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.     

预制板式无砟轨道界面脱层失效的数值模拟

将温度荷载简化为轨道板内的剪切荷载,分析了无砟轨道结构的层间界面破坏形式与粘结机理;基于黏聚力本构模型与水泥乳化沥青砂浆界面粘结力实验结果,建立预制板式无砟轨道结构界面有限元模型,研究剪切荷载作用下无砟轨道界面应力、界面粘结承载力、界面相对位移以及界面裂缝的演化规律.结果表明:界面剪应力与正应力纵向分布不均匀,在轨道板端部最大,且界面正应力使轨道板在端部竖向受拉;剪切荷载作用下,界面剪应力超过最大粘结强度,造成界面逐段破坏,界面最大粘结承载力为264.8 k N;轨道板相对于砂浆充填层的纵向位移随剪切荷载的增大而持续增大,最终界面出现纵向裂缝,而其竖向张开位移在界面纵向裂缝出现后反而逐渐闭合,界面发生剪切破坏导致无砟轨道结构脱层失效.     

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.     

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.     

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。     

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。     

严寒地区CRTSⅢ型板式无砟轨道变形与损伤

为探明严寒地区外界荷载对无砟轨道非线性损伤及服役性能的影响,从细观损伤力学角度入手,建立了考虑混凝土塑性和结构配筋的CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基精细化模型,分析了不同路基冻胀下轨道结构变形和底座板损伤规律,并探讨了温度及列车荷载组合作用对结构的影响.结果表明:无砟轨道会因下部冻胀变形产生层间离缝,与冻胀量相比,冻胀波长是离缝产生与发展的主要因素;当冻胀发生在轨道板中部时离缝最大,在底座板凹槽位置时,其上表面混凝土最易出现拉裂损伤;整体降温会加剧底座板损伤,当负温度梯度与冻胀组合作用时,底座板与路基间离缝可达20.8 mm;列车荷载会加剧底座板损伤和减小其作用下方的结构层间离缝,由于"杠杆作用",荷载关于冻胀波峰对称位置处复合板层间离缝峰值比单一冻胀增加了55.5%.     

循环荷载下无砟轨道-桥梁结构体系刚度退化性能

为了预测高速铁路无砟轨道-梁桥结构体系的长期性能演化规律,在充分考虑轨道层间黏结性能的基础上,建立CRTSⅡ型无砟轨道-简支梁桥结构空间有限元模型。基于材料疲劳力学性能的研究,通过1次静力加载,确定材料刚度退化曲线并构造不同服役期时荷载循环加载N次后的等效静力模型,分析结构在列车荷载、温度作用或它们共同作用下的工作性能。研究结果表明:在正温度作用下,结构体系整体在纵向以受压为主;在负温度下,结构体系整体上在纵向以受拉为主;在单线列车荷载下,轨道各层纵向在梁端处受拉、跨中处受压;轨道各层应力随结构服役时间增加不断减小,各层纵向与竖向位移则不断增大;结构各层的应力与位移随结构服役时间的变化规律与材料疲劳性能的3阶段变化规律较相似;结构体系在温度与单线列车荷载共同作用下,有载侧与无载侧的力学反应稍有不同,单线列车荷载的存在仅影响结构服役初期不同侧的响应值,对结构的力学性能随服役时间变化的规律影响不大。     

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。     

极端温度作用下桥上纵连式无砟轨道台后端刺受力变形特性

为研究极端温度下台后Π型端刺锚固体系各结构部件之间的相互作用,以某高速铁路一般地段端刺区结构为研究对象,采用ABAQUS有限元分析软件建立路桥过渡段纵连式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型,研究高温和极寒条件下轨道结构、摩擦板、过渡板以及端刺的受力特性与变形规律,揭示结合部离缝以及锚固体系脱空等端刺区典型结构伤损的发展机制。研究结果表明：在极端温度作用下,过渡板所受纵向应力最大,摩擦板的竖向变形趋势与底座板的竖向变形趋势保持一致,且越靠近桥台各端刺顶部,纵向位移越小;端刺锚固体系受其上轨道结构宽窄接缝构造影响显著,对应的摩擦板与过渡板区段在高温条件下纵向压应力急剧增大,而在极寒条件下纵向拉应力急剧增大;“高温-极寒”温度循环作用易导致过渡板与路基支承层结合部产生离缝与挤压破裂,同时由于锚固体系在极端温度荷载作用下的超量变形,造成摩擦板、端刺与周围地基土体在接触界面产生脱空,且纵向脱空较竖向脱空更为显著。     

