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高速列车引发轨道振动响应分析
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卢祝清
华东交通大学土木建筑学院,江西南昌 (330013)
E-mail:luzhuq@21cn.com
摘 要:建立轨道结构三层弹性梁模型,考虑轨道不平顺对振动响应的影响,首先对轨道结
构振动方程进行傅里叶变换 ,求解傅里叶变换域中的振动位移,再通过快速离散傅里叶逆变
换得到轨道结构的振动响应。该方法适用于任何复杂的轨道结构动力学问题。本文分别计算
了我国现有几种高速动车组运行时引发轨道结构的振动位移响应,并得到了轨道结构的振动
加速度。分析了轨道不平顺及列车速度对振动幅值的影响。分析表明,较差的轨道不平顺状
态及列车高速运行的组合情况下,轨道振动响应幅值将迅速增大。
关键词:轨道动力学;轨道振动;傅立叶变换;高速铁路
中图分类号:U213
随着我国大规模铁路提速工程的实施及高速客运专线的快速发展,大量高速列车在我国
相继投入运营,轨道结构动力学日益受到人们的重视。目前在分析轨道结构动力学问题中采
用的方法有解析法
[1]
、数值计算法
[2,3,4]
和傅立叶变换法。其中傅立叶变换法是对轨道结构振
动方程进行傅立叶变换,求解傅立叶变换域中的振动位移,再通过快速离散傅立叶逆变换得
到轨道结构的振动响应。并且可以得到轨道振动速度、加速度及作用在轨枕、道床上的反力。
该方法适用于任何复杂的轨道结构动力学问题,且程序比较容易编制
[5,6]
。本文采用傅立叶
变换方法对高速列车引发轨道振动进行分析。
1. 轨道模型
在文献
[5,6]
中建立了轨道结构连续弹性单层梁模型和双层梁模型。为更精确描述轨道结
构的竖向振动特性,本文采用三层弹性梁模型
[7]
,如图1示。
V
r
mIE ,,
p
k
w
b
k
t
m
s
k
r
c
s
c
b
c
b
m
V
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mIE ,,
V
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p
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图 1 轨道结构三层弹性梁模型
Fig1 Three elastic layers of track structure
其中:w 为钢轨竖向挠度,m
r
单位长度的钢轨质量,k
p
为单位长度轨下垫板和扣件的刚度,c
r
为单位长
度轨枕垫板和扣件的阻尼,m
t
为单位长度轨枕的质量,k
b
为单位长度道床的刚度,c
b
为单位长度道床的阻
尼,m
b
为单位长度道床的质量,k
s
为单位长度路基的等效刚度,c
s
为单位长度路基的等效阻尼,V 为列车
运行速度,E、I 分别为钢轨弹性模量及横截面惯性矩
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本课题得到国家自然科学基金(项目编号:50768004)和江西省自然科学基金(项目编号:2007GQC058)的
资助。