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基于压电效应的高速铁路路基压电俘能方法研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：陈晓斌金伟涛谢康吕金熊家坤吕鑫龙重载铁路工程结构教育部重点实验室中南大学土木工程学院

为了充分利用高速列车运行中产生的振动能量来解决复杂环境下采集设备的供电问题，意将压电技术应用于铁路工程中，而现在针对高铁路基的压电俘能新方法的探究尚不明晰，缺乏相关的结构研究以适应路基发电的需求，导致路基内的振动能以... 详细信息

为了充分利用高速列车运行中产生的振动能量来解决复杂环境下采集设备的供电问题，意将压电技术应用于铁路工程中，而现在针对高铁路基的压电俘能新方法的探究尚不明晰，缺乏相关的结构研究以适应路基发电的需求，导致路基内的振动能以热量的形式消散。针对这一问题，首先基于压电效应理论，结合高速铁路路基动力响应特点设计出压电俘能装置HRS-PEH(High-speed Railway Piezoelectric Energy Harvester)，建立高速铁路路基压电俘能新方法；接着通过室内列车荷载模拟实验，探究动载振幅、频率和外接电阻等关键参数对HRS-PEH发电量的影响；最后开展现场行车试验，进一步验证HRS-PEH装置的适用性。研究结果表明：（1）HRS-PEH的开路电压随动载振幅的增大而增大，且与频率无明显关系，而负载电压随动载频率和振幅的增加，均呈现线性增大的趋势。故可在工程应用中将HRS-PEH的布置在基床表层顶面、钢轨正下方，即可获得最大发电量。（2）HRS-PEH的输出功率整体上随外接电阻的增加，呈现出先增大后减小趋势，故存在最优外接电阻使得HRS-PEH发电量最大。（3）行车试验发现，若将HRS-PEH布置于高铁路基基床表层，当CRH5型高速列车仅以55km/h低速运行时，HRS-PEH就可收获0.71J电能，可以满足路基健康监控设备的正常工作需求。本研究成果可高效利用列车振动能量转换为无污染电能，推动铁路“双碳”战略目标的实现。

关键词：高铁路基压电理论室内试验行车测试 “双碳”目标

间歇循环荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性研究

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岩土力学 2023年第6期44卷 1671-1682,1694页

作者：杨奇王晓雅聂如松陈琛陈缘正徐方中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075

长期列车荷载作用会引起砂土地基和填料的强度衰减、累积沉降过大甚至沉陷等病害问题,严重者危及行车安全。揭示病害机制需探明间歇荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性。对此开展了不同围压、动力幅值下连续加载与间歇加载的动... 详细信息

长期列车荷载作用会引起砂土地基和填料的强度衰减、累积沉降过大甚至沉陷等病害问题,严重者危及行车安全。揭示病害机制需探明间歇荷载作用下饱和砂土累积塑性变形及孔压特性。对此开展了不同围压、动力幅值下连续加载与间歇加载的动三轴试验,试验结果表明:(1)饱和砂土累积塑性变形-振次曲线呈现锯齿状发展。间歇效应导致卸荷回弹,并显著降低了后加载阶段砂土累积塑性变形,可使连续加载条件下的破坏型“转换”为稳定型。(2)对于塑性安定和塑性蠕变型,孔压-振次关系曲线呈台阶状,第1加载阶段的孔压随振次迅速累积增长,而间歇阶段排水,孔压消散接近或降至0,土体趋密实;在后续加载阶段,孔压累积幅值大幅降低。对于增量破坏型,孔压在第1加载阶段快速增大,试样破坏。(3)建立了表征间歇加载下砂土累积塑性应变两阶段发展特征的预测模型,预测效果良好。(4)间歇效应提高了砂土抵抗塑性变形的能力,连续加载会高估砂土累积塑性应变和低估其动强度。该研究结果对深刻认识间歇循环荷载下饱和砂土的累积变形特性和机制具有重要参考价值。

关键词：列车间歇荷载动三轴试验饱和砂土累积塑性变形超孔隙水压力

间歇循环荷载作用下粉土填料阻尼比与耗散能特性试验研究

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：聂如松周徐海赵春彦阮波王卫东中南大学土木工程学院中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室

由于在轨道上同向行驶的列车之间会有追踪时间间隔，因此路基承受的列车动荷载时程曲线是由列车通过时的动荷载时程曲线和追踪时间间隔内动荷载为零所组成。为研究列车间追踪时间间隔对重载铁路路基动力特性的影响，在室内开展一系列粉... 详细信息

