高速铁路板式无砟轨道的结构分析模型对比

为了对比弹性地基叠合梁理论、弹性地基梁-板理论和梁-体有限元理论在分析无砟轨道结构受力时的差别,基于这3种无砟轨道结构力学理论建立了无砟轨道结构分析模型,分析2种不同线下基础上CRTSⅡ和CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的受力情况.结果表明:由于弹性地基叠合梁理论分析模型考虑的因素较少,计算所得结果与其他2种分析模型的计算结果相差较大,且与轨道板实际受力情况存在一定差别;弹性地基梁-板理论分析模型可较好地模拟轨道板和底座弯曲变形,计算结果比其他2种分析模型偏大约30%,设计偏于安全;梁-体有限元理论分析模型可真实反映无砟轨道结构的受力和变形,但分析模型相对复杂,对工程设计人员要求较高,一般用于无砟轨道结构的研发和设计验证.     

高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构动力特性分析

为了分析京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的动力响应,通过建立无砟轨道结构-下部基础结构动力有限元分析模型,得到了结构前10阶模态和不同列车速度下无砟轨道结构的动力特性.分析结果表明:桥梁上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的自振频率都比规范的限值大,说明桥梁有足够的刚度保证列车行驶的安全性和舒适性;桥梁上板式无砟轨道结构的前10阶振型中大部分振型表现为横向扭转,桥梁结构横向刚度相对较小,在实际的高速铁路桥梁结构中应注意桥梁的横向稳定性;无砟轨道结构各个构件的竖向位移、竖向加速度、板底水平拉应力及CA砂浆层竖向压应力均随列车速度的增大而逐渐增大;线下基础结构顶面竖向压应力存在转折变化点.     

高速列车作用下路基上板式无砟轨道动力系数

基于列车-轨道耦合动力学理论,建立列车-板式无砟轨道-路基三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维有限元耦合动力学模型进行相应的程序验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上板式无砟轨道线路上高速行驶时,在线路平顺工况和各种不平顺工况下,无砟轨道各部件动力特性和相应动力系数进行理论研究。研究结果表明:在线路平顺状态下,车辆轮载及无砟轨道各部件动力响应很小,动力系数不超过1.2;在线路中长波随机不平顺激扰下,轮载动力系数接近2,无砟轨道各部件动力系数在1.70～2.06之间,轮载动力系数和无砟轨道各部件动力系数相差不大;短波不平顺对轮载动力系数有很大的影响,由于短波不平顺引起的振动在无砟轨道中衰减很快,其对无砟轨道上部部件动力系数的影响较大,而对无砟轨道下部部件动力系数的影响很小。     

道岔区板式无砟轨道竖向受力分析

本文将板式无砟道岔系统视为梁-实体-实体组合结构体系,通过Ansys软件建立板式无砟道岔道床的空间有限元模型,采用ADAMS/Rail软件进行岔区结构不平顺仿真,计算了列车过岔的动力响应;选取合适的计算参数,计算分析了转辙器区和辙叉区道床板及底座板的受力变形,为板式无砟道岔的设计、施工提供参考。     

高铁长大桥梁CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路的动力学特性

在大跨度连续梁上铺设CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构,并且考虑高速车辆的动力作用之后,其梁轨相互作用机理更加复杂.基于ABAQUS软件,建立高速铁路长大桥梁CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型,可以对高速条件下高速车辆、无缝线路钢轨、无砟轨道和长大桥梁各细部结构的动力学特性进行研究.经计算和检算可知,在铺设CRTS Ⅰ型板式无砟轨道无缝线路的(80+ 128+ 80)m连续梁上运行时速350 km的高速车辆,其各项动力学计算结果均满足动力学检算标准.     

