门式墩上高速铁路连续梁桥梁轨相互作用

采用非线性弹簧模拟梁轨接触,并用相关文献的试验数据对该模型进行了验证,在此基础上建立了考虑门式墩和桩基的高速铁路连续梁桥梁轨共同作用模型.以合福线上采用钢混组合门式墩结构的某连续梁桥为算例,比较了钢轨纵向力对不同下部结构的影响,探讨了纵向阻力模型、活载模式、梁柱节点刚度等因素对钢轨纵向力的影响.研究表明：门式墩梁柱节点刚度对轨道受力影响较小;采用门式墩支撑的连续梁桥的钢轨制动力将增大约22%,但其墩顶受力优于普通桥墩;当在风速较大的地区修建门式墩时,应考虑风荷载对钢轨纵向力的影响.     

多跨简支梁桥上无砟轨道无缝线路受力研究

为研究多跨简支梁桥上不同无砟轨道对应无缝线路的受力特点,基于梁轨相互作用原理推导了可以考虑非线性阻力的多跨简支梁梁轨相互作用公式,并与有限元法进行了对比.分别建立了32 m标准跨度简支梁桥上不同无砟轨道模型,分析对比了实测温度荷载与制挠力耦合作用下各无砟轨道对应的无缝线路受力规律,同时探讨了简支梁跨数墩顶刚度以及扣件阻力等结构参数的影响.结果表明:对于32 m标准跨度简支梁,随着简支梁跨数的增加,钢轨附加应力最大值趋于稳定,且稳定时的最大值均小于规范限值,对于铺设无砟轨道的简支梁桥,其跨数不受钢轨附加应力限制;对于单元板式及双块式无砟轨道,当墩顶纵向刚度大于2 000 kN/cm时,墩顶刚度的变化对其钢轨附加应力的影响很小;多跨简支梁桥上无砟轨道不建议采用小阻力扣件.     

门式墩纵向刚度及其对无缝线路纵向力的影响

在以门式墩作为下部结构的高速铁路桥梁设计中,为简化门式墩纵向刚度的计算,推导了考虑两立柱抗推、抗扭刚度以及横梁抗弯刚度的门式墩整体纵向刚度表达式.在此基础上提出了参数优化方法,研究了门式墩纵向刚度的降低对梁轨相互作用的影响.分析表明:考虑抗扭刚度可将门式墩总刚度提高20%;与普通钢筋混凝土桥墩相比,门式墩所受墩顶水平力略有降低,但门式墩附近钢轨制动力增大;门式墩纵向刚度应尽量接近相邻桥墩以减小钢轨纵向力.     

地震作用下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道纵向动力响应分析

为研究地震作用下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道系统的动力响应,以11×32 m简支梁桥为例,基于有限元法和梁-轨-板相互作用原理,建立了桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型,分析了不同地震波及地震动强度对系统受力变形的影响.研究结果表明：与El-Centro波相比,天津宁河波对系统动力响应有显著的增强效应,钢轨应力曲线均关于跨中呈反对称分布,最大拉压应力为206.5 MPa;各层间构件受力变形曲线均关于桥梁纵向呈轴对称分布,钢轨位移线形平滑,在中跨桥右侧1/3处达到最大,为100.6 mm;轨道板、自密实混凝土层、底座板位移随桥跨数的增加呈阶梯增减变化,最大值出现于第6跨桥,轨板相对位移在最右侧梁缝处达到最大,各结构的纵向力较小;随着地震动强度的提高,系统受力变形显著增加;与设计地震相比,罕遇地震下轨板相对位移最大值增加了146.9%,可达85.5 mm,极易导致轨下胶垫窜出引发扣件失效;左侧桥台与相邻固定支座墩顶最大位移差值显著,为96.6 mm,增加了落梁风险;对于地震区桥上无缝线路,需加强对薄弱位置处轨板相对位移以及相邻墩/台顶位移的关注.     

市域铁路无砟轨道简支梁桥墩纵向刚度合理限值

基于梁-轨相互作用理论建立线-板-桥-墩空间耦合模型,研究了无砟轨道简支梁桥墩纵向刚度对钢轨附加力及断缝值的影响,给出了市域铁路简支梁桥墩纵向刚度限值的控制因素及合理值．结果表明：增大桥墩纵向刚度可减小钢轨附加总应力和梁-轨相对位移,不同于有砟轨道简支梁桥,市域铁路无砟轨道简支梁桥墩纵向刚度限值由钢轨强度控制;建议24,32,48 m简支梁桥上铺设U71Mn钢轨和常阻力扣件,温暖区域桥墩刚度限值分别取5,6和15 MN/m,寒冷区域取5,12和54 MN/m;64 m和80 m简支梁上铺设U75V钢轨和常阻力扣件,温暖区域刚度限值分别取22 MN/m和70 MN/m,寒冷区域取84 MN/m和240 MN/m;当寒冷区域80 m简支梁桥两侧梁端铺设小阻力扣件时,桥墩刚度限值可减小至84 MN/m.     

