CN108614073A - 考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，属于轨道检测设备技术领域。该***包括阻尼土箱、双线铁路轨道路基缩尺结构模型、荷载输入***和数据采集***。阻尼土箱由内膜层、弹簧层、外金属层、外伸梁、连接线组成；双线铁路轨道路基缩尺结构模型由无砟轨道或有砟轨道、路基、地基层组成；荷载输入***由作动器和连接梁组成；数据采集***由上部轨道结构检测装置、下部路基地基结构检测装置、数据采集存储***及连接装置、电脑组成。本发明可考虑边界效应，使模型充分真实的反映原型，实现对于实际双线轨道路基动力响应的研究。

Description

考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***
技术领域
本发明属于轨道测试设备技术领域，尤其涉及到一种考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***。
背景技术
目前对于铁路轨道和路基动力响应的研究有现场试验和室内试验，而现场试验受列车运行环境的限制，测试费用昂贵，对测试技术要求很高，因此室内试验成为了主要的研究手段。目前室内试验主要集中在单线足尺(全比例)无路堤结构的轨道路基***，而且足尺模型体量巨大，对于人力、财力、物力都是极大挑战，测试费用可与现场试验相当。更重要的是，在一般的室内试验中始终未有解决过模型的边界问题，一般只是把模型放在钢制箱体或混凝土砌体墙体中。而我国在建和已经投入使用的有砟和无砟、低速和高速铁路基本都是双线带路堤的轨道路基结构，针对实际运行的铁路模型进行研究很有必要。建立符合实际的双线带路堤轨道路基试验模型***，并进行能模拟真实结构的缩尺试验，这不仅能解决我国在建和已经投入使用双线轨道路基结构鲜有研究的难题，相对足尺结构试验还能大大的节省人力、财力、物力。
而在真实情境下，地基没有边界，但是一般模型都是有固定尺寸的，当前研究认为边界处可假定各位置主要存在向外部可移动的有限位移和能量消耗(实际为向外部的能量传递)。但在当前室内试验中，由于轨道、路基和地基模型盛放在钢制箱体或混凝土砌体墙体中，即模型边界采用固定边界。在这种情况下，上部作动器模拟的列车荷载传递到模型边界时，固定边界既无法提供让路基和地基自由移动，也无法吸收传来的能量(即导致本应通过边界传到模型外的能量又返回到了模型内部，致使模型整体能量假性偏大)，已有研究表明固定边界试验结果与真实情境的路基响应结果差距较大。
发明内容
为了克服现有室内模型试验的不足，给路基和地基提供实际中自由移动的位移，通过阻尼土箱吸收边界处本应传导出去的能量，保持模型整体能量平衡，更加真实的反映原型。本发明提供了一种考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，包括阻尼土箱、双线铁路轨道路基缩尺结构模型、荷载输入***和数据采集***。阻尼土箱用以提供模型的边界，即用以考虑模型的边界效应、以及盛放模型；双线铁路轨道路基缩尺结构模型用以提供试验模型；荷载输入***用以提供输入荷载；数据采集***用以采集模型在输入荷载下产生的动力响应数据；其中，双线铁路轨道路基缩尺结构模型盛放在阻尼土箱中，荷载输入***在双线铁路轨道路基缩尺结构模型上部，数据采集***中的检测装置埋在双线铁路轨道路基缩尺结构模型中。
进一步，阻尼土箱包括内膜层、弹簧层、外金属层、外伸梁、连接线，由内到外依次为内膜层、弹簧层、外金属层。内膜层上部开口，其包括底面和侧面，侧面和底面通过粘接成为一体，且底面平整；弹簧层包括若干相互对立的弹簧，弹簧的两端分别与内膜层、外金属层粘接或焊接，且每个弹簧的中心轴均垂直于内膜层，在优选的实施方式中，弹簧成组有序排列；外金属层上部开口，作为举例而非限定，外金属层可以是长方体形状的，在长方体四个角的顶部上分别设置平行于其底面且与其侧面有一定夹角的、向其内部突出的外伸梁，外伸梁的内端为悬臂式，外伸梁的外端与外金属层焊接固定；作为举例而非限定，外伸梁也可以是长方体形状的，外伸梁的内端(即远离外金属层的一端)开设有通孔，通孔的直径大于连接线外径；内膜层的侧面顶部设有用于穿设连接线的穿孔，在优选的实施方式中，内膜层各侧面顶部向内适当卷起，且卷起边顺势以粘接方式固定在内膜层的侧面膜层上并形成可穿线的穿孔；连接线穿设于穿孔内，且连接线两端分别系于与各自最接近的外伸梁的通孔中，用以固定整个阻尼土箱。
在本发明中，弹簧层中弹簧的数量和刚度可以根据每次试验情况的不同而进行调整；其中，弹簧的数量可以任意预设，而弹簧的刚度Kavg可以通过以下公式进行数值计算分析得出：
Kbn为弹性系数(单位N/m3)，αn为修正系数，G为模型土的剪切模量(单位Pa或N/m2)，R为加载点与边界之间的垂直距离(单位m)，Kavg为弹簧的刚度(单位N/m)，N为每个面上的弹簧总数，Ai为内膜层一侧侧面的面积(单位m2)。
上述公式的文献来源：Chen J,Zhou G X,Zhou Y,Zhang F L.Influences ofDifferent Boundary Conditions on Three-dimensional Structure of BallastlessTrack-Subgrade under Exogenous Excitation.In:Proceedings of the 6th Asian-Pacific symposium on structural reliability and its applications,vol.6；2016.p.699-703.
