高速鐵路軌道動力學——模型、算法與套用（第二版），是科學出版社2021年出版的一本圖書，作者是雷曉燕
基本介紹
- 中文名： 高速鐵路軌道動力學——模型、算法與套用（第二版）
- 作者：雷曉燕
- 出版社：科學出版社
- 出版時間：2021年2月
- ISBN：9787030680488
內容簡介,圖書目錄,作者簡介,
內容簡介
本書是雷曉燕教授帶領的課題組十餘年來關於高速鐵路軌道動力學研究成果的系統總結。研究內容屬現代鐵路軌道動力學理論中的前沿問題，涉及高速列車軌道耦合系統動力學理論、模型、算法及工程套用。全書共十六章，包括軌道動力學分析內容及相關標準、軌道結構動力分析的解析法、軌道結構動力分析的傅立葉變換法、高架軌道結構振動特性分析、軌道不平順功率譜及數值模擬、車輛軌道耦合系統豎向動力分析模型、車輛軌道耦合系統動力分析的交叉疊代算法、動輪單元模型及算法、軌道單元和車輛單元模型及算法、車輛軌道耦合系統動力分析的移動單元法、車輛軌道路基大地耦合系統豎向動力分析模型、列車有砟軌道路基耦合系統動力特性分析、列車板式軌道路基耦合系統動力特性分析、有砟無砟軌道過渡段動力特性分析、基於譜單元法的軌道結構中高頻振動特性分析，以及預測高架軌道引起大地振動的半解析預測方法。
圖書目錄
序
前言
第一章 軌道動力學分析內容及相關標準 1
1.1 軌道動力學模型與方法研究回顧 1
1.2 軌道動力學分析內容 4
1.3 安全性平穩性限值 5
1.3.1 普通列車安全性限值 5
1.3.2 普通列車平穩性限值 7
1.3.3 提速列車安全性及平穩性限值 8
1.4 高速鐵路軌道維修管理標準 9
1.4.1 法國高速鐵路軌道維修管理標準 10
1.4.2 日本新幹線高速鐵路軌道維修管理標準 10
1.4.3 德國高速鐵路軌道維修管理標準 11
1.4.4 英國高速鐵路軌道維修管理標準 12
1.4.5 韓國高速鐵路軌道幾何狀態檢測標準 13
1.4.6 中國高速鐵路軌道不平順維修管理標準 14
1.4.7 歐洲高速列車-軌道耦合系統主頻範圍和敏感波長 15
1.5 鐵路環境噪聲標準 15
1.5.1 噪聲評價指標 15
1.5.2 中國鐵路噪聲標準 16
1.5.3 國外鐵路噪聲標準 17
1.6 鐵路環境振動標準 18
1.6.1 振動參量及評價指標 18
1.6.2 城市區域環境振動標準 21
1.6.3 城市軌道交通引起建築物振動與二次輻射噪聲標準 22
1.7 古建築結構容許振動標準 23
參考文獻 27
第二章 軌道結構動力分析的解析法 32
2.1 高速列車誘發地面波與軌道強振動研究 32
2.1.1 軌道結構連續彈性基礎梁模型 32
2.1.2 軌道等效剛度與軌道基礎彈性模量的關係 34
2.1.3 軌道臨界速度 34
2.1.4 軌道強振動分析 35
2.2 軌道剛度突變對軌道振動的影響 37
2.2.1 移動荷載作用下考慮軌道表面不平順和剛度突變的軌道振動模型 38
2.2.2 軌道不平順和軌道剛度突變對軌道振動的影響 40
2.2.3 軌道過渡段剛度設計及平緩措施 44
參考文獻 45
第三章 軌道結構動力分析的傅立葉變換法 47
3.1 軌道結構連續彈性單層梁模型 47
3.1.1 傅立葉變換 48
3.1.2 快速離散傅立葉逆變換 49
3.1.3 Matlab中的離散傅立葉逆變換定義 49
3.2 軌道結構連續彈性雙層梁模型 50
3.3 高速鐵路軌道振動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 客貨混運鐵路軌道結構振動分析 61
3.4.1 軌道結構連續彈性三層梁模型 61
3.4.2 軌道隨機不平順的數值模擬 62
3.4.3 求解軌道結構連續彈性三層梁模型的傅立葉變換法 62
3.4.4 客貨混運鐵路軌道結構振動分析 64
3.5 軟土地基瀝青基礎有砟軌道結構振動分析 66
3.5.1 軌道結構連續彈性四層梁模型 67
3.5.2 求解軌道結構連續彈性四層梁模型的傅立葉變換法 68
3.5.3 軟土地基瀝青基礎有砟軌道結構振動分析 70
參考文獻 74
第四章 高架軌道結構振動特性分析 75
4.1 導納的基本概念 75
4.1.1 導納的定義 75
4.1.2 計算方法 76
4.1.3 諧回響分析 77
4.2 高架橋樑結構振動特性分析 77
4.2.1 解析梁模型 78
4.2.2 有限元模型 81
4.2.3 高架軌道橋樑解析模型與有限元模型對比 83
4.2.4 橋樑支座剛度的影響 83
4.2.5 橋樑截面型式的影響 84
4.3 高架軌道結構振動特性分析 86
4.3.1 高架軌道-橋樑解析模型 86
4.3.2 有限元模型 89
4.3.3 橋樑結構阻尼 89
4.3.4 高架軌道-橋樑系統參數分析 91
4.4 高架軌道結構振動衰減分析 95
4.4.1 振動傳播衰減率 95
4.4.2 鋼軌振動衰減係數 100
參考文獻 100
第五章 軌道不平順功率譜及數值模擬 102
5.1 隨機過程的基本概念 102
5.1.1 平穩隨機過程 103
5.1.2 各態歷經 104
5.2 軌道結構隨機不平順功率譜 104
5.2.1 美國軌道不平順功率譜 105
5.2.2 德國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 中國軌道不平順功率譜 107
5.2.5 合-武客運專線軌道不平順譜 109
5.2.6 軌道不平順功率譜擬合曲線的比較 111
5.3 軌道結構隨機不平順的數值模擬 116
5.4 三角級數法 116
5.4.1 三角級數法 1116
5.4.2 三角級數法 2117
5.4.3 三角級數法 3118
5.4.4 三角級數法 4118
5.5 軌道結構隨機不平順樣本 118
參考文獻 119
第六章 車輛-軌道耦合系統豎向動力分析模型 120
6.1 動力有限元基本理論 120
6.1.1 動力有限元法概述 120
6.1.2 梁單元理論 123
6.2 軌道結構的有限元方程 129
6.2.1 基本假設與計算模型 129
6.2.2 軌道結構廣義梁單元模型 129
6.3 移動軸荷載作用下軌道動力學模型 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 車輛與軌道結構參數 141
6.7.1 車輛結構參數 141
6.7.2 軌道結構參數 142
參考文獻 144
第七章 車輛-軌道耦合系統動力分析的交叉疊代算法 146
7.1 車輛-軌道非線性耦合交叉疊代算法 146
7.2 算例驗證及收斂性分析 150
7.2.1 算例驗證 150
7.2.2 時間步長的影響 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動力分析 155
7.4 結論 161
參考文獻 162
第八章 動輪單元模型及算法 163
8.1 動輪單元模型 163
8.2 單輪附有一系懸掛的動輪單元模型 165
8.3 單輪附有二系懸掛的動輪單元模型 168