简支梁桥上嵌入式轨道无缝线路优化分析

为分析有轨电车嵌入式轨道桥上无缝线路梁轨相互作用机理并获得最优参数组合,根据梁轨相互作用原理,建立了多跨简支梁桥上嵌入式轨道桥上无缝线路力学分析模型,采用正交试验方法研究钢轨类型、高分子材料纵向阻力、桥墩纵向刚度、桥台纵向刚度和桥梁跨数这5种因素对嵌入式轨道桥上无缝线路力学特性的影响.研究结果表明:采用小阻力高分子材料可明显减小钢轨附加作用力,但轨板相对位移和断缝值有较大增长;当高分子材料纵向阻力约为5.0×10~6 N/m时,轨板相对位移达到限值,高分子材料产生拉裂破坏;最佳简支梁桥上有轨电车嵌入式轨道无缝线路设计方案为钢轨类型60R2槽型轨、高分子材料纵向阻力2.0×10~7 N/m、桥墩纵向刚度3.0×10~7 N/m、桥台纵向刚度2.0×10~8 N/m,桥梁跨数根据实际工程而定.     

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.     

大跨度重载铁路连续梁桥的小阻力扣件适应性

为研究小阻力扣件布置方案对重载铁路连续梁桥上无缝线路纵向力分布规律的影响,采用一种经过验证的梁轨相互作用分析方法,建立考虑相邻多跨简支梁结构的30 t轴重重载铁路(60+100+60)m连续梁桥-桥上无缝线路的一体化空间有限元模型.在此基础上,对多种小阻力扣件方案进行比选,探讨了扣件阻力、下部结构刚度、荷载模式、制动力率等设计参数的影响.研究结果表明:仅在连续梁范围内铺设小阻力扣件,可在保证钢轨应力和墩顶水平力均较小的同时减小钢轨断缝值;小阻力扣件纵向阻力取值对钢轨应力的影响可达11.2%;在连续梁范围内铺设小阻力扣件后,梁轨快速相对位移成为主要控制性指标,100 m跨重载连续梁桥制动墩顶纵向刚度限值为3000 k N/cm;荷载模式和制动力率对梁轨相对位移影响较大,建议通过试验进一步明确重载列车的制动力率取值.     

近断层脉冲型地震作用下高速铁路桥梁-轨道系统响应分析

为了研究在近断层脉冲型地震作用下高速铁路桥梁-轨道系统的动力响应规律,针对高速铁路线上最常用的简支梁形式结构,以某8×32.7 m高速铁路简支箱梁桥为例.建立了考虑简支梁与CRTS Ⅰ型板式无砟轨道之间相互作用的桥梁-轨道模型,讨论了具有破裂前方脉冲、滑冲脉冲、无脉冲型近断层地震动对桥梁-轨道系统的影响及扣件阻力改变时桥梁-轨道系统动力响应的变化.结果表明:三种脉冲类型地震动作用下钢轨的受力和变形规律保持一致,脉冲型地震动较无脉冲型地震动增加了约20％钢轨应力和位移.相对于轨道系统,桥墩对脉冲类型更为敏感,在破裂前方脉冲和滑冲脉冲地震作用下,桥墩的墩顶最大位移比无脉冲地震动分别增大了106.6％和148.6％,墩底弯矩和剪力也有明显增大,在进行高速铁路桥梁抗震设计时应考虑脉冲类型对桥梁结构的影响.扣件纵向阻力从5 kN/组增大到15 kN/组时,墩顶最大位移降低了10％,但钢轨应力和位移峰值约为原来的2倍.     

简支梁桥地震落梁失效控制模式研究

对地震作用下桥梁的落梁失效进行有效的控制,是桥梁抗震工程中的关键问题之一。考虑支座非线性、桥墩弹塑性和碰撞效应的影响,建立了5跨简支梁桥的有限元模型。采用非线性时程方法计算了多跨简支梁桥在墩-梁连接和梁-梁连接2种落梁失效控制模式下的纵向地震反应,并和无落梁失效控制时的桥梁反应进行了比较,分析了两类防落梁模式的控制机制和控制效果。研究了简支梁桥邻跨刚度比、防落梁连接刚度和初始间隙等参数对落梁失效控制效果的影响规律,进一步提出了有效的防落梁模式建议。研究表明:梁-墩连接控制模式可以有效地减小简支梁桥的位移反应,控制落梁失效,但会引起桥墩内力的增大,控制效果受到邻跨刚度比和控制系统参数的影响,梁-梁连接控制模式不能有效地控制落梁失效。     