由于在轨道上同向行驶的列车之间会有追踪时间间隔，因此路基承受的列车动荷载时程曲线是由列车通过时的动荷载时程曲线和追踪时间间隔内动荷载为零所组成。为研究列车间追踪时间间隔对重载铁路路基动力特性的影响，在室内开展一系列粉土填料连续循环荷载和考虑列车追踪时间间隔的循环荷载作用的动三轴试验，对比分析两种加载方式下试样耗散能和阻尼比在不同含水率、围压与应力状态下的变化规律。试验结果表明：间歇荷载下试样的每个加载阶段累积塑性应变随着加载阶段数的增加而减小，累积塑性应变速率随之降低，而连续加载下的试样滞回圈在加载初期逐渐致密，随着振次的增加，后期的滞回圈又逐渐疏松。粉土填料平均阻尼比随着含水率的增大而增大，随着加载阶段数的递增而减小，追踪时间间隔会减小试样阻尼。粉土填料耗散能随着围压的增大而减小，随着动应力幅值和含水率的增大而增大。结合试样累积塑性应变研究成果，对试样耗散能边界进行划分，提出从能量耗散的角度判断路基动力稳定性的方法。当相对耗散能特征值低于24%，试样处于动力稳定状态；当相对耗散能特征值位于24%～68%，试样处于临界状态；相对耗散能特征值大于68%时，试样处于失稳状态。研究成果为铁路路基动力稳定性评估与维护提供参考。

关键词：粉土间歇循环荷载阻尼比耗散能相对耗散能特征值

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风屏障端部缓冲结构对列车动力性能的影响

铁道科学与工程学报 2024年

作者：陶玮娄平孙震中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室中南大学土木工程学院

为解决高速列车进入或者离开桥梁风屏障区域时，由于列车运行环境的快速切换导致其气动荷载发生突变从而影响列车运行安全性和乘坐舒适性的问题，提出了两种在桥梁风屏障端部设置的缓冲结构：透风率渐变式缓冲结构和高度渐变式缓冲结构... 详细信息

为解决高速列车进入或者离开桥梁风屏障区域时，由于列车运行环境的快速切换导致其气动荷载发生突变从而影响列车运行安全性和乘坐舒适性的问题，提出了两种在桥梁风屏障端部设置的缓冲结构：透风率渐变式缓冲结构和高度渐变式缓冲结构。缓冲结构的目的是使高速列车能够在桥梁风屏障内部和外部区域平稳过渡。基于改进的延迟分离涡模拟方法，建立了曲线式风屏障-高速列车-桥梁系统以及两种缓冲结构的CFD模型，对比研究了两种缓冲结构对风屏障引起的高速列车气动荷载突变程度的减缓效果。在此基础上，建立了车-轨-桥系统耦合动力学模型，并采用多体动力学软件UNIVERSAL MECHANISM从行车安全性角度分析了两种缓冲方案的效果。研究结果表明：桥梁风屏障端部设置透风率渐变式缓冲结构能够有效降低高速列车进入或离开风屏障区域时气动荷载系数幅值，同时，使列车进入风屏障区域时迎风面压力平缓下降，并减小列车周围涡旋结构尺寸，对列车气动荷载突变效应的减缓效果显著优于高度渐变式缓冲结构。此外，设置透风率渐变式缓冲结构能更好地降低高速列车进出桥梁风屏障区域时轮重减载率和脱轨系数最大值，显著提高列车的运行安全性。研究结果为进一步保障强风区域桥上高速列车安全平稳运行提供参考。

关键词：高速列车风屏障气动荷载突变缓冲结构数值模拟动力性能

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弹性支撑块式无砟轨道力学特性研究

铁道工程学报 2021年第1期38卷 25-31页

作者：曾志平胡广辉王卫东黄相东王俊东中南大学长沙410075 重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学) 长沙410075

研究目的:由于隧道内净空的限制,重载铁路长大隧道内宜铺设无砟轨道,弹性支撑块式无砟轨道(LVT)以其良好的减振性能逐渐在重载铁路中得到应用。为研究不同轴重和加载方式下LVT结构的应力应变特性,本文以蒙华铁路重载铁路隧道应用的LVT为... 详细信息

