CN103308401A - 铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置的制备方法，该方法通过建设模型试验箱、高速铁路无砟轨道路基模型、监测系统及激励系统后，经过荷载分担比试验结果分析对装置进行调整并将连续钢轨截断为分段钢轨从而使得轨下结构受力状态更接近真实列车运行时的状态。通过激励系统中激振器的协同工作，使用数值模型计算得到的荷载时程结果作为输入荷载可以模拟真实列车不同速度的行驶状态。本发明所制备装置可用于短期及长期的交通基础设施长期动力性能试验研究。

Description

铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置的制备方法。尤其是涉及一种通过模拟车辆移动荷载重现真实列车行驶的铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置的制备方法。

背景技术

我国现在正处于轨道交通快速发展的时期，无论是高速铁路和城际普通铁路，还是轻轨和地铁，都处于高速建设过程中。随着高速铁路的运营，列车速度大幅度提高，对轨道结构和路基土体的动力性能提出了很高的要求。列车速度的提高，导致轨道结构的振动加剧，尤其当列车速度接近土体的临界波速时，土体的动力响应急剧增加；还导致路基内部动应力的影响范围变大，使得路基的不均匀沉降变大，进而引起轨道的不平顺，加剧了车轨的动力相互作用。目前，高速铁路动力学试验的研究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列车速度的限制，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列车高速运行，但所处的环境比较复杂不易控制，且对监测设备的要求很高。如西南交通大学建立了室内1:3的模型试验，进行无砟轨道定点循环加载试验，这与模拟列车的运行荷载还有很大的差距。再如北京东郊环形道无砟轨道试验段采用真车进行现场模拟试验，可以实现不同列车速度下的动力学试验，不足之处是：现场的地质条件和环境条件不可控，轨道和路基模型无法实现重复制作性，也难以模拟长期服役后交通基础设施动力性能的变化。

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铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置的制备方法，本发明不仅可以实现室内模型试验的模型环境可控性，还可以实现现场原位测试的列车荷载移动性，从而在室内模型试验中实现“假车真路”的动力学模拟试验，并且可以通过连续加载来模拟在长期服役状态下交通设施的动力性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置的制备方法，包含以下步骤：

步骤（1）：根据轮轨系统交通基础设施的几何特征和建造质量要求，在钢结构试验箱1中建造所需比尺的物理模型；

步骤（2）：基于建造完成的物理模型，以轨道板为基座，将千分表安装于扣件系统13正上方的钢轨14上，每个扣件对应的位置处各安装一个千分表26；

步骤（3）：在钢轨14表面放置一个分配梁16，在分配梁16表面中心位置处分级施加静力荷载，每级荷载增量50kN，共进行3次加载和卸载循环，记录每级荷载作用下各个千分表26的读数，即扣件的压缩量，进而得到单个轮轴荷载作用下轨下各个扣件分担的荷载比例；

步骤（4）：根据步骤3中得到的扣件荷载分担比通过计算来检验步骤1中所建造的物理模型中扣件数量及模型长度是否合理，根据结果分析来调整物理模型；

步骤（5）：根据物理模型的几何特征和材料特性，建立车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型，通过K30、Evd、Ev2实验来确定模型轨下结构的刚度，从而确定数值模型的计算参数；

步骤（6）：通过步骤4中的车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型，计算得到不同车型、不同运行速度下轨下扣件的荷载时程结果；

步骤（7）：在与扣件对应处的钢轨14表面布置分配梁16，每对扣件处对应一个分配梁16，每个分配梁16表面中心处对应布置一个激振器15，激振器15的顶部通过高强螺栓与反力梁25相连；

步骤（8）：将原本连续的钢轨14在相邻两个扣件之间的位置处切割为长度为50cm的分段钢轨，各个分段钢轨依然通过扣件系统13与轨道板12相连；

步骤（9）：各个激振器15之间存在由列车速度v和相邻扣件间距Δs决定的激振时间差Δt为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\Δs}}{v}$

在实际控制中，以相位差

进行控制，以一节车厢长度L作为一次加载波长，激振器15的输入荷载周期T为：

$T=\frac{L}{v}$

相邻激振器的相位差

为：

步骤（10）：将步骤6中根据车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型确定得到的轨下扣件荷载时程结果作为各个激振器15的输入荷载，按照步骤9中确定得到的相邻激振器15相位差，对交通基础设施物理模型开展不同车型和不同运行速度下的短期动力响应和长期动力性能试验。

