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。     

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.     

包兰线小半径曲线地段铺设无缝线路可行性研究与实践

在特定的轨道结构条件下,从强度、稳定性两方面对包兰线小半径曲线地段铺设无缝线路的可行性进行研究,结果表明,在该区段铺设温度应力式无缝线路是完全可行的。目前已在包兰线小半径曲线群地段成功铺设了全区间无缝线路。     

客货混运线路外轨超高理论研究与现场测试分析

针对客货混运重载铁路小半径曲线地段超高设置问题,基于UM软件和动力学理论建立考虑多车效应的列车-轨道耦合动力学模型,结合现场动态测试试验,研究曲线超高对重载列车和客车动力响应的影响规律,提出超高调整方案,并开展现场验证,对比分析超高调整前后列车通过曲线时轨道系统动力响应的变化规律.研究结果表明,客货混运重载铁路小半径曲线地段不合理的超高设置是线路病害多、养护维修量大的主要因素之一;在满足规范要求的前提下,建议应更多从重载列车角度合理设置曲线超高,当在既有超高为105 mm的基础上降低10%时,对改善轨道结构的受力条件和动力响应,减缓轮轨磨耗有明显效果.     

小半径曲线侧磨病害成因及防治方法研究

列车经过小半径曲线,因圆周运动所带来的离心加速度的影响通过轨道超高设置不能被全部消除,导致曲线侧磨严重.从曲线半径和轨道几何形位引发的轮轨关系、机车车辆运营影响及养护不当等方面分析了小半径曲线侧磨产生的原因,进而从硬件设施加强,包括加大轨道弹性、提高轨道横向刚度、提高钢轨材质强度和耐磨性能及后期线路养修方面提出了小半径曲线侧磨防治方法.     

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.     

小半径曲线地段上无缝线路的施工技术

无缝线路作为一种新型轨道结构,以其稳定性高、经济、安全的显著优越性,被越来越多的运用到铁道建设中,尤其是在山区的小半径曲线(R≤300 m)地段。要真正实现小半径曲线的无缝化,设计施工要尤其注重线路的稳定性,除按照标准要求进行长钢轨焊接、铺设外,还要通过对轨道结构加固的一系列措施,提高轨道结构的强度、稳定性,减少小半径曲线的线路病害发生。近十几年的时间里,我国对小半径曲线无缝线路的各种情况进行了大量的可行性研究、实践分析。该文就是在总结已有研究成果和成功的无缝化实践的基础上而成的。小半径曲线(R≤300 m)地段无缝化已经被证实是可行的,而且是可以大力推广的,其施工技术将会更加丰富、更为标准、科学和全面。     

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.     

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.     

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。     

小半径曲线群地段列车提速适应性分析

随着客运专线建设规模的不断扩大,为既有线客货列车的提速扩能提供一定的空间。但由于既有线路,尤其是西部山区铁路,受小半径曲线分布群体性影响,列车提速空间受限。以宝兰二线某区段为例,从列车运行的舒适和安全的角度出发,研究在改变列车运行方式、超高布置形式、缓和曲线线型及长度变化条件下,小半径曲线群地段列车提速的适应性问题,提出适应小半径曲线群的合理提速建议方案。     

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...     

小半径曲线钢轨磨耗原因及防治分析

铁路运输过程中常常会出现钢轨磨损现象,给交通运输和人们的生命安全造成了严重的影响和危害,最为突出的是小半径的曲线钢轨。本文通过研究和分析造成小半径曲线钢轨磨损的原因,对其防治提出有效的解决办法和措施,以期提高小半径曲线钢轨的使用性能,延长它的使用寿命。     

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.     

地震引起的货物列车脱轨全过程计算

为确保地震作用下货物列车在脱轨瞬间及时停车,建立地震作用下列车-轨道系统空间振动计算模型,并提出地震作用下列车脱轨全过程计算方法;以9~10级地震烈度下的强震为研究对象,分别计算货物列车以不同车速在直线和曲线线路上的脱轨全过程,分析轮轨几何接触状态及其相对位置.结果表明:地震烈度及车速对转向架与钢轨横向相对位移影响明显,而对转向架摇头角影响较小;曲线轨道对转向架与钢轨横向相对位移、转向架摇头角影响均较大;转向架与钢轨横向相对位移及转向架摇头角最大值分别为155 mm和4.6°.这些数据可为列车脱轨检测装置的研发提供参考.     

