多个列车轮载作用下铁路道床结构安定性分析

为了更全面地了解铁路道床结构的安定行为,根据列车轮载作用下于Winkler连续均匀弹性地基上的钢轨竖向挠曲变形规律,采用基于Gauss函数的轨枕荷载分担比的近似计算方法,确定单个和多个轮载作用于不同位置处的轨枕荷载分担比。基于BOUSSINESQ和CERRUTI解答,推导竖向和水平均布荷载作用下半无限空间结构中的弹性应力场的解析表达,并结合Melan静力安定定理,提出多个列车轮载作用下铁路道床结构的安定性分析方法,通过与已有文献计算结果的对比,对推导的弹性应力场解析方法及静力安定分析方法的可行性和计算结果的准确性进行验证。基于铁路道床结构的安定性分析方法,研究多个列车轮载作用下道床材料参数对其安定荷载的影响规律。研究结果表明:对于和谐号CRH3型电力动车组高速列车,其轨枕荷载分担仅在1个转向架的2个轮轴荷载之间存在叠加影响,且在其影响范围内轨枕荷载分担比呈现"M"形分布;道床结构的静力安定荷载随内摩擦角增大而增大,尽管泊松比是影响结构弹性应力场的重要参数,但其对道床安定荷载的影响较小;在满足经济性的前提下,适当选用高强度的材料,能有效提高给定摩擦因数下道床结构的承载能力。     

移动荷载作用下结构弹塑性安定分析方法及其应用研究

为了研究移动荷载作用下结构的安定性问题,以Melan静力型安定定理为基础,通过构造满足静力平衡条件的最佳残余应力场,并求解移动荷载作用下结构中的真实弹性应力场,发展了一种弹塑性安定性计算方法.该方法摆脱了传统安定性分析方法中的数学规划运算,解决了计算中维数障碍的问题.通过与前人研究结果对比,说明本方法的正确性.基于此方法,研究了列车荷载直接作用下路基的静力安定极限的第一类上限kI和静力安定极限kSD,进行轮载间距L和铁轨间距B对路基安定极限的敏感性分析,发现当轮载间距L和铁轨间距B大于等于10a时,轮载间距L和铁轨间距B对路基安定极限不再产生影响;通过分析材料泊松比v和内摩擦角φ对安定极限的影响,表明安定极限随着路基泊松比的增大略有减小,但随着内摩擦角的增大而有明显增加;并提出了一种基于安定极限荷载包络图的路基安定性评价方法和设计方法,据此可对铁路路基进行设计指导和安全性评价.     

基于应力吸收-防水层的铁路基床结构动力特性分析

依托云桂高速铁路膨胀土路基工程,开展新型应力吸收-防水层基床结构研发工作,借助模型试验和数值模拟方法,对膨胀土路堑新型基床动力特性进行对比研究.结果表明,应力吸收-防水层材料力学性能可满足长期浸水和振动荷载共同作用下的要求;基床动应力随深度近似呈指数型衰减;基床动力响应受服役环境影响显著,降雨和地下水位上升均会加剧动响应变化程度;干燥和降雨条件下,路基竖向变形随激振次数增加先增大后逐渐趋于稳定,地下水位上升会加剧地基膨胀土产生膨胀变形,路基竖向变形表现为"上抬";铺设应力吸收-防水层能够减少高速列车荷载作用下引起路基结构的振动,加快基床结构内振动响应的衰减,增强路基结构系统的整体稳定性.研究成果可为膨胀土地区高速铁路建设及理论研究提供参考.     

高铁路基动力荷载传递规律研究

探明列车荷载激励下高速铁路路基结构振动特性和动力荷载传递规律具有重要意义。以云桂高速铁路工程为研究背景,采用现场试验、调研与数理统计和理论分析的方法研究列车荷载激励下路基内动态土压力、振动速度、振动加速度分布特征和传递规律,建立不同轨道型式高铁路基动荷载传递模型。结果表明路基振动荷载传递主要发生在基床结构层内,且基床结构型式和参数对改善振动荷载传递具有显著影响;高铁有砟轨道路基面动应力强度约为无砟轨道的3～5倍,但有砟轨道路基动应力随深度的衰减明显较无砟轨道快;采用双曲线函数可较好描述高速列车荷载激励下路基内动态土压力随深度衰减趋势。该研究可为高速铁路路基结构设计提供参考。     

有砟客专路基结构参数的优化研究

为了改善有砟铁路路基结构受力状况和降低维修费用,需要研究列车荷载作用下路基结构参数对路基动力响应的影响.采用正交试验设计分析了铁路路基结构动力响应与道床弹性模量、基床表层弹性模量、基床底层弹性模量、道床厚度、基床表层厚度、基床底层厚度以及地基弹性模量等各结构层参数的敏感性关系,并结合层次分析法和线性评价指标确定了有砟铁...     