进一步地：所述步骤1中的钢结构试验箱1，由四个刚性墙体组成；刚性墙体底部设有滑轮，混凝土地面预设导槽，刚性墙体通过滑轮沿导槽移动，以满足不同尺寸物理模型的建造需要；刚性墙体内壁首先涂抹一层环氧树脂，防止刚性墙体的腐蚀；而后设置一层隔振层，增大边界阻尼，降低波的反射。

进一步地：所述步骤3中施加的最大静力荷载由模拟车辆的设计轴重决定；每级荷载作用下扣件的压缩量取钢轨14两侧千分表26的平均值。

进一步地：所述步骤5中的车辆-轨道-轨下结构耦合作用数值模型，首先各自建立列车和轨道结构的振动平衡微分方程，其中列车的每节车是含有10个自由度的多刚体模型，轨道结构是组合欧拉梁结构；然后通过模态分解的方法将偏微分方程转化成常微分方程组；在此基础上，以轮轴和钢轨14的接触假设为基础，将列车和轨道两个子系统耦合组成车轨耦合系统的平衡微分方程组。

进一步地：所述步骤5中的车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型，将车辆荷载简化为单个轮轴荷载，移动速度为5km/h，近似看作准静态问题。

进一步地：所述步骤5中的车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型，扣件刚度和轨下基础刚度沿着轨道方向均匀分布，各个扣件的荷载时程结果保持一致。

进一步地：所述步骤7中的激振器15最大激振力达到模拟车辆的设计轴重；激振器的最大激振频率f_max与最高模拟车速v_max的关系满足：

$f_{\max }=\frac{v_{\max }}{{\mathrm{\λ}}_{\min }}$

其中，v_max的单位为m/s，λ_min为车辆荷载最小影响波长，根据步骤6）中得到的轨下扣件的荷载时程结果傅里叶变换得到；激振器15工作时的行程不低于反力梁25最大挠度和物理模型的最大弹性变形之和；反力梁25的自振频率达到物理模型一阶共振频率的二倍及以上。

进一步地：所述步骤8中的分段钢轨相互独立，激振器15产生的荷载全部由其对应的一对分段钢轨传递至轨道结构上，分段钢轨与轨道结构的连接特性与截断前的特性保持一致。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

（1）可产生多种致灾和加固条件，模拟功能多，包括地下水位变动、真空预压、复合地基、桩基等；

（2）高速铁路无砟轨道路基模型中土层条件、地下水位、初始应力状态及边界条件可控、已知；

（3）轨道结构所受到的列车荷载与真实列车一致，可以代替真实列车来模拟列车的运行过程；

（4）可模拟列车不同速度和轨道不平顺时的轮轨垂向相互作用；

（5）监测系统全面、综合，可实现多个物理量的自动、实时监测；监测仪器埋设相对容易，试验操作比较简单；

（6）短时间内可预测路基的永久变形以及路基沉降与轨道不平顺的关系；

（7）可以在短时间内通过连续多次加载来模拟长期服役后动力学性质的状态。

附图说明

图1是高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统示意图；

图2是监测系统布置示意图；

图3是激励系统及轨道上部结构横向示意图；

图4是千分表安装示意图；

图中：模型试验箱1、高速铁路无砟轨道路基模型2、激励系统3、监测系统4、主体钢结构梁柱5、主体结构侧面钢板6、地基7、基床底层8、基床表层9、混凝土底座10、CA砂浆11、轨道板12、扣件系统13、钢轨14、激振器15、分配梁16、动态土压力传感器17、分层沉降计18、钢筋应变计19、位移传感器20、加速度传感器21、碎石和砂垫层22、供水管网23、喷淋系统24、反力梁25、千分表26。

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。本发明中装置的制备过程如下：

一、模型试验箱1的建设：如图1所示，模型试验箱1：由主体钢结构梁柱5和主体结构侧面钢板6组成的长方形钢结构模型槽，具体尺寸可根据所需的模型尺寸来决定，本实例中采用尺寸为长15m×宽5m×高6m；

二、高速铁路无砟轨道路基模型2及监测系统4的建设：在模型试验箱1底板上铺设碎石和砂垫层22。在碎石和砂垫层22上分层填筑地基7、基床底层8和基床表层9。填筑过程中分别在地基7中间厚度、基床底层8与地基7结合处、基床底层8中间厚度、基床底层9与基床表层9结合处和基床表层9与混凝土底座10结合处分别埋设动态土压力传感器17，在基床底层8与地基7结合处、基床底层9与基床表层9结合处和基床底层9与混凝土底座10结合处埋设分层沉降计18。填筑完成基床表层9后在其上现场浇注混凝土底座10，在混凝土底座10上下层的两层钢筋上布置钢筋应变计19，在混凝土底座10的强度满足要求后，在混凝土底座10上铺设CA砂浆灌注袋，在CA砂浆灌注袋上部吊装轨道板12并向CA砂浆灌注袋中灌注CA砂浆11。待砂浆11的强度满足要求后在轨道板12上安装扣件系统13和位移传感器20和加速度传感器21，然后将两根钢轨14通过扣件系统13连接在轨道板12上，在钢轨14上安装千分表26，如图4所示。最后在模型试验箱1顶部两侧安装喷淋系统24。其中：

