夏季桥上CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道温度梯度研究

通过对我国东南地区某简支梁桥上CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道结构温度场的持续监测,重点研究了夏季高温下轨道结构温度梯度分布规律,采用高阶矩法建立了轨道结构夏季温度及温差概率统计模型,确定了具有一定重现期的轨道结构温度与温差代表值,提出适用于我国东南地区CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道结构的夏季横、竖向温度梯度拟合模式.试验研究表明:夏季轨道中部从上至下对应超越概率0.01的高温代表值依次为47.7℃、40.1℃、36.9℃与35.8℃;晴天温度梯度分布均匀,轨道结构横、竖向分别于17:00、15:00达到最大,温差可达6.7℃、12.2℃;竖向和横向对应超越概率0.01的正负温差代表值分别为16.16℃、-6.32℃与7.75℃、-4.43℃;竖向正负温差代表值采用指数形式进行拟合,其分布规律与中国铁路桥梁规范相近,横向正负温差代表值可采用折线形式进行拟合,精度较高.     

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.     

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.     

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。     

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...     

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。     

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.     

温度梯度作用下纵连板式无砟轨道疲劳应力谱

为了研究服役期间温度梯度作用下纵连板式无砟轨道疲劳应力谱,建立基于传热学理论的纵连板式无砟轨道温度梯度计算模型和温度梯度作用下疲劳应力谱计算模型,并对模型进行验证。以广州气象数据为例,首先利用经过验证的温度梯度计算模型计算服役期间轨道板温度梯度时程曲线,然后将所计算的温度梯度时程曲线输入经过验证的疲劳应力谱计算模型,得到服役期间自重和温度梯度时程曲线作用下不同板厚和裂缝间距的纵连板式无砟轨道疲劳应力谱。研究结果表明:服役期间温度梯度作用下纵连板式无砟轨道疲劳应力谱具有明显的时变特性;板厚对温度梯度作用下服役期间纵连板式无砟轨道疲劳应力谱影响较小,裂缝间距对其影响很大。     

西部铁路特殊地段轨道结构适应性研究

针对西部铁路轨道基础不均匀沉降、路基冻胀及活动断裂带等特殊地段,采用ABAQUS有限元软件,建立聚氨酯固化道床轨道与双块式无砟轨道的计算模型,计算并分析在不均匀沉降、上拱及断层这3种基础变形作用下聚氨酯固化道床轨道和双块式无砟轨道这2种轨道结构的变形规律,同时,对比分析这2种轨道结构的维修特性。研究结果表明：相对于双块式无砟轨道,聚氨酯固化道床轨道对3种基础变形的跟随性更强,离缝现象出现的概率偏小,同时,离缝值也更小;对于工程及环境条件恶劣的西部铁路的维修作业,聚氨酯固化道床轨道具有更好的适应性。     

高速铁路CTRSⅡ型板式无砟轨道温度场效应分析

以高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,通过建立CRTSⅡ型无砟轨道结构有限元模型,分析了温度梯度、日照温度曲线对轨道板变形的影响规律。研究结果表明,存在正温度梯度时,轨道板将产生上拱变形;存在负温度梯度时,轨道板将产生下挠变形,纵连钢筋对温度变形起到一定的抑制作用。随着日温度的变化,中午14时的轨道板结构翘曲变形最大;早上6时的轨道板翘曲变形最小。     

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.     

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.     

基于高阶矩法的CRTSⅡ型轨道板抗裂可靠度

文章提出了基于高阶矩的CRTSⅡ型轨道板抗裂可靠度分析方法。首先,利用ANSYS有限元软件建立列车竖向荷载作用下的CRTSⅡ型板式无砟轨道力学模型,同时考虑列车横向荷载及梯度温度作用,建立轨道板抗裂功能函数;接着,将二维减维点估计方法与结构有限元分析相结合求解考虑竖向荷载作用效应的隐式函数前四阶矩;最后,利用随机变量的前四阶矩,根据Monte-Carlo模拟计算抗裂功能函数的前四阶矩并基于高阶矩法计算功能函数的可靠指标。算例分析表明:文章提出的点估计-有限元方法计算的前四阶矩与Monte-Carlo模拟结果相对误差小于5%;计算的可靠指标为4.63,满足规范要求。该法具有简单、实效、模拟次数少的优点,为解决CRTSⅡ型轨道板在隐式函数情况下的抗裂可靠度分析提供了高效合理的工具。     

整体温升作用下纵连板式无砟轨道宽窄接缝损伤演化研究

为探明整体温升荷载对纵连板式无砟轨道宽窄接缝的损伤演化规律,建立了纵连板式无砟轨道宽窄接缝损伤数值模型,模拟了轨道板宽窄接缝混凝土劣化、施工温差及初始裂纹条件下的宽窄接缝损伤情况,探讨了各种因素对宽窄接缝损伤的影响.研究结果表明:整体温升作用下,宽窄接缝的损伤主要集中在接缝处的板边缘位置,接缝损伤随温度升高逐渐增大.宽接缝压溃会加剧轨道板偏心受压,导致层间界面离缝;接缝混凝土强度越大,接缝损伤临界温升和压溃临界温升越高;施工温差越大,整体温升条件下宽窄接缝损伤情况越严重.保证宽窄接缝施工温度相同,可有效避免整体温升作用下宽窄接缝损伤程度的差异;轨道板初始裂纹会显著增加宽窄接缝的损伤程度,同时将导致宽接缝压溃临界温升值明显降低.     

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.     

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.     

减振垫层温频变动力性能对无砟轨道振动特性影响

以减振垫层为研究对象,首先通过动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数FVMP模型并结合温频等效原理,表征减振垫层的温频变特性;然后将该模型应用于车辆-CRTSIII板式无砟轨道垂向耦合系统中;最后分析了减振垫层温频变特性对轨道结构振动响应的影响.结果表明：温度和加载频率对减振垫层的动态力学性能有显著影响,高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种动态力学行为.在时域响应中,轨道板位移和加速度在FVMP模型下计算的峰值明显大于Kelvin-Voigt(K-V)模型下的峰值.FVMP模型在各参考温度点下轨道板位移的响应呈现出随着温度的降低而减小的趋势,而轨道板加速度则呈现随着温度的降低而增大的趋势.在中高频段内,轨道板的响应表现为FVMP模型下的频域响应大于K-V模型下的频域响应,FVMP模型各参考温度点在该频段内轨道板的响应表现为随着温度的降低而减小的趋势.因此,为提高对轨道结构预测的准确性,有必要考虑减振垫层的温频变特性.