梁端无砟轨道扣件系统及钢轨的受力分析

采用梁轨一体化无砟轨道有限元模型,计算了不同梁端位移作用下扣件系统与钢轨的受力,得出:①梁端位移对扣件系统与钢轨的受力影响很大,设计中应引起足够的重视;②相比活动支座,固定支座对控制梁端扣件系统与钢轨受力更为有利;③同一墩台两侧粱发生不对称位移比发生对称位移时对无砟轨道梁端扣件系统与钢轨的受力影响更为显著.     

客运专线无砟轨道梁端扣件上拔力研究

针对客运专线无砟轨道梁端转角和竖向相对位移对梁端轨道结构设计的影响,分析了无砟轨道梁端扣件上拔力产生的机理。建立了无砟轨道梁端扣件上拔力计算的有限元模型。分析了梁端转角、竖向相对位移、梁缝处扣件间距、梁端悬出长度、梁高等对扣件上拔力的影响规律,为客运专线梁端无砟轨道结构设计提供理论参考。     

刚构桥上无砟轨道无缝线路病害研究

为分析某刚构桥两端CRTSⅠ型框架型板式无砟轨道无缝线路扣件复合垫板窜出、半圆形凸形挡台与底座连接处拉裂以及半圆形凸形挡台周围填充树脂与轨道板产生较大离缝等病害,基于桥上无砟轨道无缝线路受力特点,采用有限元的方法建立线-板-桥-墩一体化计算模型,分析树脂强度、桥上铺设小阻力扣件以及设置钢轨伸缩调节器对轨道结构受力和变形的影响。结果表明:刚构桥两端扣件复合垫板窜出主要是由于采用小阻力扣件时,桥梁两端位置处的钢轨与轨道板的相对位移过大所致;半圆形凸形挡台与底座连接处拉裂、树脂大离缝等病害主要是因为在扣件纵向阻力过大以及树脂层的强度未达到设计强度,钢轨与桥梁温度变化使凸形挡台周围树脂层受力过大所致;桥上采用小阻力扣件时应该研究其铺设范围以期达到既能降低钢轨伸缩附加力又不显著增加钢轨与轨道板的相对位移。     

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.     

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.     

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.     

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。     

板式无砟轨道钢轨共振特性影响参数敏感性分析

为研究无砟轨道钢轨pinned-pinned共振影响因素,基于周期性支撑梁结构振动计算理论,建立板式无砟轨道振动实体有限元模型,采用单参数敏感性分析方法,分析了无砟轨道结构参数对钢轨pinned-pinned共振特性的影响,并计算了各参数的敏感度系数.研究结果表明:扣件间距的改变会引起钢轨pinned-pinned共振特性的明显改变,属于敏感参数.钢轨类型对钢轨pinned-pinned共振频率的敏感度系数相对较小,但仍在较敏感范围内.扣件刚度、阻尼及轨道板弹性模量对钢轨pinned-pinned共振频率几乎没有影响,属于不敏感参数.在钢轨表面附加约束阻尼结构会降低钢轨共振振幅,但几乎不改变钢轨的共振频率.受扣件间距的影响,无砟轨道钢轨pinned-pinned共振频率低于有砟轨道钢轨.     

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.     

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.     

基于机器视觉的大跨长联桥上无缝线路小阻力扣件纵向服役状态监测研究

以福厦高铁渔溪特大桥为例,提出一种基于机器视觉的小阻力扣件纵向服役状态监测方案,以获取大跨长联桥上无缝线路钢轨纵向变形与复合垫板窜出的时变特征;同时,结合梁轨温度与梁端位移测试结果,分析梁体温度、钢轨温度、梁端累积位移、梁轨相对位移与垫板窜出量之间的相关性。研究结果表明：根据图像识别结果,钢轨在监测阶段将随温度变化产生不同方向的伸缩,且钢轨位移略大于垫板窜出量。钢轨昼夜温差要显著大于桥面气温以及连续梁梁内气温、顶板温度、腹板温度,且梁体温度变化幅度显著比钢轨的小,其原因在于钢轨的比热容较小,在同等热量输入输出时产生的温度变化幅度较大。梁端纵向位移随温度变化幅度较小,最大日位移为0.15 mm;在监测周期内,梁端累积位移呈波动减小趋势,即梁体发生了缓慢收缩,其原因在于夏季到秋季时气温逐渐降低,且最大平均位移变化速率为0.09 mm/d。梁体温度、钢轨温度、梁端累积位移、梁轨累积相对位移和垫板窜出量之间的相关系数均大于0.8,说明其相关性较大,且均呈较好的正相关关系。通过基于机器视觉的小阻力扣件状态监测方法,可见小阻力扣件在福厦高铁渔溪特大桥区段具有较好的纵向服役状态,且监测周期内线路状态...     