1）基床底层8和基床表层9构成基床底层8底面大而基床表层9上面小其坡度为1:1.5的梯形体。

2）地基7厚度2.5m，采用南方典型的钱塘江粉土，分层填筑夯实，虚铺35cm，夯实至25cm，控制填土的密度和含水量，从而满足高速铁路设计规范中对地基土体比贯入阻力Ps不低于1.8MPa的要求。填筑完成后，对地基7进行静力触探试验，抽取地基7范围内的9个测点检验土体的比贯入阻力。

3）基床底层8厚度2.3m，采用A/B类填料，主要成分为粗砂，分层填筑夯实，虚铺30cm，夯实至25cm

4）基床表层9厚度0.4m，采用级配碎石，分层填筑夯实，虚铺25cm，夯实至20cm，控制填土的密度和含水量，填筑完成后，抽取基床底层8、基床表层9范围内各9个测点，孔隙率n，压实质量标准应符合表1的要求。

5）混凝土底座10厚度0.3m，预先扎好钢筋笼，双向布筋，采用C40混凝土现场浇注。

6）动态土压力传感器17分别布置在混凝土底座10下面的地基7中间厚度、基床底层8与地基7结合处、基床底层8中间厚度、基床底层9与基床表层9结合处和基床表层9与混凝土底座10结合处，在横断面方向，多个动态土压力传感器17分别对应于扣件系统13中心处、轨道板12纵向中心线处和混凝土底座10横向边缘位置；动力加载过程中，通过动态土压力传感器17可以获得列车动荷载沿着基床表层9、基床底层8和地基7的分布大小和衰减规律，通过变化加载频率，可获得各个结构层中动应力随着车速的变化规律，用以评价不同列车速度下路基内部土体的动力响应。

7）分层沉降计18分别布置在混凝土底座10下面的基床底层8与地基7结合处、基床底层9与基床表层9结合处和基床底层9与混凝土底座10结合处，在横断面方向，多个分层沉降计18分别对应于扣件系统13中心处、轨道板12纵向中心线处和混凝土底座10横向边缘位置；通过分层沉降计18可以获得基床表层9、基床底层8和地基7在列车动荷载下的动态变形特性和永久沉降发展规律，用以评价路基中的变形传递机理和各个结构层的填筑质量，以指导路基施工。

8）钢筋应变计19按照扣件系统13的间距分别连接在混凝土底座10上下表层的两层钢筋上，位置分别对应于两根钢轨14及轨道板12纵向中心线；通过钢筋应变计19可以监测列车动荷载作用下混凝土底座10的应力应变关系，评价混凝土底座10的服役性能.

9）位移传感器20按照扣件系统13的间距分别布置在轨道板12表面的纵向中心线及轨道板12两侧靠近扣件系统13处；通过位移传感器20可以获得列车荷载作用下轨道结构的动态变形和永久沉降。

10）加速度传感器21按照扣件系统13的间距分别布置在轨道板12表面的纵向中心线及轨道板12两侧靠近扣件系统13处；通过加速度传感器21可以获得列车荷载作用下轨道结构的振动特性，评价轨道结构的振动特性。

三、激励系统3的建设：将分配梁16按照扣件系统13的间距设置在两根钢轨14上，在每个分配梁16的上表面中心处安装激振器15，每个激振器15的上端都固定在反力梁25上。其中：

1）激振器15按照扣件系统13的间距L分布式分布，每一对扣件系统13对应一个激振器15，扣件系统13为钢轨14在轨道板12上的支撑点，激振器15沿着轨道方向的间距即为该支撑点的间距。荷载从激振器15通过钢轨14传递到扣件系统13，再从扣件系统13传递到轨道板12上。

2）每个反力梁25都通过高强螺栓和拉紧梁和反力纵梁相连接，反力纵梁在通过高强螺栓和拉紧梁与基础梁连接，组成反力框架。反力框架由2根跨距5m的反力纵梁、8根跨距1.5m的反力横梁和一系列的连接件构成。反力纵梁吊装就位后，端部通过6根直径39mm的双排高强螺杆固定在模型试验箱的刚性立柱上面，每根螺杆施加300kN的预应力。反力横梁横跨于反力纵梁上面，相邻反力横梁间距为0.63m，与拟建的高速铁路板式轨道扣件间距持一致。反力横梁两端各采用4根直径33mm的双排高强预应力螺杆与反力纵梁连接，每根螺杆施加100kN的预应力。这种双排预应力螺杆的连接方式保证了多个激振器同时达到最大加载吨位时的强度要求。