地铁列车作用下不同无砟轨道结构振动响应

建立了单趾弹簧扣件、弹性支承块式、橡胶浮置板式3种无砟轨道的空间振动分析模型和地铁列车-无砟轨道系统空间振动分析方程.分别计算了3种无砟轨道在地铁列车荷载作用下的空间振动响应,并比较了系统响应随无砟轨道类型及车速的变化规律.结果表明,系统振动响应随车速的提高而增大;在车速相同的条件下,无砟轨道类型对钢轨竖向位移、轨道板竖向位移、轨道板竖向加速度、轮轨竖向力、脱轨系数及轮重减载率等响应影响较大,对其他振动响应的影响不甚明显;橡胶浮置板式轨道的竖向位移、横向位移与轨距扩大值最大;单趾弹簧扣件轨道轮轨作用力最大,橡胶浮置板轨道轮轨作用力最小;支承块和浮置板振动加速度明显小于钢轨振动加速度;在3种轨道行驶条件下,随着车速提高列车脱轨系数和轮重减载率均增大,竖向振动加速度最大值、横向振动加速度最大值、Sperling竖向舒适度指标和Sperling横向舒适度指标大致呈现先增大后减小趋势.当地铁列车在80km/h以下的运行速度通过这3种轨道结构时,列车的安全性和舒适性均能得到保证.     

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.     

纵连板式无砟轨道简支梁桥动力响应试验研究

开展了行车条件下高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道-桥梁系统的动力响应现场测试,测试CRH380A-001型列车以285~350km/h时速通过时无砟轨道-32m标准预应力混凝土简支梁的动力响应.通过现场采集与数据分析,得到了钢轨、轨道板、底座板、桥面板的竖横向加速度幅值,桥墩顶纵横向绝对位移.结果表明:结构各层加速度在列车时速达到295km/h左右时,急剧增大,之后顺速降低,出现陡波峰;车致振动加速度响应自钢轨-轨道板-底座板-桥面板,自上至下呈明显的递减趋势,振动衰减较为明显.此外,基于实测的梁体自振频率与阻尼比,分析了梁体动挠度的简化计算方法,计算结果与实测梁体动挠度较接近.实验结果可为改进数值分析模型、验证计算结果提供依据.     

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.     

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.     

高铁大跨度连续梁桥上无砟轨道断板受力研究

为探明高速铁路大跨度连续梁桥上CRTSII型板式无砟轨道断板工况下受力特性,基于梁轨相互作用原理,采用有限元软件MIDAS建立了钢轨-轨道板-底座板-梁体-桥墩空间一体化纵向力计算模型,选取跨径(60.75+3×100+60.75)m的沪昆客运专线长玉段涟水大跨连续梁桥工程实例,研究计算了断板工况下桥上各层轨道结构相对位移,以及纵向附加力的分布和传递规律.结果表明:连续梁右端处,轨道板和底座板最有可能断裂;断缝处钢轨附加拉应力最大,其值足以引起断轨;断缝处钢轨-轨道板相对位移较大,钢轨扣件将会进入塑性状态而被拉断;断缝处及连续梁固结机构处轨道板-底座板相对位移较大,位移量足以导致CA砂浆层与轨道板结合失效;断缝两侧固结机构处剪力钢筋承受附加力较大,剪力筋会被剪断;轨道结构超过70%的纵向反力由左右两侧端刺承担.     

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.     

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.     

无砟轨道板端上拱变形影响规律研究

为探明CRTSⅡ型板式无砟轨道层间黏结状态与板间接缝状态对轨道板端上拱变形的影响规律,基于有限元方法和内聚力理论建立了可同时考虑层间和板间黏结状态的上拱非线性分析模型,对不同的层间黏结状态与不同的板间接缝状态下轨道板端的上拱变形情况进行了研究.研究结果表明:层间界面强度和断裂能的增加有利于抑制轨道板上拱变形,界面刚度的增加会导致层间损伤的加速产生;层间初始离缝存在于轨道板端部时会加速轨道板上拱变形,但在极端高温荷载下初始离缝范围并不影响轨道板的最终上拱幅度;板中离缝相比于板边离缝对轨道板的上拱变形更为不利;在窄接缝损伤超过60%后,轨道板上拱位移增加速度有明显提升;窄接缝损伤高度对轨道板上拱的影响明显大于损伤长度对其的影响;轨道板端与宽窄接缝的黏结界面离缝后,轨道板上拱位移有所增大.     

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。