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。     

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.     

扣件失效对地铁整体道床动力性能的影响

为研究扣件失效对地铁整体道床轨道及车体振动性能的影响,基于结构动力学理论建立地铁列车-整体道床(隧道衬砌)耦合分析模型,采用弹簧阻尼模拟土体,采用模态分析和Newmark法求解动力响应,研究列车速度、扣件失效数量和轨道不平顺对地铁车轨振动的影响。研究结果表明:扣件失效会加剧系统振动响应,对车体加速度影响较显著,但对钢轨位移和轮轨接触力的影响相对较小;列车速度对钢轨位移和邻近扣件反力的影响较小,对车体加速度和衬砌加速度影响显著;随着失效扣件数量增加,车体竖向加速度等系统动力响应增幅明显;在考虑轨道不平顺的情况下,扣件失效会加大钢轨加速度和衬砌加速度的振级,而车体竖向加速度可作为确定失效扣件位置的敏感指标;扣件失效会增大邻近扣件的受力,造成二次失效,影响乘客舒适性和周围环境振动,需要及时检修,保障地铁正常运行。     

京福高铁小半径曲线轨道服役状态监测试验研究

在运营过程中,受高速列车的碾压和冲击,小半径曲线地段已成为高速铁路轨道结构的薄弱环节之一.为保障列车的安全运行,需建立小半径曲线地段轨道结构长期监测系统,实现监测数据的自动采集、传输、存储和关联分析,并对可能发生的破坏进行预测预警.通过对2年监测周期内小半径曲线地段CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构的温度、受力变形等监测数据的综合分析,得出合肥地区夏季轨道板板中的月最高温度是月最高气温值增加11℃,冬季轨道板板中的月最高温度是月最高气温值减少3℃;全年路基摩擦板地段钢轨与轨道板的纵向相对位移在1mm以内,大端刺附近钢轨与轨道板的纵向相对位移最大值为2.9mm;从简支梁到端刺,钢轨受到的压应力逐渐减小,冬季端刺区钢轨出现了拉应力,最大拉应力为32MPa.     

均匀降温下CRTSⅡ型高速铁路轨道板温度应力分析

根据无砟轨道板钢轨-轨道板-钢筋滑移线性本构关系,建立了均匀降温作用下纵连式轨道板温度应力计算模型.应用拉普拉斯变换方法求解平衡微分方程,得到钢筋和混凝土应力、位移的解析表达式,分析配筋率、扣件扣压力和板底摩擦力等参数对裂缝间距及轨道板内力、位移的影响.最后以京沪高铁CRTSⅡ无砟轨道板为例,计算30℃降温条件下的开裂间距,轨道板内力、位移随裂缝长度的分布规律.研究结果表明,解析表达式可以准确地分析轨道板的温度应力,为无砟轨道板设计提供理论依据.     

无砟桥上无缝交叉渡线力学特性的影响因素

基于有限元方法,以60 kg/m钢轨、12号固定辙叉、4 m间距无砟轨道交叉渡线为例,建立了无砟桥上无缝交叉渡线纵横向耦合的温度力及位移计算模型.主要研究了桥梁及钢轨的温度变化幅度、桥墩墩顶纵向水平刚度、桥梁形式及支座布置形式等因素对桥上无缝交叉渡线力学特性的影响,并对今后无砟桥上无缝交叉渡线的设计提出了建议.     

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.     

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.     

滑移支座摩阻效应对高速铁路大跨度桥梁梁轨相互作用的影响

为了研究支座摩阻力对大跨度桥梁-轨道系统相互作用的影响,以高速铁路线上某大跨度钢桁拱桥为研究对象,建立钢轨-桥梁-墩台-基础一体化有限元模型,采用非线性弹簧模拟滑移支座,对计入支座摩阻效应前后、不同类型扣件下桥梁-轨道系统的各种纵向附加力开展对比研究。研究结果表明:滑移支座摩阻力对大跨度桥梁-轨道系统的伸缩附加力和断轨附加力有较大影响。计入支座摩阻效应后,钢轨的各项附加应力有所减小,各墩台附加水平力显著增加。随着摩阻系数μ增大,墩台附加力呈不断增大趋势,而钢轨附加应力和钢轨断缝值则趋于减小。采用普通扣件下摩阻系数为0.03,0.05和0.10时,钢轨最大伸缩应力分别为不计摩阻力时的92.7%,87.3%和71.8%,而固定墩墩顶附加力分别增大至2.1倍、2.8倍和4.4倍。计入支座摩阻力后,在不同摩擦因数下,采用小阻力扣件的钢轨附加应力与墩台附加水平力较普通扣件工况下差别不大,但断缝值均增大约20%。