高速鐵路軌道動(dòng)力學(xué)：模型、算法與應(yīng)用（第二版）

目錄
序
前言
第一章 軌道動(dòng)力學(xué)分析內(nèi)容及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 1
1.1 軌道動(dòng)力學(xué)模型與方法研究回顧 1
1.2 軌道動(dòng)力學(xué)分析內(nèi)容 4
1.3 安全性平穩(wěn)性限值 5
1.3.1 普通列車安全性限值 5
1.3.2 普通列車平穩(wěn)性限值 7
1.3.3 提速列車安全性及平穩(wěn)性限值 8
1.4 高速鐵路軌道維修管理標(biāo)準(zhǔn) 9
1.4.1 法國(guó)高速鐵路軌道維修管理標(biāo)準(zhǔn) 10
1.4.2 日本新干線高速鐵路軌道維修管理標(biāo)準(zhǔn) 10
1.4.3 德國(guó)高速鐵路軌道維修管理標(biāo)準(zhǔn) 11
1.4.4 英國(guó)高速鐵路軌道維修管理標(biāo)準(zhǔn) 12
1.4.5 韓國(guó)高速鐵路軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) 13
1.4.6 中國(guó)高速鐵路軌道不平順維修管理標(biāo)準(zhǔn) 14
1.4.7 歐洲高速列車-軌道耦合系統(tǒng)主頻范圍和敏感波長(zhǎng) 15
1.5 鐵路環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn) 15
1.5.1 噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo) 15
1.5.2 中國(guó)鐵路噪聲標(biāo)準(zhǔn) 16
1.5.3 國(guó)外鐵路噪聲標(biāo)準(zhǔn) 17
1.6 鐵路環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) 18
1.6.1 振動(dòng)參量及評(píng)價(jià)指標(biāo) 18
1.6.2 城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) 21
1.6.3 城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn) 22
1.7 古建筑結(jié)構(gòu)容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) 23
參考文獻(xiàn) 27
第二章 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的解析法 32
2.1 高速列車誘發(fā)地面波與軌道強(qiáng)振動(dòng)研究 32
2.1.1 軌道結(jié)構(gòu)連續(xù)彈性基礎(chǔ)梁模型 32
2.1.2 軌道等效剛度與軌道基礎(chǔ)彈性模量的關(guān)系 34
2.1.3 軌道臨界速度 34
2.1.4 軌道強(qiáng)振動(dòng)分析 35
2.2 軌道剛度突變對(duì)軌道振動(dòng)的影響 37
2.2.1 移動(dòng)荷載作用下考慮軌道表面不平順和剛度突變的軌道振動(dòng)模型 38
2.2.2 軌道不平順和軌道剛度突變對(duì)軌道振動(dòng)的影響 40
2.2.3 軌道過渡段剛度設(shè)計(jì)及平緩措施 44
參考文獻(xiàn) 45
第三章 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的傅里葉變換法 47
3.1 軌道結(jié)構(gòu)連續(xù)彈性單層梁模型 47
3.1.1 傅里葉變換 48
3.1.2 快速離散傅里葉逆變換 49
3.1.3 Matlab中的離散傅里葉逆變換定義 49
3.2 軌道結(jié)構(gòu)連續(xù)彈性雙層梁模型 50
3.3 高速鐵路軌道振動(dòng)與軌道臨界速度分析 52
3.3.1 單層梁模型分析 52
3.3.2 雙層梁模型分析 55
3.4 客貨混運(yùn)鐵路軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析 61
3.4.1 軌道結(jié)構(gòu)連續(xù)彈性三層梁模型 61
3.4.2 軌道隨機(jī)不平順的數(shù)值模擬 62
3.4.3 求解軌道結(jié)構(gòu)連續(xù)彈性三層梁模型的傅里葉變換法 62
3.4.4 客貨混運(yùn)鐵路軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析 64
3.5 軟土地基瀝青基礎(chǔ)有砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析 66
3.5.1 軌道結(jié)構(gòu)連續(xù)彈性四層梁模型 67
3.5.2 求解軌道結(jié)構(gòu)連續(xù)彈性四層梁模型的傅里葉變換法 68
3.5.3 軟土地基瀝青基礎(chǔ)有砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析 70
參考文獻(xiàn) 74
第四章 高架軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析 75
4.1 導(dǎo)納的基本概念 75
4.1.1 導(dǎo)納的定義 75
4.1.2 計(jì)算方法 76
4.1.3 諧響應(yīng)分析 77
4.2 高架橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析 77
4.2.1 解析梁模型 78
4.2.2 有限元模型 81
4.2.3 高架軌道橋梁解析模型與有限元模型對(duì)比 83
