基于复合材料轨枕的重载单线铁路栓焊下承桁梁动力响应分析

桁梁进行动力响应分析,深入探究货车不同速度下穿过桥梁时车辆、轨枕、桥梁的动力性能，以了解木枕与 复合材料轨枕受力与变形状况。结果表明，对于车辆来讲,不同车速状态，轮重减载率与车体振动都能满足

标准规范，木枕或复合材料轨枕铺装时，动力响应并不存在明显差异;不同类型轨枕铺装时，桥梁来讲，不同 车速状态，跨中垂向位移与加速度都明显低于标准阈限值，可在很大程度上满足形成安全需要;复合材料轨

枕应力显著较大，但变形并不显著,不论应力或变形都与复合材料轨枕许用应力或变形相差甚远;复合材料

轨枕的距力作用点周围的轨枕受载相对较大，但是差异并不显著，可考虑为相一致。关键词:复合材料;轨枕;重载单线铁路;下承桁梁;动力响应中图分类号:TQ050.43U213.3 文献标识码:A 文章编号:1001-5922(2020)11-0047-04Analysis of Dynamic Response of Truss Beam Under Welding for Heavy Duty Single-line Railway Based on Composite SleepersLIU Shu-juan(Transportation and Surveying Engineering Branch of Yangling Vocational and Technical College,

Yangling Shaanxi 712100,China)Abstract: For the adaptability of composite sleepers in heavy- haul railway,the dynamic response analysis of heavy-haul single-line railway bolts based on wooden and composite sleepers is carried out to explore the dynamic performance of vehicles,sleepers and bridges when passing through bridges at different speeds in order to under­

stand the stress and deformation of wooden and composite sleepers.The results show that,for vehicles at diflerent speeds,the wheel weight reduction rate and vehicle body vibration can meet the standard specification,and there is no significant difference in dynamic response when paving wooden sleepers or composite sleepers.When different

types of sleepers are installed,in tenns of the bridge,at different speeds,the vertical displacement and acceleration of mid-span are obviously lower than the standard threshold value,which can meet the safety needs to a large ex- tent.The stress of composite sleeper is significant,but the deformation is not significant,and the stress or deforma­

tion is far from the allowable stress or deformation of the composite sleeper.The sleepers around the distance force point of composite sleeper are under relatively large load,but the difierence is not significant,which can be consid­ered as consistent.Key words: composite materials;sleeper;heavy single-track railway;truss beam;dynamic response舷澈菊％W接Academic papers ||学术论文I材料科技与应用型，铁路结构充分考虑布置不均匀且轨枕变形影响作 用，梁端两侧线路长度都需超出列车长度与轨枕20

传统铁路钢桥利用木枕进行活载传输，且基于 护木、护轨、相关联结构件构成明桥面。虽然木枕

弹性与绝缘性良好，但是长时间处在运营状态下依 旧存在显著不足，即木材用量过大，寿命短，需要

倍间距之和，以防止钢轨端部边界效应影响性。基于30t轴质量货车悬挂参数特性，利用两系悬

反复更换；联结部分繁杂，联结模式与操作项目繁 挂车辆模型，一共包含10个自由度。其中耦合振动

琐；机械磨损或裂缝极易造成维修周期缩短，导致 维护工作量增大。而对于既有钢桥来讲，复合材料 轨枕可基于截面优化设计，使得外形与重量接近木 枕，所以选择可行性较大叫 据此，本文基于重载单

分析工况回具体如表］所示。表1车-线-桥耦合振动分析工况Tab.l Vehicle-line-bridge coupled vibration analysis名称编组轨枕轴质量30t重载货车10辆线铁路钢桁梁桥明桥面铺装的玻璃纤维增强树脂复

合材料轨枕，与木枕比较分析，以充分了解复合材

料轨枕的适应性。木枕、复合材料轨枕60、 70、 80. 90美国五级谱样本1 有限元模型通过MIDAS软件构建主桁有限元模型，杆件选

计算车速/km/h轨道不平顺择梁单元，单元间以刚性连接方式实现对接，杆件为 工字型截面。以活动較支座，约束两方向平动自由

轨道结构是动力学系统的重要要素，承受着车辆

施加作用力，并将所承受力传输于桥梁，促使桥梁发 生振动变形；同时将桥梁振动变形传输于车辆，对其 动力性能形成宜接影响。动力分析时，轨道结构选用

度，以固定支座约束三方向平动自由度。在有限元模型中，基于构建零质量的梁单元进 行虚拟车道模拟仿真，在单元节点于纵梁节点之间 构建刚性衔接，以虚拟车道为载体添加移动车辆，