双线铁路轨道路基缩尺结构模型为双线，即路基上有对称于路基中心纵断面布置的两个轨道缩尺结构；进一步，双线铁路轨道路基缩尺结构模型可以是无砟轨道路基或有砟轨道路基结构模型。无砟轨道路模型从上到下可以包括四根小型的钢轨、扣件、CRTS I型或II型或III型的无砟轨道板、粘结层、支承层、路基表层、路基底层、路堤层、地基层；首先把地基层填充在阻尼土箱底部，然后依次填充路堤层、路基底层、路基表层，再将混凝土钢筋结构的支承层现浇固定在路基表层上，在混凝土钢筋结构的支承层上铺设粘结层，将预制好的CRTS I型或II型或III型的无砟轨道板固定在粘结层上，再将四根小型钢轨通过扣件和CRTS I型或II型或III型的无砟轨道板连接固定。同样的，有砟轨道路基结构模型从上到下可以包括四根小型钢轨、扣件、轨枕、碎石道砟组成的道床层、路堤层、地基层；首先把地基层填充在阻尼土箱底部，然后依次填充路堤层、碎石道砟组成的道床层，再将轨枕铺设在道床层上，再将四根小型钢轨通过扣件与轨枕连接固定。
荷载输入***包括作动器和连接梁；作为举例而非限定，连接梁可以为长方体，其下部压在位于无砟轨道板中心横断面的钢轨上，其上部连接作动器。荷载输入***的布置方式为单个安装在一侧轨道缩尺结构上；或安装两个，并以路基中心纵断面为对称轴分别对称布置在两个轨道缩尺结构上。
数据采集***包括上部轨道结构检测装置、下部路基地基结构检测装置、数据采集存储***及连接装置、电脑，上部轨道结构检测装置包括位移传感器、应变片、速度传感器和加速度传感器；下部路基地基结构检测装置包括土压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器；上部轨道结构检测装置和下部路基地基结构检测装置的一端(传感器的输入端)埋在双线铁路轨道路基缩尺结构模型中，上部轨道结构检测装置和下部路基地基结构检测装置的另一端(传感器的输出端)通过连接装置与数据采集存储***相连，数据采集存储***再与电脑连接。
在本发明中，作为举例而非限定，内膜层侧面可以为圆形、长方形或其他多边形中任一种，内膜层材料可以为高强聚氯乙烯或橡胶，其厚度至少1cm；外金属层和外伸梁材料可以为铝、钢、铜、铁、锰、锌中任一种；外伸梁上通孔的形状可以为圆形、长方形或其他多边形中任一种；连接线材料可以为金属，铝、钢、铜、铁、锰、锌中任一种。
本发明提供的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***涉及的为缩尺的轨道路基结构，整个缩尺结构模型各部分的材料均按比例进行设计制作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)实现对于实际双线轨道路基动力响应的研究。
(2)考虑边界效应，使得路基和地基边界在列车动荷载下，边界处可以产生相应位移，并能吸收传递到边界处的能量，从而真实的反映原型。
(3)模型尺寸、材料可自行设计，适应多种环境条件。
附图说明
图1是本发明实施例提供的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***的示意图；
图2是本发明实施例提供的阻尼箱体的示意图；
图3是本发明实施例提供的阻尼箱体上的外伸梁的示意图；
图4是本发明双线铁路轨道路基缩尺结构模型和采集***；
图中标号：1阻尼土箱、2双线铁路轨道路基缩尺结构模型、3荷载输入***、4数据采集***、5内膜层、6弹簧层、7外金属层、8外伸梁、9通孔、10连接线、11钢轨、12扣件、13无砟轨道板、14粘结层、15支承层、16路基表层、17路基底层、18路堤层、19地基层、20作动器、21连接梁。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
实施例：
如图1-4所示，本发明实施例提供的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，包括阻尼土箱1、双线铁路轨道路基缩尺结构模型2、荷载输入***3、数据采集***4；阻尼土箱1包括内膜层5、弹簧层6、外金属层7、外伸梁8、连接线10，双线铁路轨道路基缩尺结构模型2包括无砟轨道路模型，无砟轨道路模型包括四根小型的钢轨11、扣件12、CRTS I型的无砟轨道板13、粘结层14、支承层15、路基表层16、路基底层17、路堤层18、地基层19；荷载输入***3包括作动器20、连接梁21，数据采集***4包括上部轨道结构检测装置、下部路基地基结构检测装置、数据采集存储***及连接装置、电脑，上部轨道结构检测装置包括位移传感器、应变片、速度传感器和加速度传感器；下部路基地基结构检测装置包括土压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器。
由于，弹簧层6中弹簧的数量和刚度可以根据每次试验情况的不同而进行调整；其中，弹簧的数量可以任意预设，而弹簧的刚度Kavg可以通过以下公式进行数值计算分析得出：