纵连板式无砟轨道锚固体系受力变形特性研究

基于桥上纵连板式无砟轨道台后锚固体系的计算模型,通过模拟桥梁与底座板、轨道板与底座板,以及底座板与台后锚固体系之间的相互作用,对台后锚固体系的受力变形情况进行分析研究,为锚固体系的设计及进一步的结构优化提供重要的理论依据。     

短波随机不平顺对列车-板式无砟轨道-路基系统振动特性的影响

运用弹性系统动力学总势能不变原理及形成矩阵的"对号入座"法则,建立列车-板式无砟轨道-路基竖向振动方程组,分析列车高速运行时,短波随机不平顺对列车-板式无砟轨道-路系统振动特性的影响,并对不同种类随机不平顺对列车-板式无砟轨道-路基系统动力特性的影响进行对比研究.研究结果表明:短波随机不平顺对车体垂向加速度、路基竖向压应力影响很小,对扣件竖向压应力、轨道板及底座板弯曲应力有一定的影响,对轮轨垂向力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度、底座板振动加速度和CA砂浆压应力则有显著的影响,影响超过中长波随机不平顺.研究车体及路基动力特性时可以不考虑短波随机不平顺,研究无砟轨道各部件动力特性时,则应考虑短波随机不平顺.     

土质路基CRTSⅠ型平板式轨道温度力研究

以土质路基上CRTSⅠ型板式无砟轨道结构作为研究对象,采用有限元软件ANSYS建立了土质路基板式无砟轨道力学实体模型,对CRTSⅠ型板式无砟轨道进行温度力分析,确定轨道板板面和板底温度相差±10℃时,确定平板式轨道板所受的最大拉应力、最大位移,以及温度荷载对CA砂浆、混凝土支承层、土质路基的影响程度,最终得出轨道板应该采用双向配筋及在计算中可以不考虑温度荷载对CA砂浆层的受力影响等结论。     

路基冻胀—融化——沉降循环作用下板式无砟轨道受力与变形分析

基于有限单元法及混凝土塑性损伤模型,建立路基上单元板式无砟轨道静力分析模型,研究路基冻胀—融化—沉降循环作用下,无砟轨道结构的受力和变形特性及伤损演化规律。研究结果表明:在路基冻胀—融化—沉降循环作用下,轨道板和底座板在冻胀过程中逐渐形成塑性损伤,且轨道板的塑性损伤早于底座板的塑性损伤;在融化回落及沉降阶段,轨道板的损伤状态相对稳定,而底座板在距其端部1/3位置处逐渐形成第二塑性区;在路基冻胀—融化—沉降循环作用下,将不可避免地引起轨道不平顺,轨道不平顺幅值呈增加—减小—反向增加的变化趋势;当路基回落至初始状态时,轨道结构存在部分残余变形;底座板与基床表层间的离缝呈张开—闭合—张开的循环性变化规律。该研究可为高速铁路无砟轨道养护维修提供参考。     

双线桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构涂刷反射隔热涂层影响分析

为降低持续高温对轨道结构的影响,分析反射隔热涂层在桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构上的适用性。对比分析反射隔热涂层涂刷前后及不同涂刷次序下桥梁–轨道系统的纵向受力特性。研究结果表明:全桥涂刷反射隔热涂层对梁体的影响可以忽略;在最不利条件下施工时,涂刷反射隔热涂层处底座板的伸缩压力增大200～400 kN,但远小于轨道板伸缩压力的降低幅度;涂刷反射隔热涂层后,轨道板伸缩压力降低约1 800 kN,有效降低了持续高温情况下轨道板上拱风险。在铁路双线桥CRTSⅡ型板式无砟轨道结构上涂刷反射隔热涂层时,优先考虑轨道板受力即可;双线同时涂刷对轨道结构受力最有利。     

墩底沉降对桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道纵向力的影响

针对墩底沉降引起的桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向受力与变形问题,基于有限元法和梁-板-轨相互作用机理,建立多跨简支梁和大跨连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,研究各墩底均匀沉降及差异沉降条件下无砟轨道和桥梁结构纵向力与位移分布规律.结果表明:各墩底发生均匀沉降时,两侧桥台及相邻桥墩顶为薄弱位置,两种桥上轨道结构纵向力与位移最大值及其变化趋势基本一致,且随沉降量的增加而线性增大;各墩底发生差异沉降时,沉降值突变的相邻桥墩顶为薄弱位置,该处轨道结构纵向力与位移随着沉降差值的增加而明显增大;需严格把控长大梁桥墩底桩基础的施工质量,避免各墩底发生差异沉降;研究成果可为桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路设计改进及工程建设提供参考.     