研究目的:由于隧道内净空的限制,重载铁路长大隧道内宜铺设无砟轨道,弹性支撑块式无砟轨道(LVT)以其良好的减振性能逐渐在重载铁路中得到应用。为研究不同轴重和加载方式下LVT结构的应力应变特性,本文以蒙华铁路重载铁路隧道应用的LVT为例,通过建立LVT结构有限元模型,以探讨LVT结构的受力与变形特征,为LVT轨道结构的优化以及设计施工提供理论依据。研究结论:(1) LVT结构能够保证30 t轴重下静力学性能安全性,当轴重由30 t提高至42 t,钢轨弯矩、轨道结构部件应力及位移幅值增长量在40%左右;横向荷载对轨道结构横向位移及应力的影响显著,板端加载时道床板及底座板应力增量分别为284%、1 000%;(2)横向荷载作用下,除支承块横向应力下降,钢轨弯矩、支承块纵向应力、道床板应力、底座板应力均呈现增长趋势,其中道床板及底座板应力分别增长400%、530%;(3)板端加载时荷载由相邻扣件共同承担,扣件节点反力峰值有所下降,荷载作用点下竖向荷载分配比例由2∶1降低至4∶1,横向荷载分配比例由67%降低至47%;(4)本研究结果对重载铁路中LVT轨道结构的设计和施工有指导意义。

关键词：轴重重载铁路弹性支撑块式无砟轨道 LVT 力学特性

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粗、细粒径煤质对道砟颗粒剪切性能的影响

中南大学学报（自然科学版） 2022年第7期53卷 2789-2797页

作者：陈宪麦陈楠王日吉李赛董春敏中南大学土木工程学院湖南长沙410075 重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075

为探究脏污材料的粒径级配对道砟工作性能的影响,针对清洁道砟和不同粒径煤质污染的脏污道砟进行离散元仿真,采用离散元法对清洁道砟分别添加粗、细2种粒径级配的脏污材质,在脏污程度为20%,30%和40%和法向加载应力为20,50和100 kPa等不... 详细信息

为探究脏污材料的粒径级配对道砟工作性能的影响,针对清洁道砟和不同粒径煤质污染的脏污道砟进行离散元仿真,采用离散元法对清洁道砟分别添加粗、细2种粒径级配的脏污材质,在脏污程度为20%,30%和40%和法向加载应力为20,50和100 kPa等不同工况下进行大型直剪试验模拟,从微细观层面分析脏污材料粒径与脏污程度对道砟剪切力学特性的影响,根据已有的试验数据验证离散元模型参数和模拟结果的准确性。研究结果表明:道砟的剪切应力随剪切箱顶板法向荷载的增大而增大、道砟体积剪胀量随法向荷载增大而减小;剪切试验模拟后,颗粒间的较大接触力沿剪切箱左下—右上角连线分布,且脏污材料粒径越小,污染程度越大,会导致较大接触力分布范围越广;与粗粒径煤炭相比,细粒径煤粉显著降低道砟颗粒间的配位数、接触力、剪切应力等力学特性,且污染程度越大现象越明显,细粒径级配的脏污材质更易导致道砟剪切性能降低;在细粒径煤质污染的道砟集料中,煤粉会很大程度地填充道砟颗粒间的空隙,随脏污程度增大,道砟间填充的煤粉越多更容易处于悬浮状态,导致道砟颗粒间的相互作用力逐渐向煤粉颗粒间的相互作用力转变,使道砟抵抗外荷载的能力降低,这也是煤粉污染的道砟集料比煤炭污染的道砟力学性能下降更多的主要原因。

关键词：直剪试验粒径级配离散元剪切性能脏污程度

路桥过渡段折角型沉降致CRTSⅢ型无砟轨道效应研究

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铁道科学与工程学报 2023年第4期20卷 1292-1303页

作者：娄平黄港归中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075

高速铁路路桥过渡段处由于桥梁和路基的支承刚度不同,桥台后侧路基因难以填筑压实,过渡段容易产生折角型沉降,导致无砟轨道结构产生层间离缝、结构裂缝和路基脱空等病害,影响高速列车运行的舒适性和安全性。以高速铁路路桥过渡段CRTSⅢ... 详细信息