4.2.4 橋梁支座剛度的影響 83
4.2.5 橋梁截面型式的影響 84
4.3 高架軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析 86
4.3.1 高架軌道-橋梁解析模型 86
4.3.2 有限元模型 89
4.3.3 橋梁結(jié)構(gòu)阻尼 89
4.3.4 高架軌道-橋梁系統(tǒng)參數(shù)分析 91
4.4 高架軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)衰減分析 95
4.4.1 振動(dòng)傳播衰減率 95
4.4.2 鋼軌振動(dòng)衰減系數(shù) 100
參考文獻(xiàn) 100
第五章 軌道不平順功率譜及數(shù)值模擬 102
5.1 隨機(jī)過程的基本概念 102
5.1.1 平穩(wěn)隨機(jī)過程 103
5.1.2 各態(tài)歷經(jīng) 104
5.2 軌道結(jié)構(gòu)隨機(jī)不平順功率譜 104
5.2.1 美國(guó)軌道不平順功率譜 105
5.2.2 德國(guó)高速軌道不平順功率譜 106
5.2.3 日本軌道不平順Sato譜 106
5.2.4 中國(guó)軌道不平順功率譜 107
5.2.5 合-武客運(yùn)專線軌道不平順譜 109
5.2.6 軌道不平順功率譜擬合曲線的比較 111
5.3 軌道結(jié)構(gòu)隨機(jī)不平順的數(shù)值模擬 116
5.4 三角級(jí)數(shù)法 116
5.4.1 三角級(jí)數(shù)法 1116
5.4.2 三角級(jí)數(shù)法 2117
5.4.3 三角級(jí)數(shù)法 3118
5.4.4 三角級(jí)數(shù)法 4118
5.5 軌道結(jié)構(gòu)隨機(jī)不平順樣本 118
參考文獻(xiàn) 119
第六章 車輛-軌道耦合系統(tǒng)豎向動(dòng)力分析模型 120
6.1 動(dòng)力有限元基本理論 120
6.1.1 動(dòng)力有限元法概述 120
6.1.2 梁?jiǎn)卧碚?123
6.2 軌道結(jié)構(gòu)的有限元方程 129
6.2.1 基本假設(shè)與計(jì)算模型 129
6.2.2 軌道結(jié)構(gòu)廣義梁?jiǎn)卧Ｐ?129
6.3 移動(dòng)軸荷載作用下軌道動(dòng)力學(xué)模型 134
6.4 單輪附有一系懸掛的車輛模型 135
6.5 半車附有二系懸掛的車輛模型 137
6.6 整車附有二系懸掛的車輛模型 139
6.7 車輛與軌道結(jié)構(gòu)參數(shù) 141
6.7.1 車輛結(jié)構(gòu)參數(shù) 141
6.7.2 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù) 142
參考文獻(xiàn) 144
第七章 車輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析的交叉迭代算法 146
7.1 車輛-軌道非線性耦合交叉迭代算法 146
7.2 算例驗(yàn)證及收斂性分析 150
7.2.1 算例驗(yàn)證 150
7.2.2 時(shí)間步長(zhǎng)的影響 153
7.2.3 收斂精度的影響 153
7.3 列車-軌道非線性耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析 155
7.4 結(jié)論 161
參考文獻(xiàn) 162
第八章 動(dòng)輪單元模型及算法 163
8.1 動(dòng)輪單元模型 163
8.2 單輪附有一系懸掛的動(dòng)輪單元模型 165
8.3 單輪附有二系懸掛的動(dòng)輪單元模型 168
8.4 單輪過橋動(dòng)力分析模型及算法 171
參考文獻(xiàn) 173
第九章 軌道單元和車輛單元模型及算法 174
9.1 有砟軌道單元模型 174
9.1.1 基本假設(shè) 174
9.1.2 三層有砟軌道單元 175
9.2 板式軌道單元模型 177
9.2.1 基本假設(shè) 177
9.2.2 三層板式軌道單元 178
9.2.3 板式軌道單元質(zhì)量矩陣 179
9.2.4 板式軌道單元?jiǎng)偠染仃?180
9.2.5 板式軌道單元阻尼矩陣 184
9.3 板式軌道-橋梁?jiǎn)卧Ｐ?185
9.3.1 基本假設(shè) 185
9.3.2 三層板式軌道-橋梁?jiǎn)卧?186
9.3.3 板式軌道-橋梁?jiǎn)卧|(zhì)量矩陣 187
9.3.4 板式軌道-橋梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃?188
9.3.5 板式軌道-橋梁?jiǎn)卧枘峋仃?191
9.4 車輛單元模型 192
9.4.1 車輛單元的勢(shì)能 193
9.4.2 車輛單元的動(dòng)能 197
9.4.3 車輛單元的耗散能 197
9.5 車輛-軌道耦合系統(tǒng)有限元方程 198
9.6 列車-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析 199
參考文獻(xiàn) 203
第十章 車輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析的移動(dòng)單元法 205
10.1 基本假設(shè) 205
10.2 板式軌道三層梁移動(dòng)單元模型 206
10.2.1 板式軌道控制方程 206
10.2.2 板式軌道移動(dòng)單元的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣 208
10.3 車輛單元模型 218
10.4 車輛-板式軌道耦合系統(tǒng)有限元方程 218
10.5 算例驗(yàn)證 219