连续分布参数多层离散点支撑梁模型，而钢轨被明确 为连续弹性离散点支撑的无限长梁，轨下基础沿着纵 向逐渐发生离散。以模拟车辆活载作用。将作用于跨中钢轨顶层的横 向集中力转变于跨中两纵梁截面中心，生成的力矩

钢桥明桥面木枕选择分开式K形扣件进行衔接, 复合材料轨枕则利用弹条扣件进行对接。在动力性

转变为竖向荷载，交互反向施加于纵梁截面中心，

以构成力偶雹能分析过程中，钢轨与轨枕弹性衔接，轨枕仿真模 拟成带质量刚体，弹性基于轨枕与桥面弹性对接加 以表征。因此选用MIDAS有限元软件建模明确等效

2 车辆、铁路、桥梁动力仿真模型构建64m铁路单线钢桁梁桥材料即16Mnq,活载选择

中-22级。既有桥梁线路选择明桥面木枕，在防爬角

刚度。复合材料轨枕与木枕都选择实体单元衔接, 枕木和钢梁在接触面范围内采取简支模式相互连 接，在铁垫板相应区域内增加荷载，以了解桥面木

钢作用下，木枕布置缺乏均匀性。钢桥两侧过渡段设 置14根木枕，然后利用混凝土轨枕，过渡段相互对

枕等效刚度即175MN/m,复合材料轨枕等效刚度即

称。为探究复合材料轨枕替代木枕之后，车辆、铁 路、桥梁的动力响应性能变化，构建动力仿真分析模

192MN/mo桥枕材料与界面特性旳具体如表2所示。表2桥枕材料与截面特性Tab.2 Materials and section characteristics of bridge pillow截面转动惯量曲桥枕外形尺寸/mm弯曲弹性模量/GP1041等效刚度/m扭转绕水平轴 绕垂直轴2.31X10-4木枕3000x220x2603000x240x1701.8X1082.0X1084.52X10-45.97X10Y3.23X1Q-4 5.52x10-5

复合材料轨枕5.95x10-5轨道不平滑会直接导致轮轨振动，是轨道行车安 全与稳定的关键影响因素。轨道不平滑对于轮轨系统

动力特性的影响是基于轮轨接触关系变化而呈现的。基于美国五级谱所生成轨道不平顺时域样本，其最大048材料科技与应用|| Academic papers

II学术论文幅值骐体如表3所示。连接杆件。基于车辆、铁路、桥梁钢轨，上则车辆,

表3轨道不平滑样本幅值(mm)下则轨桥。车辆与轨桥间耦合关系，呈现于轮轨间的

Tab.3 Track unsmoothed sample amplitude (mm)五级谱左轨轨向不平滑作用力。3 力学响应分析10.36右轨轨向不平滑左轨高低不平滑10.69基于ABAQUS软件构建轨枕-纵梁有限元模型， 面向复合材料轨枕与木枕应力比较分析，以此充分 了解与要求是否相符。复合材料轨枕与木枕都选用

13.7414.87右轨高低不平滑实体单元进行建模，以不同工况衔接模式，合理设

桥梁杆件选择空间梁单元建模分析，就二期荷载 置边界条件，固结时，选择Tie进行连接处理，弹性 则选择Connector进行连接处理，纵梁底层选择固结 处理，外部荷载即30t轴质量，以此于钢轨上发挥作

来讲，以其为均布荷载质量分配于下弦与铁路纵梁。 桥梁结构选择一致刚度矩阵与质量矩阵，阻尼矩阵则

以瑞利阻尼系数表征质量矩阵与刚度矩阵线性组 用冏。基于衔接关系、钢轨与轨枕对接刚度、轨枕与纵

合，即：F = 8M + yK

(1)梁对接刚度等相关要素在系统中的影响作用，构建不 同工况，其中复合材料轨枕与木枕在不同工况下的应 力与变形具体如表4所示。钢桥阻尼比即1%。同时为准确仿真模拟桥面结 构在车辆与桥梁动力中的影响作用，充分考虑纵梁间

表4木枕与复合材料轨枕比较分析Tab.4 Comparative analysis of wooden pillow and composite sleeper计算工况钢轨、木枕固结,木枕基于铁路纵梁固结支撑应力/MPa木枕2.7123.44变形/mm0.680.510.870.66钢轨、复合材料轨枕固结，复合材料轨枕基于铁路纵梁固结支撑钢轨、木枕弹性衔接,木枕基于铁路纵梁固结支撑钢轨、复合材料轨枕弹性衔接,复合材料轨枕基于铁路纵梁固结支撑钢轨、木枕弹性衔接，木枕基于铁路纵梁简支复合材料轨枕木枕1.1931.00复合材料轨枕木枕1.5329.671.650.99钢轨、复合材料轨枕弹性衔接，复合材料轨枕基于铁路纵梁简支复合材料轨枕由表4可以看出，不同工况下，木枕应力与许用 表5三阶自振频率(Hz)应力相比明显较小，复合材料轨枕应力却相对偏大, 然而却比其自身许用应力小，这主要是因为复合材料

