مدلسازی سه بعدی روسازی بتنی راه آهن به منظور بررسی پاسخ فرکانسی خط

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود

2 استادیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود

چکیده

با گذشت زمان، به دلیل محدودیت­های زیاد خطوط بالاستی (برای مثال، محدودیت افزایش سرعت و ظرفیت باربری) و هزینه­های تعمیرات این خطوط، طرح استفاده از خطوط بتنی جایگزین خطوط بالاستی شد. اما با استفاده از خطوط بتنی، ابعاد جدیدی در زمینه دینامیک این خطوط مطرح گردید. هدف از این مطالعه، بررسی تأثیر پارامترهای ابعادی و مکانیکی اجزای تشکیل‌دهنده خط (شامل ضخامت و مدول الاستیسیته لایه­ها) روی پاسخ دینامیک قائم مدل سه‌بعدی با استفاده از روش المان محدود است. خط بتنی رهدا 2000 به‌عنوان یکی از پرکاربردترین خطوط مورد استفاده در دنیا، برای این مطالعه انتخاب شد.  تحلیل اجزای محدود خط به دو صورت تحلیل فرکانسی و تحلیل دینامیک حالت پایدار انجام شد. با استفاده از تحلیل فرکانسی، فرکانس­های طبیعی و مدهای ارتعاشی متناظر آن و سپس به کمک تحلیل دینامیک حالت پایدار، تابع پاسخ فرکانسی خط استخراج گردید. مقایسه بین نتایج نشان داد که کاهش مدول الاستیسیته اجزای تشکیل‌دهنده­ خط منجر به کاهش فرکانس­های تشدید و افزایش پاسخ فرکانسی قائم خط شده است. همچنین، افزایش ضخامت لایه­ها منجر به افزایش فرکانس­های تشدید و کاهش پاسخ­های فرکانسی شده است. مدول لایه هیدرولیکی و ضخامت لایه بتنی پارامتر­هایی بودند که بیشترین تأثیر را در رفتار دینامیک قائم این خط بتنی داشتند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

3D Modeling of Slab Track to Study Track Frequency Response

نویسندگان [English]

  • Majid Gholizadeh 1
  • Iman Aghayan 2
1 MSc. Student, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, I. R. Iran.
2 Assistant Professor, Faculty of Civil Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, I. R. Iran.
چکیده [English]

As time went on, ballasted tracks have been replaced with slab tracks due to the extreme limitations of ballasted tracks (e.g., speed and capacity limitations) and high costs of repairing these tracks. But, by using the slab tracks, new dimensions have been presented in dynamics of these lines. The aim of this research is to study the effects of dimensional and mechanical parameters of the track components (i.e., thickness and elasticity modulus of layers) on vertical dynamic response of a three-dimensional model using finite element method. The Rheda 2000, as one of the most widely used tracks in the world, is investigated in this study. The finite element analysis is conducted based on two categories: frequency analysis and steady-state dynamic analysis. The natural frequencies and corresponding vibration modes are extracted by using frequency analysis. Also, frequency response functions of the track are extracted by using steady-state dynamic analysis. Results showed that by decreasing the elasticity modulus of track components, the resonance frequencies decreased and the vertical frequency responses of the track increased. Moreover, increasing the thickness of layers led to the increased resonance frequencies and the decreased vertical frequency response of the track. The elasticity modulus of hydraulically bonded layer and the thickness of concrete bearing layer in Rheda 2000 are the most effective parameters on dynamic behavior of this slab track.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Slab track modeling
  • Vertical dynamic behavior
  • finite element method
  • frequency response function
Blanco-Lorenzo, J., Santamaria, J., Vadillo, E. G. and Oyarzabal, O. 2011. “Dynamic comparison of different types of slab track and ballasted track using a flexible track model. Proc. Inst. Mech. Eng., Part F: J. Rail and Rapid Transit, 225(6): 574-592.
Cai, Z. and Raymond, G. P. 1994. “Modelling the dynamic response of railway track to wheel/rail impact loading”. Struc. Eng. Mech., 2(1): 95-112.
Chebli, H., Clouteau, D. and Schmitt, L. 2008. “Dynamic response of high-speed ballasted railway tracks: 3D periodic model and in situ measurements”. Soil Dyn. Earthq. Eng., 28(2): 118-131.
Craig, R. R. and Kurdila, A. J. 2006. “Fundamentals of Structural Dynamics”. John Wiley and Sons, Inc., N. Y.
Dahlberg, T. 2003. “Railway track dynamics-A survey”. Linköping University.
Duffy, D. G. 1990. “The response of an infinite railroad track to a moving, vibrating mass”. J.  Appl. Mech., 57(1): 66-73.
Irvine, T. 2013. “Calculating transfer functions from normal modes”. Revision E, vibrationdata.
Kalker, J. J. 1996. “Discretely supported rails subjected to transient loads”. Vehicle Syst. Dyn., 25(1): 71-88.
Lei, X. and Zhang, B. 2010. “Analysis of dynamic behavior for slab track of high-speed railway based on vehicle and track elements”. J. Transp. Eng., 137(4): 227-240.
Madshus, C., Kaynia, A. M., Harvik, L. and Holme, J. K. 1998. “A numerical ground model for railway-induced vibration”. Skipp B. O. Ground Dynamics and Man-Made Processes: Prediction, Design and Management. Thomas Telford, London, pp. 45-55.
Michas, G. 2012. “Slab track systems for high-speed railways”. MSc. Thesis, Department of Transport Science, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden.
Nguyen G. K., Goicolea, R. J. M. and Gabaldón Castillo, F. 2011. “Dynamic analysis of high speed railway traffic loads on ballasted track”. Fifth International Symposium on Environmental Vibration, Chengdu, China, October 20-22.
Oyarzabal, O., Correa, N., Vadillo, E. G. and Santamaría, J. 2011. “Modelling rail corrugation with specific-track parameters focusing on ballasted track and slab track”. Vehicle Syst. Dyn., 49(11): 1733-1748.
Popp, K., Kruse, H. and Kaiser, I. 1999. “Vehicle-track dynamics in the mid-frequency range”. Vehicle Syst. Dyn., 31(5-6): 423-464.
Real Herraiz, J., Zamorano, C., Asensio Serrano, T. and Montalbán Domingo, L. 2014. “Comparison of the effect of different sleeper typologies and track layout on railway vibrations”. Lat. Am. J. Solids Struc., 11(12): 2241-2254.
Real, T., Zamorano, C., Hernández, C., García, J. A. and Real, J. I. 2016. “Static and dynamic behavior of transitions between different railway track typologies”. KSCE J. Civ. Eng., 20(4): 1356-1364.
Sayeed, M. A. and Shahin, M. A. 2016. “Three-dimensional numerical modelling of ballasted railway track foundations for high-speed trains with special reference to critical speed”. Transp. Geotech., 6: 55-65.
Shi, L., Cai, Y., Wang, P. and Sun, H. 2016. “A theoretical investigation on influences of slab tracks on vertical dynamic responses of railway viaducts”. J. Sound Vib., 374: 138-154.
Steenbergen, M. J. M. M., Metrikine, A. V. and Esveld, C. 2007. “Assessment of design parameters of a slab track railway system from a dynamic viewpoint”. J. Sound Vib., 306(1): 361-371.
Zhu, S., Yang, J., Yan, H., Zhang, L. and Cai, C. 2015. “Low-frequency vibration control of floating slab tracks using dynamic vibration absorbers”. Vehicle Syst. Dyn., 53(9): 1296-13146.