8.4 單輪過橋動力分析模型及算法 171
參考文獻 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 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 177
9.2.2 三層板式軌道單元 178
9.2.3 板式軌道單元質量矩陣 179
9.2.4 板式軌道單元剛度矩陣 180
9.2.5 板式軌道單元阻尼矩陣 184
9.3 板式軌道-橋樑單元模型 185
9.3.1 基本假設 185
9.3.2 三層板式軌道-橋樑單元 186
9.3.3 板式軌道-橋樑單元質量矩陣 187
9.3.4 板式軌道-橋樑單元剛度矩陣 188
9.3.5 板式軌道-橋樑單元阻尼矩陣 191
9.4 車輛單元模型 192
9.4.1 車輛單元的勢能 193
9.4.2 車輛單元的動能 197
9.4.3 車輛單元的耗散能 197
9.5 車輛-軌道耦合系統有限元方程 198
9.6 列車-軌道耦合系統動力分析 199
參考文獻 203
第十章 車輛-軌道耦合系統動力分析的移動單元法 205
10.1 基本假設 205
10.2 板式軌道三層梁移動單元模型 206
10.2.1 板式軌道控制方程 206
10.2.2 板式軌道移動單元的質量、阻尼和剛度矩陣 208
10.3 車輛單元模型 218
10.4 車輛-板式軌道耦合系統有限元方程 218
10.5 算例驗證 219
10.6 高速列車-板式軌道耦合系統動力分析 220
參考文獻 227
第十一章 車輛-軌道-路基-大地耦合系統豎向動力分析模型 228
11.1 移動荷載作用下板式軌道-路堤-大地系統模型 228
11.1.1 板式軌道-基床系統動力方程及解 229
11.1.2 路堤本體-大地系統動力方程及解 231
11.1.3 板式軌道-路堤-大地系統耦合振動 233
11.2 移動荷載作用下有砟軌道-路堤-大地系統模型 234
11.2.1 有砟軌道-基床系統動力方程及解 235
11.2.2 有砟軌道-路堤-大地系統耦合振動 236
11.3 移動車輛-軌道-路基-大地耦合振動解析模型 237
11.3.1 移動車輛在輪對處的柔度矩陣 237
11.3.2 軌道-路基-大地系統在輪軌接觸點處的柔度矩陣 239
11.3.3 考慮軌道不平順的移動車輛-軌道-路基-大地系統耦合 240
11.4 高速列車-軌道-路基-大地耦合系統動力回響分析 241
11.4.1 列車速度和軌道不平順對路堤本體振動的影響 241
11.4.2 基床剛度對路堤本體振動的影響 243
11.4.3 路堤土體剛度對路堤本體振動的影響 243
參考文獻 244
第十二章 列車-有砟軌道-路基耦合系統動力特性分析 245
12.1 車輛與軌道結構參數 245
12.2 列車速度效應分析 246
12.3 軌道基礎剛度效應分析 249
12.4 過渡段不平順效應分析 251
12.5 過渡段綜合效應分析 256
參考文獻 259
第十三章 列車-板式軌道-路基耦合系統動力特性分析 261
13.1 算例驗證 261
13.2 板式軌道結構參數 263
13.3 列車-板式軌道-路基耦合系統動力特性參數分析 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 278
第十四章 有砟-無砟軌道過渡段動力特性分析 279
14.1 有砟-無砟軌道過渡段行車速度效應分析 280
14.2 有砟-無砟軌道過渡段軌道基礎剛度效應分析 282
14.3 有砟-無砟軌道過渡段整治措施 284
參考文獻 286
第十五章 基於譜單元法的軌道結構中高頻振動特性分析 288
15.1 引言 288
15.2 軌道結構單層梁模型 289
15.2.1 軌道結構單層梁模型譜單元剛度矩陣 290
15.2.2 由鋼軌扣件引起的軌道結構譜單元剛度矩陣 295
15.2.3 二維梁截斷譜單元剛度矩陣 295
15.2.4 整體結構的譜剛度矩陣 296
15.3 無砟軌道結構三層梁模型譜單元剛度矩陣 297
15.4 軌道結構振動單層梁模型分析 301
15.5 無砟軌道結構中高頻振動參數分析 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 結論 314
15.6 車輛-軌道耦合系統動力分析的頻域法 314
15.6.1 車輛模型 314
15.6.2 車輛-軌道耦合系統動力學譜元法方程 316
15.7 車輛-軌道耦合系統動力回響頻域分析 317
15.7.1 模型驗證 317
15.7.2 車輛-軌道耦合系統動力回響頻域分析 318
15.7.3 輪軌接觸處車輪和鋼軌垂向振動分析 320
15.7.4 離開車輛不同距離軌道結構振動衰減特性分析 321
15.7.5 結論 322
參考文獻 322
第十六章 高架軌道引起大地振動的半解析預測方法 324
16.1 大地振動的半解析預測法 325
16.1.1 基於有限元和無窮元的大地振動分析 326
16.1.2 無窮元 327
16.1.3 數值積分 330
16.1.4 基於測量振動回響的有效列車荷載估計方法 332
16.1.5 列車荷載對相鄰橋墩的影響 334
16.2 現場試驗驗證 334
16.2.1 橋樑結構和實驗裝置 334
16.2.2 識別土壤參數和有效列車荷載 338
16.2.3 運用遺傳算法求解目標函式最小值 339
16.2.4 大地振動預測 342
16.3 結論 346
參考文獻 346
相關專業術語 349
附錄A 車輛與軌道結構參數 363
彩圖
Contents
Forword
Preface
Chapter 1 Track dynamic analysis contents and related standards 1
1.1 A review of research on track dynamic model and method 1
1.2 Track dynamic analysis contents 4
1.3 Allowance for safety and riding 5
1.4 Standards of track maintenance for high-speed railway 9
1.5 Railway environmental noise standards 15
1.6 Railway environmental vibration standards 18
1.7 Allowable vibration standards of historic building structures 23
References 27
Chapter 2 Analytic method for dynamic analysis of the track structure 32
2.1 Studies of ground surface waves and strong track vibrations induced by high speed train 32