Tab.5 Third-order natural frequency (Hz)自振频率振型轨枕惯性矩小于木枕。在实践运用时，木枕可满足重 载运输需要，但复合材料轨枕优化设计过程中，截面

一阶二阶三阶1.813.18对称横弯中心两根竖条可以当作加强筋,以科学合理化截面形

状，以促使复合材料轨枕与木枕刚度接近，计算结果 也同时表明二者变形基本一致叫横弯+扭转对称竖弯3.934 垂向耦合动力分析4.2动力响应分析为全方位面向复合材料轨枕安全性与稳定性分

4.1自振频率分析基于MIDAS软件进行钢桥三阶自振频率计算， 结果冏具体如表5所示。析，计算木枕与复合材料轨枕的车辆、铁路、桥梁动 力响应，具体结果问如表6所示。舷澈菊％W接Academic papers ||学术论文I材料科技与应用表6动力响应分析结果Tab.6 Dynamic response analysis results轨枕

木枕

复合材料轨枕车速/km/h梁端下弦601.130.09701.31801.210.1090L24601.130.09701.310.1080901.241.210.10端横梁跨中0.1059.190.1155.360.1155.39位移/mm47.9153.5947.931.281.5659.201.472.1461.3253.67梁端1.281.5649.590.191.461.341.621.252.031351.6255.550.421.252.0457.28铁路纵梁端横梁跨中2.1361.310.3355.4757.250.4649.580.18梁端下弦0.410.350.49端横梁跨中0.010.0730.020.022.350.022.290.830.833.040.010.740.022.330.022.380.022.230.68加速度2.290.63梁端铁路纵梁端横梁跨中0.440.270.870.550.672.690.440.270.880.640.682.490.650.622.450.690.822.982.71由表6可知，木枕与复合材料轨枕铺装时，车辆 与桥梁动力响应都能满足阈限值相关标准，桥梁与铁

于标准阈限值，可在很大程度上满足形成安全需要;

复合材料轨枕应力显著较大，但变形并不显著，不论

路最大相应出现在70km/h车速状态下，跨中最大动 挠度高达62.32mm。而基于复合材料轨枕，钢轨、轨

应力或变形都与复合材料轨枕许用应力或变形相差甚

远；复合材料轨枕的距力作用点周围的轨枕受载相对 较大，但是差异并不显著，可考虑为相一致。综合车

枕、桥梁与车辆动力响应数值接近，在70km/h车速 状态下，穿过桥梁时的动力响应，即桥梁位移变化最

辆与桥梁动力响应，面向64m重载单线铁路钢横梁

大位置都是铁路纵梁端横梁，增加近3.8%;桥梁加 速度变化最大位置也是铁路纵梁端横梁，增加近

桥，可满足30t轴质量货车60~90km/h车速范围内运 行的安全性与舒适性要求。而且复合材料轨枕刚度

9.5%；不同位置钢轨位移变化都超出1.1%;钢轨加

速度变化最大位置是梁端范围内，增加近2.4%；轨 枕位移变化明显小于1.1%;轨枕加速度变化最大位

大，代替木枕，动力响应并未出现显著性差异。参考文献置也是梁端范围内，增加近2.5%；木枕与复合材料 [1] 张二田.重载运输下大跨度钢桁梁桥病害分析及试

验研究[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版）,2014（2） :6-11+1 &轨枕铺装下，动力响应相接近，这是因为复合材料轨 枕遵循等效刚度原则，可有效防止刚度突变影响行车

