高速铁路箱梁-双块式轨道系统温度梯度研究

温度作用对高速铁路箱梁-轨道整体工作性能有重要影响,通过对我国东南地区某32m简支梁-CRTS I型双块式无砟轨道结构温度的持续监测,重点研究了箱梁-轨道系统日温度变化规律与竖向温度梯度分布规律,基于全年每测点16 560个数据,采用高阶矩法确定具有一定重现期的箱梁-轨道系统竖向温差代表值,提出了适用于我国东南地区箱梁-轨道系统的竖向温度梯度拟合模式.研究表明:可采用一阶傅里叶级数模拟结构晴天温度升降变化特征,拟合程度较高,同一季节拟合参数a、b、ω与φ自上而下逐渐减小,温度波动幅值a随深度增加趋近于0℃;不同季节各截面竖向晴天温度日变化特征基本一致,于11:00~21:00前后出现正温度梯度,于01:00~9:00前后出现负温度梯度;轨道-箱梁整体对应超越概率0.01的竖向正负温差代表值分别为14.87℃与-6.3℃,箱梁顶板对应超越概率0.01的正负温差代表值分别为13.74℃与-3.54℃,底板为2.38℃与-1.12℃,可采用指数对箱梁顶板竖向正负温差代表值进行拟合,其分布规律在形式上与中国铁路桥梁规范相接近,可采用线性形式对底板温差代表值进行拟合,两种拟合形式相关系数的平方均在0.99以上,可为规范修正与桥梁设计提供参考.     

基于GPD模型的箱轨极值温度梯度取值研究

基于东南地区某32m简支梁-CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道2a的实测温度数据,提出基于GPD模型的温度梯度尾部数据拟合方法,重点研究了箱梁-轨道系统竖向温度梯度分布规律,并对箱梁-轨道系统的竖向温度梯度尾部数据极值进行了估计,提出现场实测最大温度梯度模式与对应估计100a重现期的温度梯度拟合模式.研究表明:GPD模型可对尾部极值温度数据进行很好地拟合,预估不同概率需求的温度梯度荷载值;箱梁-轨道系统截面Ⅰ与截面Ⅱ日温度梯度变化特征基本一致,于11:00~21:00前后出现正温度梯度,16:00达到最大,于01:00~9:00前后出现负温度梯度,7:00达到最大;采用GPD模型计算对应100a重现期估计值,截面Ⅰ最大正温差的实测值与估计值分别为15.2℃和23.36℃,截面Ⅱ为17.4℃和24.4℃,采用不同形式对箱梁-轨道系统竖向梯度实测正负温度梯度最大值与100a一遇估计值进行拟合,拟合相关系数的平方均在0.98以上,可为规范修正与桥梁设计提供参考.     

严寒地区无砟轨道温度场及轨道板温度梯度预估模型

严寒地区无砟轨道结构的温度荷载取值,是轨道结构设计及服役性能研究急需解决的关键工程问题。基于东北地区大连、沈阳、长春、哈尔滨四个主要城市的历史气象数据及热力学基本原理,建立了CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道-路基结构热力学模型,分析在不利气象条件下无砟轨道-路基结构温度场分布特征,拟合计算结果建立了轨道板最大正负温度梯度与气象数据关系预估模型,对东北严寒地区轨道板最不利温度梯度进行讨论。结果表明：CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道-路基结构内部温度垂向分布呈非线性,0.2米深度范围内,轨道板及路基的日温度变化幅度较为剧烈,在一日内承受正负温度梯度的交替作用,1.4m深度后路基的温度趋于平稳,变化幅度可以忽略;通过日气温温差、日太阳辐射总量、风速三个主要气象数据,可以较好的预估CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道轨道板一日内的最大正负温度梯度;轨道板的最大正温度梯度与日温差和太阳辐射总量成正比,与风速成反比,轨道板的最大负温度梯度与日温差、太阳辐射量及风速成正比。     

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。     

春季纵连板式无砟轨道非线性温度分布

为得到圆曲线上无砟轨道结构温度场分布的时变规律,在某客运专线圆曲线段上的CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道中埋设温度传感器,对其温度分布进行了长期连续观测,在大量测试数据的基础上通过概率统计获得无砟轨道横、竖向温度梯度荷载模式.结果表明:无砟轨道结构在与外界的热交换过程中,其内部竖向和横向温度呈非线性分布;轨道结构温度随着环境温度变化呈现周期性变化;随着与表面距离的增加,不同位置处出现温度峰值的时间存在明显滞后,轨道结构底部出现温度峰值的时间比顶部延迟约5 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为相近.     