Kbn为弹性系数(单位N/m3)，αn为修正系数，G为模型土的剪切模量(单位Pa或N/m2)，R为加载点与边界之间的垂直距离(单位m)，Kavg为弹簧的刚度(单位N/m)，N为每个面上的弹簧总数，Ai为内膜层一侧侧面的面积(单位m2)。
本实施例例中，弹簧数量N预设为20，G、R和Ai通过实测得出，分别代入上述公式，从而得到弹簧的刚度Kavg，并根据弹簧的刚度制作预设数量的弹簧。
然后将外金属层7的四周内壁用强力胶固定住弹簧层6中弹簧的一端，在弹簧层6中弹簧的另一端和内膜层5外侧刷强力胶，将弹簧层6与内膜层5连接固定；接着将内膜层5四个侧面和底面的连接处用防水强力胶粘接，使内膜层5五个面成为一体，再将内膜层5各侧面顶部分别向内适当卷起，并将卷起边顺势以粘接方式固定在内膜层5的各侧面膜层上并形成四个可穿线的穿孔，将连接线10依次穿设于四个穿孔内，将各个侧面顶部的四个穿孔连接起来；采用焊接方式将四个外伸梁8分别固定在外金属层7的四角，外伸梁8与阻尼土箱1的箱体侧面夹角为45度；在外伸梁8远离外金属层7的一端开设通孔9，通孔9的直径大于连接线10外径，连接线10的两端分别系于与各自最接近的外伸梁8的通孔9中，即连接线10一端与一个通孔9连接，其另一端与另一个通孔9连接)。
在阻尼土箱1中填筑和安装双线铁路轨道路基缩尺结构模型2，从下到上依次为地基层19、路堤层18、路基底层17、路基表层16、支承层15、粘结层14、CRTS I型的无砟轨道板13、扣件12、钢轨11，在安装的同时将数据采集***4中的传感器埋进双线铁路轨道路基缩尺结构模型2中；上部轨道结构检测装置和下部路基地基结构检测装置一端埋在双线铁路轨道路基缩尺结构模型2中，另一端通过连接装置与数据采集存储***相连，数据采集存储***再与电脑连接；最后将数据采集***4通过连接线10连接采集设备和电脑，将作动器20固定在连接梁21上，形成荷载输入***3。
本发明实施例提供的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***的工作方式为：作动器20输出动荷载，通过连接梁21将能量传递至双线铁路轨道路基缩尺结构模型2，能量传递至模型边界时，引起路基表层16、路基底层17、路堤层18和地基层19边界颗粒的振动，此时边界颗粒的振动能量又传递至内膜层5和弹簧层6，引起弹簧层6的拉伸和压缩，弹簧吸收的能量即为本应从边界处折射出去的能量，从而较好的模拟了路基和地基介质的边界效应。同时，在能量传递到了双线铁路轨道路基缩尺结构模型2后，数据采集***4中的检测装置开始采集数据、并通过连接装置传递至数据采集存储***中，数据采集存储***再传递至电脑中，在电脑上可以看到可视化的数据图形，包括加速度、速度等数值随时间变化的曲线。对电脑获取的这些数据进行分析，从而对双线带路堤轨道路基结构进行动力响应和荷载传递规律的研究，最终为我国高速铁路的设计和施工提供便利。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (10)

1.一种考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：包括阻尼土箱(1)、双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)、荷载输入***(3)和数据采集***(4)；
所述阻尼土箱(1)用以提供模型的边界，即用以考虑模型的边界效应、以及盛放模型；所述双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)用以提供试验模型；所述荷载输入***(3)用以提供输入荷载；所述数据采集***(4)用以采集模型在输入荷载下产生的动力响应数据；
其中，双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)盛放在阻尼土箱(1)中，荷载输入***(3)在双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)上部，数据采集***(4)中的检测装置埋在双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)中。
2.根据权利要求1所述的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：所述阻尼土箱(1)包括内膜层(5)、弹簧层(6)、外金属层(7)、外伸梁(8)、连接线(10)，由内到外依次为内膜层(5)、弹簧层(6)、外金属层(7)；