顶推纠偏下的无砟轨道力学行为及关键参数研究

为确保横向顶推纠偏时无砟轨道结构受力合理、不损伤破坏,根据高速铁路无砟轨道顶推纠偏施工工艺,建立路基段CRTSⅡ板式无砟轨道顶推纠偏模型.分析了无砟轨道在单点顶推力及多点联合顶推力作用下,各结构层的应力分布及变形情况,研究了无砟轨道顶推纠偏过程中相关关键参数(如顶推力、加载长度、轨道偏移量等)之间的相关性.研究结果表明:采用单点顶推力时,影响范围有限,仅能使作用点附近30 m区域产生横向移动,且轨道结构最大允许纠偏量不足2 mm;采用多点顶推时,顶推力的加载长度增加,影响范围和结构横向偏移量也逐渐增加.轨道结构最大纵向应力出现在顶推荷载中部及荷载边缘区域,实际顶推施工时需要对该处轨道应力进行监测与控制.     

高速铁路环氧沥青混凝土基础结构动力响应及设计

为探究沥青混凝土基础结构(ACS)在高速铁路无砟轨道的应用前景,提出了一种环氧沥青混凝土基础结构(EACS),并开展EACS动力响应与设计研究.首先,借鉴CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道和公路沥青路面的设计指标,建立EACS评价指标体系;然后,数值模拟了高速列车荷载下EACS结构的动力响应,确定EACS结构的设计指标要求;最后,借鉴环氧沥青混凝土在钢桥面铺装中的应用经验和CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道沥青混凝土防水层SAMI的设计要求,对EACS用环氧沥青混合料进行材料设计,以评价ACS结构在高速铁路无砟轨道轨下基础中的适用性.研究结果表明,所设计的环氧沥青混凝土能够满足高速铁路轨下基础结构的使用要求,EACS层厚度宜取35 cm.     

秋季桥上纵连板式无砟轨道竖向温差试验研究

通过对某客运专线曲线段简支梁桥上纵连板式无砟轨道结构温度场的连续观测,研究了秋季多种天气情况下曲线桥上无砟轨道温度场的时变规律.基于统计拟合,提出适用于我国典型地区纵连板式无砟轨道秋季竖向温度荷载模式.研究表明:轨道结构昼夜温度变化剧烈,表面最高温差可达16.0℃,平均日温差达8.0℃;随着距表面深度的增加,轨道结构温度变化幅值逐渐减小,峰值出现时间不断滞后;底座板底面最大日温差为1.5℃,平均为0.8℃;纵连板式无砟轨道结构的竖向温差可拟合为指数曲线,其曲线形式与中国铁路桥梁设计规范规定的箱梁竖向温差分布曲线在形式上较为相似.     

双向温梯荷载下简支梁桥上CRTS Ⅱ型板受力变形

为研究温度梯度荷载作用下多跨简支梁桥上CRTS Ⅱ型板受力变形问题,基于有限元法建立了多跨简支梁桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路(Continuous Welded Rail,CWR)空间精细化有限元模型,分析了竖向、横向温度梯度荷载作用下轨道、桥梁结构纵向受力与变形特性.研究结果表明:竖向温梯荷载作用下,钢轨在桥梁两端的主端刺位置伸缩力与位移达到最大值;轨道板出现翘曲应力,其上下表面应力差随温度梯度增大而增大,轨道板竖向温度梯度为90℃/m时,上下表面应力差最大值较50℃/m时增加了44％.双向温梯荷载作用下,向阳侧桥梁纵向位移明显高于背阴侧,钢轨伸缩力略高于背阴侧;随着横向温度梯度的增大,阴阳两侧结构纵向位移差、相对位移差和应力差均呈现逐渐增大趋势.在高温差地区需重点关注轨道板因上下表面应力差引起的翘曲变形问题.研究成果可为桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路的设计、施工和维护提供理论依据.     

寒冷季节桥上无砟轨道横竖向温度梯度研究

在某客运专线圆曲线段桥上纵连板式无砟轨道中埋设温度传感器,对无砟轨道温度分布进行了长期连续观测,得到无砟轨道温度场分布的时变规律,并建立适用于寒冷季节纵连板式无砟轨道横竖向温度梯度荷载模式.结果表明:轨道结构的温度变化以日为周期,随着距表面深度的增加,无砟轨道内温度变化幅值逐渐减小,峰值时间不断滞后;竖向温度梯度可拟合为指数曲线,与中国铁路桥梁设计规范规定的箱梁竖向温度梯度分布在形状上较为相似;横向温度梯度模式分为轨道板和底座板两类,轨道板横向温度梯度可采用二次函数拟合回归,底座板横向梯度可采用线性分段函数拟合.     