无砟轨道钢轨温度力的有限元分析及实验研究

为了准确掌握无砟轨道钢轨温度力变化规律并对其进行实时监测,首先建立了无砟轨道三维有限元模型,仿真分析了不同温度条件下的钢轨纵向温度力;然后利用应变法测量了无砟轨道钢轨的纵向温度力,验证仿真结果的准确性;并在此模型基础上,计算分析了20℃温度变化量条件下一跨钢轨内部应力分布情况。结果表明,不同温度条件下钢轨纵向温度力的仿真结果与实验结果吻合良好,此仿真模型能较好反映钢轨随温度变化的纵向温度力情况。仿真结果显示,轨腰纵向温度力与温度变化成线性正相关,轨底的纵向温度应力除了受到温度变化影响外,还受到扣件作用,扣件附近轨底的受力峰值高于轨头和轨腰,此处将是钢轨温度力重点监测及检查部位。     

基于扣件阻力试验的高速铁路桥上无缝线路纵向力研究

通过试验得到随竖向荷载变化的小阻力扣件纵向阻力模型,基于有限元法和梁-轨相互作用理论建立CRTSⅠ型双块式无砟轨道-桥梁相互作用分析模型,采用考虑竖向荷载对扣件影响的点荷载模式模拟列车竖向荷载和制动荷载,得到列车竖向荷载、制动荷载作用下的无缝线路纵向力;并分析荷载布置方式、扣件纵向阻力模型和荷载模式等设计参数对钢轨纵向力的影响。研究结果表明:扣件在竖向有载情况下,随着竖向荷载增加,纵向阻力基本呈线性增长;扣件纵向阻力可取扣件竖向力与摩阻系数乘积,小阻力扣件摩阻系数偏安全取0.19;列车荷载作用下,同一转向架下2轮对影响范围可按8个扣件考虑,扣件分担荷载可取竖向荷载与扣件荷载分担比乘积;荷载布置方式对钢轨纵向力有一定影响,2种不同扣件纵向阻力模型计算的钢轨纵向力差别不大,ZK活载作用下的钢轨纵向力将轴重作用下的钢轨纵向力完全包络,对于高速铁路客运专线简支梁桥,列车荷载发展系数范围为2.36～3.33。     

两跨连续梁模型桥地震响应影响因素研究

以公路钢筋混凝土连续T梁桥为背景,结合振动台试验所用两跨连续梁模型桥地震响应,开展跨径、跨数、斜交角对该模型桥地震响应影响的数值研究,结果表明:在纵向地震输入时,跨径增加,支座水平剪力越大,墩梁纵向相对位移越大;跨数越多,支座和桥墩受力越大,远离固定墩侧的墩梁相对位移提高;斜交角增大,支座和桥墩受力由单向变为双向,纵向地震响应降低而横向地震响应不断增长;跨数和跨径增大时,主梁加速度响应的变化与地震动特性有关,而斜交角增大则纵向加速度不断减小.     

地铁用嵌入式轨道结构合理刚度研究

针对嵌入式轨道应用于地铁环境时的刚度设计方法及合理取值开展研究。基于温克尔弹性地基梁理论,系统性地分析地铁用无扣件嵌入式轨道结构垂向、横向、抗倾覆、纵向及抗拔等各项刚度的组成及影响因素,并与传统扣件式轨道结构类比,形成各项刚度的设计、测试方法,给出取值建议。研究结果表明:嵌入式轨道垂、横向刚度可用钢轨基础弹性模量表征;纵向刚度与线路无缝化、限位结构以及高分子浇筑料施工锁定等有关;室内轨道结构样件测试验证了上述结果。建议:地铁用嵌入式轨道结构垂向钢轨单位长度基础弹性模量取32~64k N/mm,横向钢轨单位长度基础弹性模量取24.76~91.57 k N/mm,一般地段纵向刚度不小于每轨15 k N/m,小阻力地段约每轨6.4 k N/m,抗拔力应不小于每轨32 k N/m。     

考虑节点刚度的预制混凝土框架结构分析

给出了考虑节点刚度的框架梁的力学模型,推导了用节点连接刚度系数表示的半刚接梁的单元刚度矩阵,以及半刚接梁在荷载作用下的内力计算公式,并利用位移法对一单层单跨框架结构的横梁弯矩及其抗侧刚度进行了讨论.算例结果表明:半刚性连接框架受连接柔性的影响,会使框架结构横梁的杆端弯矩减小,而跨中弯矩增加;结构整体的抗侧刚度则随着节点转动刚度的增加而增加;随着梁柱线刚度比的增加,节点刚度对结构抗侧刚度的影响也随之增大.当梁的线刚度与节点转动刚度的比值α>5,结构受力性能与节点铰接时相近,而当α<0.04时,节点连接可视为刚接.综上所述,节点转动刚度对结构在竖向荷载作用下的内力以及结构整体的抗侧刚度有较大的影响.     