所述内膜层(5)上部开口，其包括底面和侧面，侧面和底面通过粘接成为一体，且底面平整；所述弹簧层(6)包括若干相互对立的弹簧，弹簧的两端分别与内膜层(5)、外金属层(7)粘接或焊接，且每个弹簧的中心轴均垂直于内膜层(5)；所述外金属层(7)上部开口，其顶部设置有四个平行于其底面且与其侧面有一定夹角的、向其内部突出的外伸梁(8)；所述外伸梁(8)的内端为悬臂式，外伸梁(8)的外端与外金属层(7)焊接固定，外伸梁(8)的内端开设有通孔(9)，通孔(9)的直径大于连接线(10)外径；内膜层(5)的侧面顶部设有用于穿设连接线(10)的穿孔；连接线(10)穿设于穿孔内，且连接线(10)两端分别系于与各自最接近的外伸梁(8)的通孔中(9)。
3.根据权利要求1所述的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：所述双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)为双线的无砟轨道路基结构模型或双线的有砟轨道路基结构模型。
4.根据权利要求3所述的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：所述无砟轨道路模型从上到下包括四根小型的钢轨(11)、扣件(12)、无砟轨道板(13)、粘结层(14)、混凝土钢筋结构的支承层(15)、路基表层(16)、路基底层(17)、路堤层(18)、地基层(19)；
所述地基层(19)填充在阻尼土箱(1)底部，其上依次填充路堤层(18)、路基底层(17)、路基表层(16)，支承层(15)现浇固定在路基表层(16)上，支承层(15)上铺设粘结层(14)，无砟轨道板(13)固定在粘结层(14)上，四根小型钢轨(11)通过扣件(12)和无砟轨道板(13)连接固定。
5.根据权利要求3所述的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：所述有砟轨道路基结构模型从上到下包括四根小型钢轨、扣件、轨枕、碎石道砟组成的道床层、路堤层、地基层；
所述地基层填充在阻尼土箱(1)底部，其上依次填充路堤层、碎石道砟组成的道床层，轨枕铺设在道床层上，四根小型钢轨通过扣件与轨枕连接固定。
6.根据权利要求1所述的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：所述荷载输入***(3)包括作动器(20)和连接梁(21)；
所述连接梁(21)的下部压在双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)的轨道上，其上部连接作动器(20)；
所述荷载输入***(3)的布置方式为单个安装在双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)的一侧轨道上；或安装两个，并以路基中心纵断面为对称轴分别对称布置在双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)的两侧轨道上。
7.根据权利要求1所述的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：所述数据采集***(4)包括上部轨道结构检测装置、下部路基地基结构检测装置、数据采集存储***、连接装置、电脑；
所述上部轨道结构检测装置包括位移传感器、应变片、速度传感器和加速度传感器；所述下部路基地基结构检测装置包括土压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器；
所述上部轨道结构检测装置和下部路基地基结构检测装置的一端埋在双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)中，上部轨道结构检测装置和下部路基地基结构检测装置的另一端通过连接装置与数据采集存储***相连，数据采集存储***再与电脑连接。
8.根据权利要求1所述的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：所述双线铁路轨道路基缩尺结构模型(2)为缩尺的轨道路基结构，整个缩尺结构模型各部分的材料均按比例进行设计制作。
9.根据权利要求2所述的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：所述内膜层(5)侧面为圆形、长方形或其他多边形中任一种，内膜层(5)材料为高强聚氯乙烯或橡胶，其厚度至少1cm；
所述外金属层(7)和外伸梁(8)材料为铝、钢、铜、铁、锰、锌中任一种；
所述外伸梁(8)上通孔(9)的形状为圆形、长方形或其他多边形中任一种；
所述连接线(10)材料可以为金属，铝、钢、铜、铁、锰、锌中任一种。
10.根据权利要求4所述的考虑边界效应的双线轨道路基缩尺试验模型***，其特征在于：所述无砟轨道板(13)为CRTS I型或II型或III型的。
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