高速铁路路桥过渡段处由于桥梁和路基的支承刚度不同,桥台后侧路基因难以填筑压实,过渡段容易产生折角型沉降,导致无砟轨道结构产生层间离缝、结构裂缝和路基脱空等病害,影响高速列车运行的舒适性和安全性。以高速铁路路桥过渡段CRTSⅢ型板式无砟轨道为研究对象,利用ABAQUS有限元软件建立路桥过渡段无砟轨道空间耦合模型,研究过渡段沉降折角和轨道底座厚度对无砟轨道层间离缝的影响规律,并考虑混凝土塑性损伤特征,分析不同荷载组合和底座厚度对轨道结构受力和变形的影响规律。研究结果表明:折角型沉降角度对轨道结构受力和变形有很大的影响,当折角角度从0.5‰增大到1‰时,自密实混凝土层和底座之间的层间离缝长度从0增长到1.46 m,离缝幅值从0.99 mm增至3.13 mm;路基脱空长度从0增至0.92 m,脱空幅值从0.51 mm增至2.53 mm;在折角型沉降下端,与路基脱空相比,自密实混凝土层间离缝的分布范围较大,但幅值较小;在折角沉降上端,层间离缝的分布范围和幅值都比路基脱空大;底座厚度增加可以减小折角型沉降引起的轨道层间离缝和结构裂缝,使出现损伤的范围和损伤因子最大值都有所降低,底座厚度建议增加至50 cm,可有效改善规范规定的容许过渡段1‰折角沉降对CRTSⅢ型无砟轨道服役状态的不利影响。

关键词：路桥过渡段 CRTSⅢ型板式无砟轨道折角型沉降层间离缝路基脱空变形

考虑荷载间歇的粉土填料变形行为及临界弹性应变分析

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铁道科学与工程学报 2023年第4期20卷 1359-1369页

作者：黄茂桐杨奇聂如松谭永长李亚峰中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075

路基受到的动荷载由列车通过时的连续性周期荷载与列车未通过的荷载间歇组成,大多数对路基填料变形特性的研究中忽略了荷载间歇的存在,无法正确认识列车荷载对路基的作用特征。为了对间歇性循环荷载作用下的重载铁路路基粉土填料变形特... 详细信息

路基受到的动荷载由列车通过时的连续性周期荷载与列车未通过的荷载间歇组成,大多数对路基填料变形特性的研究中忽略了荷载间歇的存在,无法正确认识列车荷载对路基的作用特征。为了对间歇性循环荷载作用下的重载铁路路基粉土填料变形特性进行研究,开展不同动应力、含水率及围压条件下连续性循环荷载和间歇性循环荷载的动三轴对比试验,探讨荷载间歇对粉土填料累积塑性应变及弹性应变的影响,分析间歇加载下粉土填料的弹性应变变化规律。试验结果表明,荷载间歇显著影响粉土填料的累积塑性应变大小和变形行为;间歇阶段的存在使得粉土填料抵抗弹性变形和破坏的能力得到提升;间歇加载下粉土填料的弹性应变随动应力幅值和含水率的增加而增大,随围压的增大而减小。通过对间歇加载下试样的不同变形行为类型进行分析,得到不同安定状态下的临界弹性应变的取值,试样为最优含水率、天然含水量及饱和含水率时,安定极限弹性应变分别为0.14%,0.11%及0.09%,蠕变极限弹性应变分别为0.30%,0.17%及0.13%。研究结果拓展了安定理论的适用性,为认识和评价重载铁路路基的变形行为提供参考。

关键词：重载铁路动三轴试验粉土填料荷载间歇弹性应变安定理论

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地铁叠线隧道盾构掘进对地表沉降影响研究

铁道工程学报 2020年第9期37卷 66-71页

作者：娄平李特中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室长沙410075 中南大学长沙410075

研究目的:地铁叠线隧道由于掘进过程中上下线相互影响且大部分埋深较浅,其对地层的扰动相比常规隧道更为剧烈。本文以佛山地铁3号线某区间叠线隧道为工程背景,利用数值模拟软件建立有限元模型,研究叠线隧道掘进过程中横剖面上土体移动... 详细信息

研究目的:地铁叠线隧道由于掘进过程中上下线相互影响且大部分埋深较浅,其对地层的扰动相比常规隧道更为剧烈。本文以佛山地铁3号线某区间叠线隧道为工程背景,利用数值模拟软件建立有限元模型,研究叠线隧道掘进过程中横剖面上土体移动规律以及地表沉降规律,并探讨掘进面压力以及注浆压力对地表沉降的影响,从而为现场选择合理的地铁叠线隧道盾构掘进施工参数提供理论依据。研究结论:(1)叠线隧道掘进引起的地表沉降具有叠加效应;(2)上线隧道掘进时会引起下线隧道的上浮;(3)浆液处于软化阶段时,地表沉降会急剧增大,从注浆到浆液硬化,这一过程对地表沉降的贡献约40%;(4)增大盾构机掘进面压力以及注浆压力可以有效减小地表沉降,但当注浆压力大于200 k Pa时其作用不再明显;(5)本研究结论可为叠线隧道盾构施工时控制地表沉降提供理论指导。

关键词：叠线隧道数值模拟地表沉降掘进面压力注浆压力