The Pseudo-Excitation Method (PEM) is applied to study the stochastic space vibration responses of train-bridge coupling system. Each vehicle is modeled as a four-wheel mass-spring-damper system with two layers of suspension system possessing 15 degrees-of- freedom. The bridge is modeled as a spatial beam element, and the track irregularity is assumed to be a uniform random process. The motion equations of the vehicle system are established based on the d'Alembertian principle, and the motion equations of the bridge system are established based on the Hamilton variational principle. Separate iteration is applied in the solution of equations. Comparisons with the Monte Carlo simulations show the effectiveness and satisfactory accuracy of the proposed method. The PSD of the 3-span simply-supported girder bridge responses, vehicle responses and wheel/rail forces are obtained. Based on the $3{\sigma}$ rule for Gaussian stochastic processes, the maximum responses of the coupling system are suggested.
In this study, the analysis of high-speed vehicle-bridge interactions by a simplified 3-dimensional finite element model is performed. Since railroads are constructed mostly as double tracks, there exists eccentricity between the vehicle axle and the neutral axis of cross section of a railway bridge. Therefore, for the more efficient and accurate vehicle-bridge interaction analysis, the analysis model should include the eccentricity of axle loads and the effect of torsional forces acting on the bridge. The investigation into the influences of eccentricity of the vehicle axle loads and vehicle speed on vehicle-bridge interactions are carried out for two cases. In the first case, only one train moves on its track and in the other case, two trains move respectively on their tracks in the opposite direction. From the analysis results of an existing bridge, the efficiency and capability of the simplified 3-dimensional model for practical application can be also verified.
In this study, Interaction among each element was construed by the unit of new stiffness matrix to analyze the finite element about Japanese precast concrete slab track and improved slab track. Dynamic analysis which is assumed a static analysis and a trainload on the transverse and the longitudinal load of the train into a series periodic function was performed by using the common program. And then, the difference of the movement between an improved section and an existing structure type was realized. Longitudinal static analysis indicated that the stress of the improved section is smaller than that of the protrusion of the existing slab track. And static and dynamic analysis on transverse load showed a little decrease of the displacement on new slab track. But the dynamic analysis result showed that new track system was considerably decreased by 30% compared with the existing Japanese slab track.
Qian Zhang;Xiaopei Cai;Tao Wang;Yanrong Zhang;Shusheng Yang
Wind and Structures
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v.37
no.4
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pp.275-287
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2023
Subgrade differential settlement of high-speed railways was a pivotal issue that could increase the risk of trains operation. The risk will be further increased when trains in the subsidence zone are affected by crosswinds. In this paper, the computational fluid dynamics (CFD) model and finite element (FE) model were established, and the data transmission interface of the two models was established by fluid-solid interaction (FSI) method to form a systematic crosswind-train-track-subgrade dynamic model. The risk of high-speed train encountering crosswind in settlement area was analyzed. The results showed that the aerodynamic force of the trains increased significantly with the increase in crosswind speed. The aerodynamic force of the trains could reach 125.14 kN, significantly increasing the risk of derailment and overturning. Considering the influence of crosswind, the risk of train operation could be greatly increased. The safety indices and the wheel-rail force both increased with the increase of the wind speed. For the high-speed train running at 350 km/h, the warning value of wind speed was 10.2 m /s under the condition of subgrade settlement with wavelength of 20 m and amplitude of 15 mm.
This paper presents the non-destructive evaluation of a high-speed railway bridge using train-induced strain responses. Based on the train-track-bridge interaction analysis, the strain responses of a high-speed railway bridge under moving trains with different operation status could be calculated. The train induced strain responses could be divided into two parts: the force vibration stage and the free vibration stage. The strain-displacement relationship is analysed and used for deriving critical displacements from theoretical stain measurements at a forced vibration stage. The derived displacements would be suitable for the condition assessment of the bridge through design specifications defined indexes and would show certain limits to the practical application. Thus, the damage identification of high-speed railways, such as the stiffness degradation location, needs to be done by comparing the measured strain response under moving trains in different states because the vehicle types of high-speed railway are relatively clear and definite. The monitored strain responses at the free vibration stage, after trains pass through the bridge, would be used for identifying the strain modes. The relationship between and the degradation degree and the strain mode shapes shows certain rules for the widely used simply supported beam bridges. The numerical simulation proves simple and effective for the proposed method to locate and quantify the stiffness degradation.
The development of railway roadbed for 600km/h train speed level is very difficult because unpredictable static and dynamic interaction occurs between the ultra-high speed train and the infrastructure. Especially, an earthwork-bridge transition zone is a section in which influential factors react, such as bearing capacity, compression, settlement, drainage, and track irregularity; these interactions can include complicated dynamic interaction. Therefore, if static and dynamic stability are secured in transition zones, it is possible to develop roadbeds for ultra-high speed railways. In the present paper, design parameters for transition reinforcement applied to present railway design criteria are analytically examined for ultra-high speed usage on a preferential basis. Design parameters are the presence of reinforcing materials, geometric shape, stiffness of materials, and so on. Analysis is focused on the deformation response of the track and running stability at ultra-high speed.
Technical requirements associated with derailment to ensure running safety of train are discussed. By using estimated derailment coefficient ratio, interaction of various parameters such as operation velocity, curve radius, cant, track irregularity, suspension stiffness and static wheel load ratio are analyzed to enhance derailment safety. Sensitivity analysis in terms of pattern and passage speed of curve is performed by using rolling stock and track conditions associated with SMRT Line No. 5.
The rail surface defects can cause the high impact load on the track and lead to the progress of the rail fatigue damage and the rail break. In case of the rail break, there is a great deal of risk for derailment, and thus the maintenance criteria for the rail surface defects are of great importance. In this study, using the dynamic train-track interaction analysis program, the impact wheel loads and rail bending stresses according to the depths of the surface defects have been calculated with the input data of the rail surface irregularities measured at 43 spots with surface defects in the ballasted track of high-speed railway. Considering the irregularity of track geometry, the allowable limits of wheel load and rail bending stress have been set, and the maintenance criteria for the rail surface defects was suggested by analyzing the relationship of the maximum values of wheel load and rail bending stress versus depth and width of rail surface defect. The analysis results suggest that the allowable depth of the surface defect is determined approximately 0.2mm from the limit of the impact wheel load.
In this study, dynamic behavior of the vehicles is analyzed, while the track is subjected to lateral vibrations due to earthquake and blasting load. A computer program(WERIA, Wheel Rail Interaction Analysis) is used, which can simulate dynamic responses of vehicles subjected to lateral vibrations. The analysis considers two types of vehicles: I.e. power cars of KTX and Busan subway train. It can also consider the interaction with sub-structures such as tracks and soil. The creep force module is considered, and the running safety of railway vehicles subjected to earthquake and blasting loading is studied. Based on the results of this study, the running safety of the vehicles can be confirmed against lateral vibration.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.27
no.6
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pp.39-46
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2023
In this study, the dynamic behavior of friction bearings of PSC (Pre-Stressed Concrete) box train continuous bridge was numerically analyzed at 10 km/h intervals up to 600 km/h according to the increasing speed of the next-generation high-speed train. A frame model was generated targeting the 40-meter single-span and two-span continuous PSC box bridges in the Gyeongbu High-Speed Railway section. The interaction forces including the inertial mass vehicle model with 38 degrees of freedom and the irregularities of the bridge and track were considered. It was calculated the longitudinal displacement, cumulative sliding distance and displacement speed of the bridge bearings at each running speed so that compared with the dynamic behavior trend analysis of the bridge. In addition, long-term friction test standards were applied to evaluate the durability of friction plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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