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.     

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.     

夏季高温双块式无砟轨道道床板早期温湿度分布特征

为了研究夏季高温道床板浇筑早期温度和湿度分布规律,制作了新建高铁桥上双块式无砟轨道道床板试验模型,开展了道床板浇筑早期温湿度长期监测试验,研究了温湿度分布规律和温度竖向、横向和纵向分布形式,并基于GEV模型提出了日温度最值代表值和日最大竖向正、负温度梯度代表值。研究结果表明：1)当龄期为11 h时,道床板温度达到最大值;在水化热影响下,浇筑后92 h内道床板温度随着埋深增加而呈递增趋势,随后受气温影响,温度呈相反规律变化;纵向板中湿度减小率比板端的高;2)道床板竖向温度是埋深和时间的非线性函数,分布呈“抛物线”形;埋深100～230 mm是高温核心区;道床板板中处竖向温度梯度最大,且竖向温度梯度随着埋深增加呈现出较大差异性;3)受线路走向影响,横向温度呈凸形非对称分布;纵向温度梯度较小,为了简化计算可以忽略不计;4)板中竖向负温度梯度代表值为67.17℃/m,大于规范值,建议竖向温度梯度取值在有条件情况下可根据现场实测数据确定;5)道床板早期温湿度、竖向温度梯度分布应重点研究板中断面,为了防止道床板浇筑后表面出现裂纹,应注重洒水养护,尤其是道床板板中洒水要均匀且充足。     

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.     

基于高阶矩法的梁-轨系统温度作用代表值

提出了一种基于高阶矩法的结构温度统计方法,可避免传统方法拟合曲线求分布的不确定性,计算效率、精度高.基于我国华东一高铁桥梁长期监测数据,将箱梁和轨道作为整体,计算了其竖、横向温度和温差代表值,分析了温度云图和温差分布规律,研究了轨道结构对箱梁表面温度的遮盖效应.研究表明:结构年温度样本属中变异,分布规律平稳;高温标准值分别为35.4℃,38.15℃,竖向最大高温梯度分别为10.33℃,12.93℃;混凝土竖向有效导热长度约为60 cm,轨道遮盖可降低箱梁表面温度4.4℃.     

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.     

简支梁上CRTSⅡ型无砟轨道动力特性的试验研究

为研究纵连板式无砟轨道-桥梁整体的动力性能,对桥上CRTSⅡ型无砟轨道建立了多测点测量系统,详细观测了CRTSⅡ型轨道工作时各结构的响应特征,对各结构的横向加速度、竖向加速度、竖向位移以及梁体的自振频率、阻尼比、动力系数进行了统计分析.结果表明:CRTSⅡ型无砟轨道系统的竖向总减振率可达90%以上,行车振动传至桥面板时,最大竖向加速度幅值为3.93 m/s~2,最大竖向位移幅值为0.131 4 mm,满足相关规范要求;行车振动对邻线影响较小,且影响主要集中在简支梁固定支座端;车致振动响应基本与行车速度呈正相关;在特定速度附近,部分结构可能产生与轨道系统整体不同步的振动模式,存在离缝与损坏的隐患;在CRTSⅡ型无砟轨道系统下,简支梁一阶竖向自振频率约为7.27 Hz,略大于裸梁理论值.     

基于气象参数的轨道板竖向温度梯度预测模型

传统基于热力学的混凝土结构温度场分析方法存在着假设过多、参数取值困难、计算能耗过大的缺点.为研究轨道板竖向温度梯度分布规律,结合轨道板温度场的长期观测数据,建立误差反向传播的多层人工神经网络,选用易于取得的气象参数作为训练样本,对轨道板竖向温度梯度进行预测,并采用实测数据验证其准确性.在此基础上研究了日温差、日照时数和风速对轨道板竖向温度梯度的影响规律.研究表明:采用日温差、日平均风速和日照时数3种气象参数作为训练样本,所建立的4-16-1结构人工神经网络预测结果最大误差为2.0℃,平均相对误差为0.38%,可准确预测轨道板竖向温度梯度,且具有较好的鲁棒性;各气象参数与轨道板竖向温差之间存在着复杂的非线性映射关系,总体而言,日照越强,风速越高,轨道板竖向温度梯度越大;对我国中部地区而言,轨道板竖向温度梯度为-2~10℃.     