3）激振器15通过管道与动力系统液压油源相连接，为了保证激振器供油的稳定性，每三个激振器配置有一个分油器，分油器再与液压油源相连接。

4）激振器15通过线路与多通道控制系统相连接，每个激振器对应多通道控制系统中的一个通道。多通道控制系统由PC机和多通道加载控制软件组成。

5)激振器15的最大激振频率f_max与最高模拟车速v_max的关系满足：

$f_{\max }=\frac{v_{\max }}{{\mathrm{\λ}}_{\min }}$

其中，v_max的单位为m/s，λ_min为车辆荷载最小影响波长，根据之前得到的轨下扣件的荷载时程结果傅里叶变换得到；激振器工作时的行程不低于反力梁最大挠度和物理模型的最大弹性变形之和；

3）各个激振器15之间存在由列车速度v和相邻扣件间距Δs决定的激振时间差Δt为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\Δs}}{v}$

在实际控制中，以相位差

进行控制，以一节车厢长度L作为一次加载波长，激振器的输入荷载周期T为：

$T=\frac{L}{v}$

相邻激振器的相位差

为：

对于特定的轨道，扣件间距Δs为固定值。可见，列车的速度越高，激振器之间的作用时间差越小。以车速360km/h的列车移动荷载的模拟为例，对于扣件间距为0.63m的轨道结构，相邻激振器的时间差为6.3ms。相邻动力激振器的相位差

与列车速度无关，仅由扣件间距和一节车厢长度决定，试验中相位差的控制精度达到95%及以上。

四、装置的调整修正：选择扣件系统13中位于中间位置的某一个扣件作为加载点，在其正上方施加静荷载,每级荷载增加50kN，最大加至200kN，同时记录各个千分表26的读数，通过计算可以得到扣件系统13各个扣件的之间的荷载分担比。根据得到的荷载分担比状况来确定物理模型中已存在的扣件数量是否符合动力学实验的需求，并根据需求对扣件数量进行调整。完成扣件系统13的调整后，将原本连续的钢轨14在相邻两个扣件之间的位置处切割为长度为50cm的分段钢轨。其中：

1）扣件系统13的静载试验进行3组加卸载试验。绘制各个扣件系统13变形量与荷载的P-S曲线；（注意：这里的荷载P并非每个扣件承担的实际荷载值，而是激振器施加的总荷载）。绘制同一荷载作用下，钢轨14沿轨道纵向的变形曲线，从而通过计算可以得到扣件系统各个扣件的之间的荷载分担比。经过实测验证，不同荷载作用下的扣件的荷载分担比十分一致，说明扣件系统13在该荷载范围内具有很好的线弹性。单个轮轴荷载一般由5个扣件进行分担，相应的荷载分担比依次为9.2%、23.6%、34.4%、23.8%、8.4%。

2）将物理模型中的钢轨14切断，每段钢轨50cm，仍然通过扣件系统13与轨道板12相连，连接方式不发生改变。如此，每个激振器15施加的荷载将全部由其对应的扣件独自承担。通过控制相邻激振器15之间的相位，即可实现列车移动荷载的模拟。

五、输入荷载的确定：通过K30、Evd、Ev2实验来确定模型轨下结构的刚度后，首先各自建立列车和轨道结构的振动平衡微分方程，其中列车的每节车是含有10个自由度的多刚体模型，轨道结构是组合欧拉梁结构；然后通过模态分解的方法将偏微分方程转化成常微分方程组；在此基础上，以轮轴和钢轨的接触假设为基础，将列车和轨道两个子系统耦合组成车轨耦合系统的平衡微分方程组。扣件刚度和轨下基础刚度沿着轨道方向均匀分布，通过数值模型计算得到不同车型、不同运行速度下轨下扣件的荷载时程结果，将此结果作为各个激振器的输入荷载，按照相邻动力激振器相位差就可以对交通基础设施物理模型开展不同车型和不同运行速度下的短期动力响应和长期动力性能试验。

Claims (8)

1.一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤（1）：根据轮轨系统交通基础设施的几何特征和建造质量要求，在钢结构试验箱1中建造所需比尺的物理模型；

步骤（2）：基于建造完成的物理模型，以轨道板（12）为基座，将千分表(26)安装于扣件系统(13)正上方的钢轨(14)上，每个扣件对应的位置处各安装一个千分表(26)；

