CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道振動(dòng)頻域與波導(dǎo)特性研究.pdf

1、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道在我國(guó)高速鐵路中得到廣泛應(yīng)用，但因鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)時(shí)間較短，目前對(duì)其振動(dòng)性能和變形特點(diǎn)的研究還不夠完善。為進(jìn)一步優(yōu)化雙塊式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提升相關(guān)的減振降噪技術(shù)和結(jié)構(gòu)傷損探測(cè)識(shí)別技術(shù)，有必要對(duì)雙塊式軌道振動(dòng)的頻域性能和波導(dǎo)特性進(jìn)行系統(tǒng)地研究。本文首先運(yùn)用格林函數(shù)法對(duì)雙塊式軌道的頻域性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，然后運(yùn)用波導(dǎo)有限元法對(duì)雙塊式軌道的波導(dǎo)特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究。
　　1.雙塊式軌道振動(dòng)頻域特性研究
　　根

2、據(jù)雙塊式軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用格林函數(shù)法和疊加原理，建立了雙塊式軌道垂向振動(dòng)頻域分析模型，開發(fā)了相應(yīng)計(jì)算分析程序，研究了雙塊式軌道頻域響應(yīng)特性及其受扣件剛度、道床板厚度和路基支承剛度的影響。結(jié)果表明，鋼軌速度導(dǎo)納存在三個(gè)明顯的峰值，分別由道床板共振(35 Hz)、鋼軌共振(200 Hz)和鉸鉸共振(1 kHz)所致。鋼軌振動(dòng)衰減率由約8 dB/m變化至小于1 dB/m。參考軌面不平順幅值為1×10-6m時(shí)，鋼軌振動(dòng)速度級(jí)在鉸-鉸共振頻率最大

3、達(dá)138 dB，道床板振動(dòng)速度級(jí)在鋼軌和車輪耦合共振頻率最大達(dá)126 dB。在35 Hz以下，道床板速度導(dǎo)納受道床板支承剛度控制，道床板振動(dòng)衰減率隨頻率增大而增大，最高達(dá)0.001 dB/m。道床板共振和輪軌耦合共振對(duì)道床板位移影響最大。扣件剛度越大，鋼軌高振動(dòng)衰減率所在的頻率范圍越寬。增大道床板參振質(zhì)量不能衰減道床板中高頻振動(dòng)。
　　2.雙塊式軌道波導(dǎo)有限元法及程序開發(fā)
　　建立了雙塊式軌道波導(dǎo)有限元模型，推導(dǎo)了道床板波導(dǎo)

4、板單元、鋼軌波導(dǎo)八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元、彈簧阻尼器單元的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以及板單元和實(shí)體單元關(guān)于自由波響應(yīng)和受迫響應(yīng)的求解過程，開發(fā)了基于波導(dǎo)有限元法的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)特性計(jì)算分析程序。分析了波導(dǎo)單元類型的適應(yīng)性，認(rèn)為在建模中應(yīng)優(yōu)先選用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬雙塊式軌道結(jié)構(gòu)。以道床板為例，通過與基爾霍夫薄板頻域解析模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算分析程序的正確性。
　　3.鋼軌波導(dǎo)特性研究（波導(dǎo)特性主要指導(dǎo)波的形成原因、截止頻率、傳遞速度、衰減特性、消失或轉(zhuǎn)化

5、頻率、影響因素等）
　　對(duì)包括頻散特性、相速度和群速度、衰減特性在內(nèi)的鋼軌波導(dǎo)特性進(jìn)行了分析，研究了鋼軌橫截面速度導(dǎo)納的分布特點(diǎn)。通過研究，首次提出在6 kHz頻率范圍內(nèi)，鋼軌共有八種導(dǎo)波模態(tài)，即A類橫向彎曲波、B類扭轉(zhuǎn)波、C類垂向彎曲波、D類橫向彎曲波、E類縱波/橫向彎曲波、F類橫向彎曲波/縱波、G類垂向彎曲波/縱波和H類垂向彎曲波。始發(fā)于低頻的A類橫向彎曲波、B類扭轉(zhuǎn)波、C類垂向彎曲波和E類縱波在全頻段范圍內(nèi)傳遞，致使鋼軌整體

6、產(chǎn)生不同種類的模態(tài)?？奂С锌墒逛撥壷械乃袑?dǎo)波輻射鋼軌噪聲。在截止頻率位置，鋼軌導(dǎo)波衰減率開始劇烈減小，隨頻率增大，鋼軌導(dǎo)波衰減率再次增大。將波導(dǎo)有限元模型與鋼軌鐵木辛柯梁模型進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為鐵木辛柯梁模型不能反映高階彎曲波和導(dǎo)波波型交換現(xiàn)象，難以適于鋼軌高頻波動(dòng)特性的分析，波導(dǎo)有限元模型因包含了鋼軌橫截面變形特征而突顯優(yōu)勢(shì)。
　　4.道床板波導(dǎo)特性研究
　　對(duì)道床板波導(dǎo)特性和橫截面速度導(dǎo)納分布規(guī)律進(jìn)行了分析，研究了單層道

7、床板和結(jié)合式道床板波導(dǎo)特性的變化特點(diǎn)，以及層間連接破壞對(duì)結(jié)合式道床板波導(dǎo)特性的影響。通過研究，首次提出單層道床板1 kHz以內(nèi)、結(jié)合式道床板500 Hz以內(nèi)均存在十種導(dǎo)波模態(tài)。在1kHz頻率范圍內(nèi)，單層道床板的十種導(dǎo)波模態(tài)包括A類零階垂向彎曲波、B類扭轉(zhuǎn)波（一階垂向彎曲波）、C類二階垂向彎曲波、D類三階垂向彎曲波、E類橫向彎曲波、F類零階縱波和二階縱波/剪切波、G類一階縱波/剪切波、H類四階垂向彎曲波、Ⅰ類二階縱波/剪切波和零階縱波、J

8、類二階縱波/剪切波。結(jié)合式道床板存在同單層道床板相同的零階、一階、二階、三階垂向彎曲波、零階縱波和二階縱波/剪切波、一階縱波/剪切波。結(jié)合式道床板較單層道床板多了兩種導(dǎo)波模態(tài)，即二階縱波/剪切波和零階縱波、二階縱波/剪切波。道床板橫截面速度導(dǎo)納的分布主要受垂向彎曲波的影響，與道床板中的縱波和剪切波沒有明顯關(guān)系。道床板高階導(dǎo)波的衰減率比四種主要導(dǎo)波（A類零階垂向彎曲波、B類扭轉(zhuǎn)波（一階垂向彎曲波）、E類橫向彎曲波和F類零階縱波和二階縱波/