基于长期健康监测数据的混凝土单箱三室箱梁遮阴效应

单箱三室箱梁温度效应复杂,在王家河特大桥箱梁混凝土内埋置了89个温度传感器、并布置了光电辐射传感器与风速传感器,采集频率均为1次/20min。利用无线采集模块进行数据采集,得到单箱三室箱梁太阳辐射温度场分布规律。研究结果表明：太阳辐射测试结果存在季节性,夏季太阳辐射强烈,风速测试结果无明显季节性;受太阳辐射作用影响,向阳侧边腹板竖向温度梯度大于背阳侧竖向温度梯度,夏季竖向温度梯度大于冬季温度梯度;受对流作用影响,中腹板除顶底部测点外变化极小可被忽略;受太阳高度角影响,冬季向阳侧照射时间比夏季长。冬季箱梁最大横向温度梯度为12.0℃,大于夏季的4.7℃;箱梁横向温度梯度成U型分布,背阳侧横向温度梯度的98%超越概率值为6.472℃,首次提出基于向阳侧和背阳侧温度梯度的中国铁路规范的修正公式;建立考虑遮阴长度的温度场模型,揭示了向阳侧腹板横向温度梯度冬季大于夏季的原因。     

武广客运专线CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工设备配套研究

由于无砟轨道的突出优点,我国在建或拟建的高速铁路广泛应用无砟轨道技术.武广客运专线建设在我国铁路建设史上具有重要的意义,其应用的CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道系统是在德国RHEDA2000双块式无砟轨道系统上发展起来的,该技术对于我国还是一项新技术、新工艺,也需要使用新设备.根据武广客运专线工程现场实际情况,结合前期参与同德方技术交流和施工设备引进谈判及施工设备国产化情况,从施工质量、效率和经济性方面系统分析了施工设备的配套.     

桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道均匀温度研究

在某客运专线曲线段桥上设置温度传感器,通过对CRTSⅡ型板式无砟轨道进行长达两年的监控,得到其时变规律,利用时间序列差分法求得测点日平均温度,得到代表整体温度变化趋势的均匀温度时程曲线,有效反映了结构温度随大气的季节性变化规律.基于傅立叶曲线拟合及高阶矩统计模型研究其规律,提出无砟轨道整体的均匀温度变化规律.结果表明,结构各测点均匀温度呈现以365d为周期的三角函数变化规律,其拟合参数可分别表示均匀温度变化规律中的中位值、幅值及相位差;各测点间的均匀温度拟合结果差异较小,可将轨道全截面作为一整体分析,用其统一温度代表轨道整体的均匀温度变化规律;通过高阶矩概率统计模型对统一温度分析,可得到具有概率保证的均匀温度变化方程.     

有砟及无砟轨道结构对货物列车运行安全性的影响

基于列车-有砟及无砟轨道系统空间振动计算模型,采用列车脱轨能量随机分析方法,分别计算货物列车在有砟、无砟轨道上的脱轨全过程,得出2种车轨系统横向振动极限抗力作功及其动力响应,分析货物列车的运行安全性、2种车轨系统的空间振动特性。研究结果表明:与有砟轨道相比,无砟轨道的抗脱轨能力最大可提高45.9%,车速为90 km/h时无砟轨道上车体竖向Sperling平稳性指标、轮对横向力、轮轨竖向力分别减小73.5%,22.1%和27.3%;无砟轨道各部件横向位移、加速度均小于有砟轨道相应值,而钢轨竖向位移大于有砟轨道相应值,但由于无砟轨道竖向位移主要由扣件承担,导致钢轨传至道床板的竖向位移衰减75.3%;无砟轨道各部件竖向加速度均大于有砟轨道相应值,产生的振动、噪声对周围建筑影响更大。建议在重载铁路新线设计中优先采用无砟轨道,但应采取减振降噪措施。     

冬季高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道温度分布试验

为研究冬季高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道温度分布规律,制作无砟轨道-预应力混凝土简支箱梁结构1?4缩尺试验模型,开展冬季低温气候无阳光直射环境下的温度分布试验,研究CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的温度变化规律,提出该型无砟轨道在高速铁路桥上的温度分布形式.研究结果表明:1)寒冷季节高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨...     

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。     

离缝修复条件下无砟轨道板温度翘曲变形特征

根据高速铁路无砟轨道离缝修复工艺,基于双线性内聚力模型理论,采用内聚力单元模拟层间粘结界面,建立考虑多界面粘结的CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型。计算分析了无砟轨道板在温度梯度-50℃·m^-1～+100℃·m^-1、温升温降-30℃～+30℃作用下的翘曲变形,结果表明:离缝修复条件下,在计算范围内温度荷载作用时,轨道板翘曲变形模式和最值与正常状态一致,说明离缝修复使无砟轨道板温度翘曲变形得到恢复。