移动荷载作用下既有高速铁路路基拓宽计算分析

通过有限元软件PLAXIS对土工合成材料加筋既有高速铁路路基的加筋效果和动态响应特性进行分析,以具体拓宽道路为例,对比有限元仿真模型计算结果与典型试验结果,验证了有限元模型的准确性,并对比了三维与二维模型的差异,研究了既有高速铁路加宽路基在移动荷载作用下的动态响应特性。结果表明：在列车动荷载作用下,变形不仅发生于荷载正下方路基,路基两侧的坡面上也伴随变形发生,且靠近加宽路基一侧的坡面变形更明显,相对整体而言,加宽路基处更容易发生过大的变形而导致失稳破坏。路基表面应力变化有一定滞后性,动应力衰减系数与列车速度呈正相关。相较于列车静载,列车动荷载产生的路基表面峰值应力更大。路基沉降与路基高度总体上呈现出正相关趋势,随着高度的降低,沉降减少。路基坡面横向变形随列车的运动响应较快,最大横向变形发生在路基上部。利用土工格栅对既有高速铁路加宽路基加筋,可显著改善路基变形特性,结合经济效益分析,在中上部进行加筋效果较优。     

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%.     

高速铁路路基岩溶整治技术研究

近年来,我国高速铁路施工技术日趋成熟,高速铁路道床多采用整体道床形式,整体道床对沉降变形尤其是不均匀沉降特别敏感,而我国西南地区多为山区,地质复杂,岩溶路基比例较大,地表多溶沟、溶槽等岩溶现象,岩溶强烈发育。因此高速铁路路基岩熔的整治能否满足要求成了后续路基施工及不均匀沉降控制的关键问题。基于此,通过沪昆客专路基岩溶注浆工艺的研究,为类似工程的施工提供参考。     

列车作用下青藏铁路路基动力响应试验

目的分析研究多年冻土区青藏铁路在列车动荷载作用下路基的稳定性及振动衰减规律.方法选取青藏铁路北麓河段三个典型试验断面,在春季进行了列车荷载作用下的路基动力响应现场试验,采集路基、边坡、道床3处振动数据,统计计算了青藏铁路客车与货车行驶时路基振动的最大和平均加速度幅值,对实测数据进行了功率谱分析.结果路基上货运和客运列车的竖向最大加速度分别为2.213 2 m/s2和2.000 4 m/s2,对应的平均加速度分别为0.149 5 m/s2和0.114 3 m/s2,道床上的振动明显减小.在T28次客运列车的作用下,对于断面Ⅲ,C3测点在振动频率为25 Hz、38 Hz、46 Hz,55 Hz出现峰值,能量集中在18~53 Hz.边坡C4测点振动能量集中在20~65 Hz,C5测点的优势频段为20~80 Hz.结论路基上货运列车的振动比客运列车振动大,同一断面竖向衰减速度大于横向,素土路基各方向衰减小于块石路基,下一测点加速度峰值大致减小为相邻上一测点的1/10.     

桩网结构动力响应研究新进展

桩网结构是近些年来出现加固软弱地基加固的路基,利用桩、路基、填土和土工材料之间相互协同作用,共同承担路基的上部荷载,提高结构承载力,具有土体侧向位移小、工后沉降易控制、地基处理厚度深、相邻建筑影响小等优点,故研究桩承结构路基在列车动荷载作用下的沉降变形特性和动力响应是十分必要的,桩承结构路基动力学已成为铁道工程、结构力学等众多领域的共同研究热点。首先简述了桩承结构的加固路基的机理;其次,分别从湿陷性黄土路基桩承结构的沉降计算、土拱效应和动力响应特性等方面进行理论研究与试验分析;并列举了采取桩承结构处理路基的工程实例,证明了其应用的可行性;最后指出其有待深入研究的问题,并展望高速铁路桩承结构发展的前景。     