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.     

具有不同节点刚度的装配式框架结构在不均匀沉降下的内力响应分析

装配式框架结构与现浇式框架结构相比,梁柱连接节点较为薄弱,对不均匀沉降引起的附加应力更加敏感;由于装配式框架结构的施工方法不同,导致其梁柱节点连接刚度不同,故在不均匀沉降下进行节点连接刚度对装配式框架结构的稳定性影响研究。按照装配式框架结构的层数和跨数,利用Midas Gen软件建立四种工况模型,将地表不均匀沉降以竖向位移的模式施加于装配式框架结构柱脚上,模拟和对比分析不同节点刚度的装配式框架结构内力变化状态,进而总结分析装配式框架结构的内力系数与层数、跨数的关系,同时推导梁内力系数与节点转动刚度系数的理论关系式。研究表明:在不均匀沉降下,梁柱内力变化与节点连接刚度有关;节点连接刚度影响柱-柱、柱-梁的弯矩传递;在节点连接刚度一定,梁的内力变化与跨数有关,与层数无关;柱的内力变化与跨数有关,在单跨结构中,同时受层数影响;梁端弯矩系数与节点转动刚度系数的关系公式曲线,与模型中拟合的曲线相吻合。     

摩擦摆支座对高速列车-简支梁桥耦合系统的减隔震分析

为研究摩擦摆支座(FPB)对地震下高速列车-简支梁桥耦合系统的减隔震作用,基于ANSYS和SIMPACK平台,建立了高速列车-多跨简支梁桥耦合系统的三维有限元模型.模型中采用104~#力元模拟FPB,将轨道不平顺和地震力作为耦合系统的激励,开展了FPB对地震荷载下车-简支梁桥耦合系统的减隔震研究.结果表明,在El Centro地震波作用下,车-桥系统的动力响应随着车速、地震强度、墩高度的增大而增大.地震强度小于0.12g时,FPB能减小车-桥系统除墩顶横向加速度以外的其他动力响应,车速越大、墩身越高, FPB的减振效果越显著;地震强度大于0.12g时,FPB会增大车桥系统的动力响应.建议在高速铁路简支梁桥减隔震设计中,墩高不宜超过16 m,摩擦摆支座的参数应根据具体桥梁进行选择.     

板式无砟轨道系统对不同抗震体系铁路桥梁纵向地震响应的影响

以某高速铁路大跨度连续梁桥及32 m简支梁桥为研究对象,针对CRTSⅡ型板式无砟轨道体系的结构特点,建立考虑轨道体系纵向约束及摩擦效应的线桥一体化计算模型,对2种不同的抗震体系(延性抗震体系及减隔震体系)进行非线性地震响应分析。研究结果表明:在剪力齿槽弹性工作状态下,轨道体系纵向刚度约束效应对桥梁下部结构地震反应的影响显著,但摩擦效应影响较小,可忽略。桥梁采用的抗震体系不同,在地震作用下轨道系统及剪力齿槽的受力及分布规律也不同。建议强震作用下板式无砟轨道体系的受力分析应合理考虑桥梁不同抗震体系的受力特征。最邻近连续梁的一跨简支梁的剪力齿槽水平剪力远大于其他跨简支梁的剪力,建议该跨的剪力齿槽应加强设计,以避免在地震作用下由于该处剪力齿槽的受力失效导致其他各剪力齿槽的连锁破坏。     

基于梁轨相互作用的铁路桥梁徐变上拱限值

为研究铁路桥梁徐变上拱对于梁轨相互作用的影响,分别建立了三跨连续梁桥及简支梁桥的梁轨相互作用有限元模型,分析了徐变上拱对桥上无缝线路的钢轨附加应力、扣件上拔力、扣件剪切力以及列车走行性的影响.结果表明:徐变上拱值主要影响扣件上拔力和行车舒适度,而对钢轨附加应力的影响可以忽略;徐变拱跨比相同的梁桥所导致的钢轨应力、扣件上拔力及扣件剪切力峰值基本一致;对于该研究的主跨125 m的连续梁桥和跨径30 m的简支梁桥而言,徐变拱跨比的建议限值分别为1/2 500和1/2 000.