带新型护轨的曲线轨道-列车系统振动分析

为了从理论上验证新型护轨在小半径曲线上的防脱、增稳和减磨作用,以列车-曲线轨道系统空间振动分析模型为基础,考虑新型护轨的结构特点及其与车轮、钢轨之间相互作用,建立带新型护轨装置的曲线轨道-列车系统空间振动分析模型.采用Fortran语言编制相应计算程序,利用现场试验结果验证本方法及程序的可靠性;分析新型护轨对系统空间振动响应的影响规律.计算结果表明:计算得出的护轨力分摊曲线外轨轮缘力比例达38.81%,与通过试验得到的新型护轨能够分摊33.3%~40.0%的曲线外轨轮缘力的结论相符;在试验工况及参数条件下,新型护轨可使车体、轮对及曲线外轨的横向位移分别减少28.62%,37.67%及14.64%,明显改善货物列车运行的平稳性.     

剪切荷载下板式无砟轨道界面黏结破坏机理

为了获得剪切荷载作用下板式无砟轨道界面黏结破坏过程特征,构建了无砟轨道界面三维有限元模型,采用界面单元模拟了轨道板与砂浆层间界面非线性黏结力-位移关系,分析了多种剪切荷载模式下界面应力、界面黏结承载力、界面破坏区域分布的变化规律.研究结果表明:轨道板与砂浆层界面剪应力纵向分布在轨道板板端加载位置处最大,并逐渐向内衰减;随着荷载的增大,板端处界面剪应力最先超过界面黏结力强度,界面裂缝在该处萌生,并逐步向轨道板内部扩展;双侧加载时界面黏结承载力为264.9kN,大于单侧加载时的209.8kN,但单侧加载时界面裂缝扩展范围更大,使得其承载力能在一定的位移范围内稳定在一定值;随着荷载的增大,界面分段逐步丧失黏结力.     

客运列车曲线超速引起的脱轨全过程计算

为研究客运列车因曲线超速引起的脱轨规律,基于列车-轨道系统空间振动计算模型,建立客运列车-曲线轨道系统空间振动计算模型。基于该模型,根据列车脱轨能量随机分析方法,提出客运列车曲线超速引起的脱轨全过程计算方法,计算不同曲线半径、外轨超高下列车超速引起的脱轨全过程,分析轮轨接触状态及其相对位置。研究结果表明:据脱轨系数和轮重减载率难以判定客运列车超速时是否脱轨;脱轨车辆位于编组前部,在脱轨前及时预警十分必要;随着曲线半径、外轨超高增大,列车脱轨速度随之增大,脱轨瞬间转向架与钢轨横向相对位移也随之增大;并考虑安全系数1.25,得到转向架与钢轨横向相对位移最大为60.2 mm,这可为研发客运列车曲线超速脱轨报警装置提供参考。     

地铁用嵌入式轨道结构合理刚度研究

针对嵌入式轨道应用于地铁环境时的刚度设计方法及合理取值开展研究。基于温克尔弹性地基梁理论,系统性地分析地铁用无扣件嵌入式轨道结构垂向、横向、抗倾覆、纵向及抗拔等各项刚度的组成及影响因素,并与传统扣件式轨道结构类比,形成各项刚度的设计、测试方法,给出取值建议。研究结果表明:嵌入式轨道垂、横向刚度可用钢轨基础弹性模量表征;纵向刚度与线路无缝化、限位结构以及高分子浇筑料施工锁定等有关;室内轨道结构样件测试验证了上述结果。建议:地铁用嵌入式轨道结构垂向钢轨单位长度基础弹性模量取32~64k N/mm,横向钢轨单位长度基础弹性模量取24.76~91.57 k N/mm,一般地段纵向刚度不小于每轨15 k N/m,小阻力地段约每轨6.4 k N/m,抗拔力应不小于每轨32 k N/m。