钢-UHPFRC组合加固足尺混凝土T梁抗弯承载性能试验

为恢复地震、爆炸、火灾等极端荷载作用后混凝土T梁桥上部结构的抗弯性能,利用超高性能纤维混凝土(UHPFRC)材料的良好抗弯拉性能改进钢-混凝土组合加固技术,提出钢-UHPFRC组合加固方法。以带损伤的足尺混凝土T梁为试验研究对象,通过抗弯承载性能试验,分析钢-混凝土组合加固和钢-UHPFRC组合加固T梁在正常使用阶段的受力性能和承载能力极限状态下的弯曲破坏模式;基于足尺试验弯曲破坏形态,建立钢-UHPFRC组合加固足尺混凝土T梁抗弯承载力计算图示和简化公式。研究结果表明:钢-UHPFRC组合加固试验梁发生塑性弯曲破坏;跨中横截面变形符合平截面假定,加固部分与原结构之间纵向相对滑移小于0.35mm,加固后试验梁整体工作性能较好,与未加固梁相比,钢-混凝土组合加固T梁抗弯极限承载能力可提高71%;在加固材料质量减轻50%的条件下,钢-UHPFRC组合加固T梁抗弯极限承载能力可提高30%,正常使用阶段其抗弯刚度与钢-混凝土组合加固T梁相近,因此钢-UHPFRC组合加固可提升或恢复混凝土T梁的抗弯承载性能,同时降低加固材料对结构自重的增加;抗弯承载力简化公式计算值与钢-混凝土组合加固T梁和钢-UHPFRC组合加固T梁试验值的比值分别为0.97和0.95,简化公式计算可靠,可用于组合加固后混凝土T梁桥的设计计算。     

微型桩-加筋土挡墙路基结构的公路护栏抗冲击性能

为了对微型桩-加筋土挡墙路基结构的护栏抗冲击性能进行验证和评价,利用数值手段开展加固前后的护栏冲击动力响应对比分析。研究结果表明:微型桩-加筋土挡墙通过"护栏—连接构件—地基梁—微型桩—加筋土—地基"这一从上到下的加固体系,从受力机制上相当于大大增加护栏的锚固深度,将作用在护栏上的碰撞荷载自上而下地传递到加筋土及地基内部,而沿公路长度方向浇筑的地基梁则将荷载从作用点向两侧分散传递,利用整体结构来分担荷载,因而显著增强护栏的抗冲击能力,可减小约90%的护栏碰撞位移,并使得不同碰撞荷载作用下的面板最大侧向位移比加固前减小82.1%~94.3%,初步验证其护栏抗冲击性能的可靠性。     

冷弯薄壁型钢桁架组合楼盖抗弯性能试验研究

文章进行了3块冷弯薄壁型钢桁架-压型钢板混凝土组合楼盖试件和1块冷弯薄壁钢桁架-ALC板组合楼盖试件的抗弯性能试验,详细考察了组合楼板在均布荷载作用下的应变分布规律和破坏模式,研究了荷载-挠度曲线和荷载-应变曲线。试验研究表明:组合楼盖的抗弯承载力随着抗剪连接件个数的增加和节点连接强度的增大而增加;组合楼盖在承受相同弯矩的情况下,冷弯薄壁型钢桁架-ALC板组合楼盖产生的最大挠度明显大于冷弯薄壁型钢桁架-压型钢板混凝土组合楼盖产生的最大挠度。研究结果将为冷弯薄壁型钢组合楼盖的设计和应用提供参考依据。     

新型装配-现浇式密柱结构体系抗震性能试验研究

为提升新型装配-现浇式密柱结构的抗震性能,通过对2榀模型在低周反复荷载作用下的试验分析,研究了其在正常使用阶段和承载极限状态时墙体各截面应力、裂缝、变形、破坏形态及延性性能.结果表明:结构在正常使用荷载作用下具有良好的延性及变形能力,抗震性能明显优于普通剪力墙;预制外壳与现浇柱联结性能良好,不会出现滑移错动;预制外壳的增加能显著提高结构承载性能,采用"最优尺寸"的截面设计能更好地发挥结构抗震能力.新型结构具有良好的整体工作性能,可以作为抗震房屋建筑的结构体系.     