10.6 高速列車-板式軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析 220
參考文獻(xiàn) 227
第十一章 車輛-軌道-路基-大地耦合系統(tǒng)豎向動(dòng)力分析模型 228
11.1 移動(dòng)荷載作用下板式軌道-路堤-大地系統(tǒng)模型 228
11.1.1 板式軌道-基床系統(tǒng)動(dòng)力方程及解 229
11.1.2 路堤本體-大地系統(tǒng)動(dòng)力方程及解 231
11.1.3 板式軌道-路堤-大地系統(tǒng)耦合振動(dòng) 233
11.2 移動(dòng)荷載作用下有砟軌道-路堤-大地系統(tǒng)模型 234
11.2.1 有砟軌道-基床系統(tǒng)動(dòng)力方程及解 235
11.2.2 有砟軌道-路堤-大地系統(tǒng)耦合振動(dòng) 236
11.3 移動(dòng)車輛-軌道-路基-大地耦合振動(dòng)解析模型 237
11.3.1 移動(dòng)車輛在輪對(duì)處的柔度矩陣 237
11.3.2 軌道-路基-大地系統(tǒng)在輪軌接觸點(diǎn)處的柔度矩陣 239
11.3.3 考慮軌道不平順的移動(dòng)車輛-軌道-路基-大地系統(tǒng)耦合 240
11.4 高速列車-軌道-路基-大地耦合系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析 241
11.4.1 列車速度和軌道不平順對(duì)路堤本體振動(dòng)的影響 241
11.4.2 基床剛度對(duì)路堤本體振動(dòng)的影響 243
11.4.3 路堤土體剛度對(duì)路堤本體振動(dòng)的影響 243
參考文獻(xiàn) 244
第十二章 列車-有砟軌道-路基耦合系統(tǒng)動(dòng)力特性分析 245
12.1 車輛與軌道結(jié)構(gòu)參數(shù) 245
12.2 列車速度效應(yīng)分析 246
12.3 軌道基礎(chǔ)剛度效應(yīng)分析 249
12.4 過渡段不平順效應(yīng)分析 251
12.5 過渡段綜合效應(yīng)分析 256
參考文獻(xiàn) 259
第十三章 列車-板式軌道-路基耦合系統(tǒng)動(dòng)力特性分析 261
13.1 算例驗(yàn)證 261
13.2 板式軌道結(jié)構(gòu)參數(shù) 263
13.3 列車-板式軌道-路基耦合系統(tǒng)動(dòng)力特性參數(shù)分析 263
13.3.1 軌下墊板和扣件剛度的影響 264
13.3.2 軌下墊板和扣件阻尼的影響 266
13.3.3 CA砂漿剛度的影響 268
13.3.4 CA砂漿阻尼的影響 271
13.3.5 路基剛度的影響 273
13.3.6 路基阻尼的影響 276
參考文獻(xiàn) 278
第十四章 有砟-無(wú)砟軌道過渡段動(dòng)力特性分析 279
14.1 有砟-無(wú)砟軌道過渡段行車速度效應(yīng)分析 280
14.2 有砟-無(wú)砟軌道過渡段軌道基礎(chǔ)剛度效應(yīng)分析 282
14.3 有砟-無(wú)砟軌道過渡段整治措施 284
參考文獻(xiàn) 286
第十五章 基于譜單元法的軌道結(jié)構(gòu)中高頻振動(dòng)特性分析 288
15.1 引言 288
15.2 軌道結(jié)構(gòu)單層梁模型 289
15.2.1 軌道結(jié)構(gòu)單層梁模型譜單元?jiǎng)偠染仃?290
15.2.2 由鋼軌扣件引起的軌道結(jié)構(gòu)譜單元?jiǎng)偠染仃?295
15.2.3 二維梁截?cái)嘧V單元?jiǎng)偠染仃?295
15.2.4 整體結(jié)構(gòu)的譜剛度矩陣 296
15.3 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)三層梁模型譜單元?jiǎng)偠染仃?297
15.4 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)單層梁模型分析 301
15.5 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中高頻振動(dòng)參數(shù)分析 303
15.5.1 軌下墊板和扣件剛度的影響 303
15.5.2 軌下墊板和扣件阻尼的影響 305
15.5.3 CA砂漿剛度的影響 307
15.5.4 CA砂漿阻尼的影響 309
15.5.5 路基剛度的影響 310
15.5.6 路基阻尼的影響 312
15.5.7 結(jié)論 314
15.6 車輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力分析的頻域法 314
15.6.1 車輛模型 314
15.6.2 車輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)譜元法方程 316
15.7 車輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)頻域分析 317
15.7.1 模型驗(yàn)證 317
15.7.2 車輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)頻域分析 318
15.7.3 輪軌接觸處車輪和鋼軌垂向振動(dòng)分析 320
15.7.4 離開車輛不同距離軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)衰減特性分析 321
15.7.5 結(jié)論 322
參考文獻(xiàn) 322
第十六章 高架軌道引起大地振動(dòng)的半解析預(yù)測(cè)方法 324
16.1 大地振動(dòng)的半解析預(yù)測(cè)法 325