2.2 Effects of track stiffness abrupt change on track vibration 37
References 45
Chapter 3 Fourier transform method for dynamic analysis of the track structure 47
3.1 Model of single-layer continuous elastic beam for the track structure 47
3.2 Model of double-layer continuous elastic beam for the track structure 50
3.3 Analysis of high-speed railway track vibration and track critical speed 52
3.4 Vibration analysis of track for railways with mixed passenger and freight traffic 61
3.5 Vibration analysis of ballast track with asphalt trackbed over soft subgrade 66
References 74
Chapter 4 Dynamic characteristic analysis of the elevated track structure 75
4.1 Basic concept of admittance 75
4.2 Dynamic characteristic analysis of the elevated bridge structures 77
4.3 Dynamic characteristic analysis of the elevated track structures 86
4.4 Dynamic attenuation analysis of the elevated track structures 95
References 100
Chapter 5 Track irregularity power spectrum and numerical simulation 102
5.1 Basic concepts of random process 102
5.2 Random irregularity power spectrum of the track structure 104
5.3 Numerical simulation for random irregularity of the track structure 116
5.4 Trigonometric series method 116
5.5 Sample of the track structure random irregularity 118
References 119
Chapter 6 Model for vertical dynamic analysis of the vehicle and track coupling system 120
6.1 Fundamental theory of dynamic finite element method 120
6.2 Finite element equations of the track structure 129
6.3 Model of track dynamics under moving axle loads 134
6.4 Vehicle model of a single wheel with primary suspension system 135
6.5 Vehicle model of half a car with primary and secondary suspension system 137
6.6 Vehicle model of a whole car with primary and secondary suspension system 139
6.7 Parameters for vehicle and track structure 141
References 144
Chapter 7 Cross iteration algorithm for dynamic analysis of the vehicle and track coupling system 146
7.1 Cross iteration algorithm for the vehicle and track nonlinear coupling system 146
7.2 Example validation and convergence analysis 150
7.3 Dynamic analysis of the train and track nonlinear coupling system 155
7.4 Conclusions 161
References 162
Chapter 8 Moving element model and algorithm 163
8.1 Moving element model 163
8.2 Moving element model of a single wheel with primary suspension system 165
8.3 Moving element model of a single wheel with primary and secondary suspension system 168
8.4 Model and algorithm for dynamic analysis of a single wheel passing through the bridge 171
References 173
Chapter 9 Track element and vehicle element model and algorithm 174
9.1 Ballast track element model 174
9.2 Slab track element model 177
9.3 Slab track-bridge element model 185
9.4 Vehicle element model 192
9.5 Finite element equation of the vehicle and track coupling system 198
9.6 Dynamic analysis of the vehicle and track coupling system 199References 203
Chapter 10 Moving element method for dynamic analysis of the vehicle and track coupling system 205