CFRP-铝合金组合管Keiwitt网壳弹塑性稳定性

采用有限元方法研究碳纤维增强复合材料(CFRP)-铝合金组合管构成的Keiwitt网壳结构的弹塑性稳定性能,并与纯铝合金网壳进行对比。先通过组合管轴心受压的试验结果校验了有限元模型;再对CFRP-铝合金组合管构成的网壳进行全过程分析,其中考虑几何和材料非线性,获得了极限承载力;并研究矢跨比、初始缺陷和非对称荷载分布等参数对网壳稳定性能和极限承载力的影响;最后比较了组合管网壳与纯铝合金网壳的经济性。结果表明,组合管网壳的材料费用虽较高,但其承载力高,对几何缺陷和非对称荷载敏感性小,适合于建造大跨结构。     

CFRP-铝合金组合管Keiwitt网壳的弹塑性稳定性

采用有限元方法研究碳纤维增强复合材料(CFRP)-铝合金组合管构成的Keiwitt网壳结构的弹塑性稳定性能,并与纯铝合金网壳进行对比。先通过组合管轴心受压的试验结果校验了有限元模型;再对CFRP-铝合金组合管构成的网壳进行全过程分析,其中考虑几何和材料非线性,获得了极限承载力,并研究矢跨比、初始缺陷和非对称荷载分布等参数对网壳稳定性能和极限承载力的影响;最后比较了组合管网壳与纯铝合金网壳的经济性。结果表明,组合管网壳的材料费用虽较高,但其承载力高,对几何缺陷和非对称荷载敏感性小,适合于建造大跨结构。     

竖向荷载下新型住宅复合结构试验研究

通过对用于住宅的一榀新型复合结构模型在竖向荷载作用下的试验,研究了复合结构在正常使用阶段和承载力极限状态时梁柱及支撑的各截面应力、裂缝、变形和破坏形态.结果表明,一榀六层复合结构,在梁柱截面为250 mm×250 mm,支撑截面为120 mm× 120 mm,承载面积为4.2 m ×4.2 m的情况下,荷载达到一般住宅竖向荷载标准值,梁的裂缝和挠度均小于规范值;当达到设计值时,支撑和底层柱所需要的配筋仅为构造配筋,而梁最大弯矩截面的配筋率仅需0.25%,即新型复合结构满足住宅结构在竖向荷载组合下可靠性要求.复合结构在竖向荷载作用下的破坏形态为梁铰机构体系.     

冻胀变形下高速铁路车辆-轨道-路基耦合系统的动力效应

季冻区严酷的自然环境对高速铁路的高标准运行产生了极大影响,甚至会对高速铁路造成永久性破坏。为探究季冻区高速铁路路基冻胀变形作用下对车辆-轨道-路基耦合系统动力效应的影响,以银西高速铁路某冻胀区段为背景,结合车辆-轨道-路基系统动力学的原理和分析方法,建立了简化后的动力学模型;选取了典型的单波余弦冻胀波形（冻胀波长 λ =10 m, 冻胀峰值 f =10 mm）,分别探讨了轨道系统与车辆系统的动力学效应,并据此确定了轨道刚度的合理取值。研究结果表明：在路基冻胀变形作用下,轨道系统中轨道各部件动压力、动位移及动加速度幅值在低频段（0~200 Hz）发生明显波动,扣件刚度与道床刚度的最优刚度比为0.5,轨道总刚度的合理取值在62~87 kN/mm范围为宜;车辆系统中车辆轮重减载率及车体垂向加速度与冻胀波长 λ 成反比关系,与冻胀峰值 f 成正比关系。     

桩土复合路基中桩体垂直度变化对路基稳定性的影响

为了研究桩体垂直度的变化对桩、土荷载承担比、路基稳定性安全系数的影响,以工程实例为背景,采用有限元数值模拟方法,从桩土荷载承担比、桩体抗倾覆和受弯安全性以及桩间土承载等方面,研究不同垂直度桩体对路基稳定性的影响.分析结果表明,偏桩角度小于5°时,对路基稳定性的影响基本可以忽略不计.     

基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明：在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。