IMAGE002
，通过扣件系统将钢轨与轨枕进行连接，两条连续的钢轨分别在轨枕位置正上方处切断为多对相互独立的分段钢轨，钢轨与轨枕之间的连接特性保持不变；
步骤3）在步骤2）中的每一对分段钢轨正上方均布置一条分配梁，分配梁跨中处上方连接一个作动器，将步骤1）得到的单个扣件系统的受力荷载时程曲线，作为每个作动器的荷载激励曲线；
步骤4）步骤3）中每个作动器的荷载激励曲线均相同，每个作动器开始激振存在时间间隔，相邻作动器激振的时间间隔
Figure 2012105737744100001DEST_PATH_IMAGE003
由轨枕的间距
Figure 700277DEST_PATH_IMAGE002
和移动速度
Figure 780360DEST_PATH_IMAGE001
确定：  
Figure 979260DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤5）沿轮轴移动方向相邻作动器通过按照步骤4）所述的时间间隔依次进行动态激振，即实现不同移动速度
Figure 703819DEST_PATH_IMAGE001
轮轴移动荷载的模拟加载。
2.根据权利要求1所述的加载方法的一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载装置，其特征在于：多个作动器（1）在按照高速铁路每条轨枕（7）沿轨道方向的正上方布置，每个作动器（1）底部用高强螺栓（4）在分配梁（2）跨中处连接，分配梁（2）两端底部固定安装在两侧钢轨（6）正上方，两条连续的钢轨（6）铺设在轨枕（7）上，分别在轨枕（7）位置正上方切断成相互独立的分段钢轨（6），每对分段钢轨（6）和轨枕（7）用扣件系统（5）连接，轨枕（7）下方为道床（8）、道床（8）下方为地基（9）。
3.根据权利要求2所述的一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载装置，其特征在于：所述的每个作动器（1）顶部连接在反力横梁（10）跨中处，每根反力横梁（10）两端固定在两根反力纵梁（11）上，每根反力纵梁（11）的两端连接在两根支撑柱（12）上，每根支撑柱（12）底部固定在地面上。
4.根据权利要求2所述的一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载装置，其特征在于：所述的分配梁（2）两端底部固定安装在每对分段钢轨（6）正上方的装置是防脱套件（3），其实现作动器（1）竖向压力的施加，也实现作动器（1）上拔力的施加。
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