窄轨有砟轨道动态性能影响——空吊轨枕

摘要

铁路运输跟其他交通方式相比比较环保而且运输效能比较高。它在世界各国家的交通基础设施上起着较重要的作用。在铁路行业，有砟轨道是铁路结构最常见而且是最攒钱的一种结构。有砟轨道在使用中，列车的重复荷载作用下道砟颗粒劣化，引起道床污染由于轨道表面的精细浸润。道表面的细颗粒填补道砟颗粒之间的空隙，影响道穿排水性能，造成不均匀的轨道沉降和高昂的维护维修的成本。不均匀的轨道沉降影响的轨枕与道砟颗粒的相互作用，导致跟踪支持问题，比如吊轨枕，轨道的横向阻力等。本论文研究有砟轨道道床上有吊轨枕的问题。吊轨枕是说在轨道结构常见的在道床不受支持的轨枕。吊轨枕根道砟劣化和不均匀的轨道沉降有关系的。
　　近几十年来，许多铁路行业的学者一直在研究吊轨枕对标准轨距轨道动力响应，不过几乎没有研究集中在窄轨轨道上。这可能是因为世界上很多国家使用标准轨距轨道;然而，南美洲、非洲和澳大利亚的一些国家仍然在他们主铁路线网中使用窄轨道。本论文只在研究窄轨轨道与吊轨枕的动力响应，试图对现有文献作出贡献。为了实现本研究的目标，使用商业软件ABAQUS/CAE生成列车-轨道耦合三维有限元模型用来模拟火车和轨道条件。因此，研究吊轨枕低下间隙的大小和连续吊轨枕的数量对轨道组件动力的加速度、位移、应力、反应力、轮轨接力，以及路基应力和使用周期产生的影响。
　　在本研究中发现轮轨接触力随着吊轨枕低下间隙的大小增加而增加。然而，当连续吊轨枕的数量增加时，轮轨接触力大大得增加。扣件的反应力也随着吊轨枕低下间隙的大小和连续吊轨枕的数量的增加而线性的增加。当在轨道结构有五个连续吊轨枕，轮轨接触力增加了25.7％，同时扣件的反应力增加了149.9％。吊轨枕对扣件的设计能力不利，减小扣件的耐久性，并要求常量的轨道防护维修作业为了保证列车运行期间的安全。
　　轨道结构组件动位移，加速度以及动应力也随着随着吊轨枕低下间隙的大小和连续吊轨枕的数量的增加而线性的增加。当轨道结构上有五个连续吊轨枕时，钢轨的垂直位移比较大，能够达到17.6mm。这种轨道的高位移在轨道上产生了冲击荷载，轮轨和钢轨的不平顺，降低轨道结构组件的性能。吊轨枕在轨道结构上引起道砟床的动加速度。当吊轨枕低下间隙的大小为20mm，道砟床的动加速度提高了42.9％，而当轨道结构上有五个连续吊轨枕时，道砟床的动加速度提高了54.5％。高动加速度在道床上会引起道砟颗粒劣化，减小道床排水性能，减小道床横向阻力和能量。吊轨枕在轨道上增加了吊轨枕区附近的轨枕动应力。当轨道结构上有一个吊轨枕而且吊轨枕低下间隙的大小为20mm时，吊轨枕旁边的动应力增加了55.9％。当轨道结构上有五个连续吊轨枕时，吊轨枕区旁边的轨枕动应力增加了211.8％。轨枕高动应力在轨道上引起轨枕裂缝，而且减小混凝土轨枕的设计能力和性能。在轨道结构上连续吊轨枕减小路基层的应力分布区，而在吊轨枕区旁边的轨枕下引起较高的动应力。
　　当轨道结构上有五个连续吊轨枕时，路基表面的偏差应力比正常轨道结构增加227％。五个连续吊轨枕也增加路基的累积应变并提高100％的路基渐进节切破坏。这个研究还发现在相同轨道结构条件下，吊轨枕在窄轨轨道结构组件的动力响应比准轨道结构有较大的影响，然而扣件的反应力上和轮轨接触力上受到较小的影响。

目录

声明

ACKNOWLEDGEMENTS

ABSTRACT

摘要

NOMENCLATURE

TABLE OF CONTENTS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

1．INTRODUCTION

1．1．General Background

1．2．Problem Statement

1．3．Research Objectives and Scope

1．4．Methodology

1．5．Thesis Outline

2．LITERATURE REVIEW

2．1．Introduction

2．1．1．Ballasted Tracks

2．1．2．Ballasted Track Components

2．2．Track Loading

2．2．1．Vertical Forces

2．2．2．Lateral Forces

2．2．3．Longitudinal Forces

2．2．4．Impact Forces

2．2．5．Wheel-rail interaction

2．3．Subgrade Problems

2．3．1．Ballast degradation

2．3．2．Subgrade degradation

2．3．3．Hanging sleepers

2．4．Chapter Summary

3．DYNAMIC MODELING

3．2．Modeling in ABAQUS

3．2．1．Modules

3．2．2．Elements

3．3．Dynamic Coupling Model

3．3．1．Vehicle Model

3．3．2．Wheel-Rail Contact Model

3．3．3．Contact Property Definition

3．3．4．Track Model

3．3．5．Track Irregularities

3．4．Chapter Summary

4．RESULTS AND DISCUTIoNS

4．1．Introduction

4．2．Model Validation

4．3．Super Structure Dynamic Responses

4．3．1．Effect of Gap Size

4．3．2．Effect of Number of Hanging Sleepers

4．4．Substructure Responses

4．4．1．Effect on Subgrade Stress

4．4．2．Effect on Subgrade Deterioration

4．5．Comparison between Narrow Gauge and Standard Gauge tracks dynamic responses

4．6．Chapter Summary

5．CONCLUSION

5．1．Conclusion

5．2．Recommendations

5．3．Suggestions for Future Researches

REFERENCES

THESIS DATA FORM