10.1 Basic assumptions 205
10.2 Moving element model for the slab track simulated as three layer beams 206
10.3 Vehicle element model 218
10.4 Finite element equation of the vehicle and slab track coupling system 218
10.5 Example validation 219
10.6 Dynamic analysis of the high speed train and track coupling system 220
References 227
Chapter 11 Model for vertical dynamic analysis of the vehicle, track, subgrade and ground coupling system 228
11.1 Model of the slab track, embankment and ground system under moving loads 228
11.2 Model of the ballast track, embankment and ground system under moving loads 234
11.3 Analytical vibration model for the vehicle,track, subgrade and ground coupling system 237
11.4 Dynamic analysis of the high speed train, track, subgrade and ground coupling system 241
References 244
Chapter 12 Dynamic characteristic analysis of the train, ballast track and subgrade coupling system 245
12.1 Parameters for vehicle and track structure 245
12.2 Influence analysis of the train speed 246
12.3 Influence analysis of the track foundation stiffness 249
12.4 Influence analysis of the transition irregularity 251
12.5 Influence analysis of the combined track stiffness and transition irregularity 256
References 259
Chapter 13 Dynamic characteristic analysis of the train, slab track and subgrade coupling system 261
13.1 Example validation 261
13.2 Parameters of the slab track structure 263
13.3 Dynamic characteristic parameter analysis for the train, slab track and subgrade coupling system 263
References 278
Chapter 14 Dynamic characteristic analysis for the track transition between ballast track and ballastless track 279
14.1 Influence analysis of the train speed for the track transition between ballast track and ballastless track 280
14.2 Influence analysis of the track foundation stiffness for the track transition between ballast track and ballastless track 282
14.3 Remediation measures of the track transition between ballast
track and ballastless track 284
References 286
Chapter 15 Analysis of mid-high frequency vibration characteristics of track structures based on spectral element method 288
15.1 Introduction 288
15.2 Single layer beam model of track structure 289
15.3 The stiffness matrix of spectral elements in the three-layer beam model of ballastless track structure 297
15.4 Analysis of single layer beam model of track structure vibration 301
15.5 Parameter analysis of ballastless track structure vibration in mid-high frequencies 303
15.6 Frequency domain method for dynamic analysis of vehicle-track coupling system 314
15.7 Frequency domain analysis of dynamic response of vehicle-track coupling system 317
References 322
Chapter 16 A semi-analytical method to predict ground vibration caused by elevated track 324
16.1 Semi-analytical prediction of ground vibration 325
16.2 On-site test validation 334
16.3 Conclusions 346
References 346
Related terminology 349
Appendix AVehicle and track structure parameters 363
Colorgraphic