高温季节桥上纵连板式无砟轨道的温度分布

为得到桥上纵连板式无砟轨道在夏季高温环境下的温度分布规律,在某客运专线上的CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道中埋设温度传感器对其内部温度进行长期连续观测,得到无砟轨道内温度分布规律以及无砟轨道内横、竖向温度梯度荷载模式。研究结果表明:无砟轨道在与外界进行热交换的过程中,内部温度分布呈现明显的非线性并随环境温度呈周期性变化;随着轨道结构深度增加,不同位置出现的温度峰值逐渐减小,出现时间不断滞后,夏季底座板底部较轨道板顶部出现峰值时间一般滞后3 h,无砟轨道竖向温度梯度分布曲线符合指数分布规律,与中国铁路设计规范规定的箱梁竖向温度梯度分布曲线在形式上较相近;横向梯度分布曲线宜采用三段线分别拟合。     

高速铁路博格纵连板桥上无砟轨道纵向力学特性

为研究高速铁路博格纵连板桥上无砟轨道纵向力学特性,建立纵向荷载作用下高速铁路博格纵连板桥上无砟轨道非线性有限元空间力学模型,与德国博格公司计算结果进行对比验证.以10跨32 m博格纵连板桥上无砟轨道为例,用所建立的力学模型,对伸缩荷载、制动荷载、断轨荷载、断板荷载工况下博格纵连板桥上无砟轨道空间力学特性进行研究,并与单元板式桥上无砟轨道计算结果进行对比.研究结果表明:与单元板式无砟轨道相比,博格纵连板桥上无砟轨道可以大大降低伸缩、制动、断轨荷载工况下作用在钢轨及墩台顶的纵向作用力,有利于采用大阻力扣件并在全线铺设跨区间无缝线路,保证列车高速安全运行,并降低高速铁路桥梁墩台造价,但博格纵连板桥上无砟轨道板折断后,将在无砟轨道各部件间引起较大的纵向作用力,因此,必须保证无砟轨道板施工质量.     

轨道板纵向温度变形对植筋效果影响

温度荷载作用下的轨道板纵向伸缩变形带动锚固钢筋发生偏位，结构受力状态与设计初衷产生差异。为明确轨道板温度变形对植筋实际效果的影响，首先开展纵连板式无砟轨道温度变形监测，量化表征锚固钢筋的实际偏位量；其次建立无砟轨道植筋锚固精细化有限元模型，分析不同偏位条件下植筋胶层的损伤规律；最后明确了锚固钢筋偏位与脱胶耦合作用下无砟轨道的实际植筋效果。结果表明：轨道板纵向温度变形量可达0.946mm。锚固钢筋的偏位加剧了植筋胶层损伤，且呈现垂向自上而下的演变规律，是造成锚固体系脱胶失效的主要原因。植筋胶层与轨道板的脱黏削弱了锚固体系抵抗高温上拱变形的能力，当脱胶深度超过200mm后，轨道板上拱量增大了137.18%。在无砟轨道实际植筋的效果评价中需考虑轨道板的纵向温度变形，动态调整实际养护维修方案。     

路基冻胀地区CRTSⅠ型板式无砟轨道结构变形与离缝特征分析

为揭示严寒地区高速铁路路基冻胀变形对无砟轨道平顺性的影响,建立CRTS Ⅰ型板式无砟轨道-路基空间耦合有限元模型,分析了不同路基冻胀条件下轨道结构的变形特征,探讨了层间离缝的发展演变过程,以及层间粘结强度和底座板刚度对离缝发展的影响规律.结果表明:路基冻胀位置对轨道结构变形影响较大,冻胀变形基本能反映到轨面,当冻胀作用在轨道板中间位置时,底座板与基床表层之间的离缝值最大;最大离缝值随冻胀量增加呈线性增长,随冻胀波长的增大而减小;离缝在轨道结构横向位置是从中间向两边逐渐扩展的;随着底座板与基床表层之间粘结强度的增大,层间离缝值和离缝长度逐渐减小;离缝值随着底座板刚度的减小而减小,当底座板刚度减小为原来的60%时,离缝值减小了近20%.