步骤（3）：在钢轨14表面放置一个分配梁(16)，在分配梁(16)表面中心位置处分级施加静力荷载，每级荷载增量50 kN，共进行3次加载和卸载循环，记录每级荷载作用下各个千分表(26)的读数，即扣件的压缩量，进而得到单个轮轴荷载作用下轨下各个扣件分担的荷载比例；

步骤（4）：根据步骤3中得到的扣件荷载分担比通过计算来检验步骤1中所建造的物理模型中扣件数量及模型长度是否合理，根据结果分析来调整物理模型；

步骤（5）：根据物理模型的几何特征和材料特性，建立车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型，通过K30、Evd、Ev2实验来确定模型轨下结构的刚度，从而确定数值模型的计算参数；

步骤（6）：通过步骤4中的车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型，计算得到不同车型、不同运行速度下轨下扣件的荷载时程结果；

步骤（7）：在与扣件对应处的钢轨(14)表面布置分配梁(16)，每对扣件处对应一个分配梁(16)，每个分配梁(16)表面中心处对应布置一个激振器(15)，激振器(15)的顶部通过高强螺栓与反力梁(25)相连；

步骤（8）：将原本连续的钢轨(14)在相邻两个扣件之间的位置处切割为长度为50 cm的分段钢轨，各个分段钢轨依然通过扣件系统(13)与轨道板(12)相连；

步骤（9）：各个激振器(15)之间存在由列车速度                                                

和相邻扣件间距

决定的激振时间差

为：

在实际控制中，以相位差

进行控制，以一节车厢长度

作为一次加载波长，激振器(15)的输入荷载周期

为：

相邻激振器的相位差

为：

步骤（10）：将步骤6中根据车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型确定得到的轨下扣件荷载时程结果作为各个激振器(15)的输入荷载，按照步骤9中确定得到的相邻激振器(15)相位差，对交通基础设施物理模型开展不同车型和不同运行速度下的短期动力响应和长期动力性能试验。

2.根据权利要求1所述的一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置，其特征在于：所述步骤1中的钢结构试验箱(1)，由四个刚性墙体组成；刚性墙体底部设有滑轮，混凝土地面预设导槽，刚性墙体通过滑轮沿导槽移动，以满足不同尺寸物理模型的建造需要；刚性墙体内壁首先涂抹一层环氧树脂，防止刚性墙体的腐蚀；而后设置一层隔振层，增大边界阻尼，降低波的反射。

3.根据权利要求1所述的一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置，其特征在于：所述步骤3中施加的最大静力荷载由模拟车辆的设计轴重决定；每级荷载作用下扣件的压缩量取钢轨(14)两侧千分表(26)的平均值。

4.根据权利要求一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置，其特征在于：所述步骤5中的车辆-轨道-轨下结构耦合作用数值模型，首先各自建立列车和轨道结构的振动平衡微分方程，其中列车的每节车是含有10个自由度的多刚体模型，轨道结构是组合欧拉梁结构；然后通过模态分解的方法将偏微分方程转化成常微分方程组；在此基础上，以轮轴和钢轨(14)的接触假设为基础，将列车和轨道两个子系统耦合组成车轨耦合系统的平衡微分方程组。

5.根据权利要求1所述的一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置，其特征在于：所述步骤5中的车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型，将车辆荷载简化为单个轮轴荷载，移动速度为5 km/h，近似看作准静态问题。

6.根据权利要求1所述的一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置，其特征在于：所述步骤5中的车辆-轨道-轨下结构的耦合作用数值模型，扣件刚度和轨下基础刚度沿着轨道方向均匀分布，各个扣件的荷载时程结果保持一致。

7.根据权利要求1所述的一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置，其特征在于：所述步骤7中的激振器(15)最大激振力达到模拟车辆的设计轴重；激振器的最大激振频率f _max与最高模拟车速v _max的关系满足：

其中，v _max的单位为m/s，为车辆荷载最小影响波长，根据步骤6）中得到的轨下扣件的荷载时程结果傅里叶变换得到；激振器(15)工作时的行程不低于反力梁(25)最大挠度和物理模型的最大弹性变形之和；反力梁(25)的自振频率达到物理模型一阶共振频率的二倍及以上。

8.根据权利要求1所述的一种铁路路基大周次加速加载物理模型试验装置，其特征在于：所述步骤8中的分段钢轨相互独立，激振器(15)产生的荷载全部由其对应的一对分段钢轨传递至轨道结构上，分段钢轨与轨道结构的连接特性与截断前的特性保持一致。

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