稳定性与舒适性叭[2]李运生，安立朋，魏树林，等.重载列车作用下铁路钢

桁梁桥的动力响应分析及疲劳寿命评估[J].石家庄铁

5 结语道大学学报（自然科学版）,2012,25（4）:17-22.综上，传统铁路钢桥采用木枕进行活载传输，虽 然木材弹性与绝缘性能较好，但是用量过大，维护繁

⑶郭子煜.重载铁路大跨度钢桁梁桥面系选择及分析

[J].铁道标准设计，2014（3）:90-93.[4] 王光辉，姚荣雁,涂生伟.重载铁路大跨度钢桁梁桥

面防护体系施工技术[J].铁道建筑,2014（12）:28-31.杂，而复合材料轨枕可基于截面优化设计，使得外形

与重量类似于木枕。基于复合材料轨枕的重载单线铁 路栓焊下承桁梁动力响应分析，得出结论，对于车辆

[5] 徐新利.重载运输条件下铁路下承式钢桁梁力学行

为分析[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版）,2015

来讲，不同车速状态，轮重减载率与车体振动都能满

足标准规范，木枕或复合材料轨枕铺装时，动力响应 并不存在明显差异；不同类型轨枕铺装时，桥梁来

（1）:45-49+53.⑹李运生，刁云峰，张彦玲.铁路钢桁梁桥在重载列车

讲，不同车速状态，跨中垂向位移与加速度都明显低

下的受力适应性分析[J]. （下转第054页）050舷澈菊％W接Academic papers ||学术论文I材料科技与应用有效兼顾了车身重量和较高的强力，为汽车轻量化设

3.3汽车轻量化生产工业中应用碳纤维的建议在汽车产业中，碳纤维复合材料凭借自身独特

计提供了强大的支撑，但目前应用碳纤维复合材料时

优势已经成为实现节能环保功能的有效手段，在提 高新能源汽车续航里程等方面的作用日益凸显，目

仍然普遍存在成形工艺周期过长、量产难度大且成本 高、质量不稳定等方面的不足，需掌握车用碳纤维的 应用前景，并据此不断优化和完善碳纤维复合材料在

前在将碳纤维复合材料应用到汽车轻量化设计与生

产过程中，仍然缺少行业使用与评价标准以及有效 汽车轻量化设计中的应用，推动汽车轻量化研发的顺 利开展与实际应用。的开发技术支撑，导致生产工艺复杂、量产难度 大、生产成本高、质量不稳定等问题。需在政策的

扶持和引导下有效攻克这些问题，确保产业化发展 的碳纤维能够在汽车轻量化研发中广泛应用：①应

参考文献[1] 田雅娟，张志强，陶诚，等.全球碳纤维技术发展分析

及其对我国的启示[J].世界科技研究与发展,2018(04):

及早进行前瞻性布局，由政府牵头汇聚起相关顶尖 科研机构，加大对碳纤维开发技术的研究力度，集

343-354.[2] 彭孟娜，马建伟.碳纤维及其在汽车轻量化中的应用

中攻克关键技术，通过使用成熟先进的技术实现生

产工艺复杂程度的有效降低，进而有效降低生产成

[J].合成纤维工业,2018(01):53-57.[3] 李春晓.碳纤维及其复合材料在汽车领域的应用[J].

新材料产业,2019(01):5-7.本。②在顺应汽车行业市场发展趋势广泛研究和应 用碳纤维复合材料的同时，需提高对报废汽车的关

注，注重研发该材料的后续回收利用技术，及时规 划处理大量复合材料垃圾的策略与方法。③完善人

[4] 白颐，马捷，乔冰，等.化工新材料应用于我国汽车轻

量化的机会分析——赴德国赢创工业集团考察的启示才培养机制，培养和引进国内外先进人才，构建其

[J].化学工业,2018(01):43-47.⑸李方义，文忠武，刘杰，等.基于序列Kriging模型的

尖端技术的复合型人才队伍，碳纤维技术研发机构 的水平取决于尖端核心技术人才，技术研发涉及到

汽车车身轻量化可靠性优化设计[J].汽车安全与节能

多个环节，需通过培养复合型人才配合衔接各环 节。同时完善人才的评价和待遇政策叫学报,2017(02):205-212.[6] 三菱化学碳纤维复合材料改进奥迪车顶制作工艺

4 结语[J].橡塑技术与装备,2017(20):49.[7] 童詰益，施静，赵鑫.碳纤维复合材料在汽车改装领

域的应用[J].科技创新与应用,2019(18):195-196.新能源汽车在国家政策的引导下成为未来的开发

和使用趋势，具备独特优势的碳纤维复合材料发展前 景极其广阔，碳纤维具有易加工、量轻、刚性大、抗 冲击能力强等优势，将其应用于汽车中可使车辆的耐

[8] 段端祥，赵晓昱.纯电动汽车碳纤维复合材料电池箱

体的铺层设计研究[J].玻璃钢/复合材料,2018(06):83-

88.[9] 金发科技热塑性复合材料汽车轻量化产品成功量

产[J].环球聚氨酯,2018(08):9.久性及舒适性等方面的性能得到有效提高，在汽车节

能减排方面发挥出了重要作用，可使新能源汽车续航 里程得到有效提高。基于碳纤维复合材料生产的汽车

(上接第050页)石家庄铁道大学学报(自然科学版),2016,29(4):1-7.[9] 朱志辉，冯乾朔，龚威，等.考虑车-桥耦合的重载铁

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[7] 贾卫中，李响，朱能杰.三塔重载铁路斜拉桥箱桁组

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