考虑界面初始黏结缺陷的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道温度变形

针对中国高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道界面初始黏结缺陷导致轨道结构温度变形进一步增大的现象, 基于电荷耦合器件(CCD)工业相机与计算机图片处理技术, 建立了板式无砟轨道界面空隙率试验检测系统, 测试了3块CRTSⅡ型板式无砟轨道板与水泥沥青(CA)砂浆界面的初始空隙率; 在有限元模型中以界面空隙率定量表征了界面的黏结状态, 即根据界面空隙率检测结果, 考虑界面存在一定量值的初始空隙率, 并假设这些空隙均匀分布在整个界面上, 系统分析了界面初始黏结缺陷对板式无砟轨道温度变形的影响。研究结果表明: 3块轨道板样本界面的初始平均空隙率为22.3%, 界面四周的初始黏结状态明显差于轨道板界面中心; 在正、负竖向温度梯度作用下, CRTSⅡ型板式无砟轨道分别呈现中心上拱和四周翘曲的温度变形模式; 正温度梯度作用下轨道板最大温度变形与不考虑界面初始黏结缺陷相比增大了7.8%~10.1%, 且随着界面初始空隙率的进一步增大, 轨道板最大上拱温度变形呈线性增大趋势; 负温度梯度作用下, 界面空隙率的增大对轨道板温度变形的影响不大; 在分析CRTSⅡ型板式无砟轨道温度变形时应适当考虑轨道板与CA砂浆的界面初始黏结缺陷, 研究结果可为分析CRTSⅡ型轨道板上拱温度变形机理提供参考。      

冻胀冻融作用下材料劣化对板式无砟轨道性能的影响

以哈大高速铁路路基冻胀区板式无砟轨道为研究对象,开展了快速冻融循环作用下C60、C40混凝土和砂浆材料标准立方体试件轴心受压和劈裂抗拉破坏试验,研究了冻融循环作用下材料性能劣化规律;在此基础上,建立了考虑限位凸台、环形树脂和层间黏结接触性能的CRTS Ⅰ板式无砟轨道-路基冻胀冻融空间有限元模型,研究了冻融损伤后轨道的静力特性,揭示了底座板的受力状态与损伤特征。研究结果表明:提高混凝土强度等级可显著减缓冻融循环对材料的劣化剥蚀作用,冻融循环加剧会导致结构界面接触状态显著恶化;随着冻融循环作用次数的增加,砂浆层和底座板材料性能劣化显著,弹性模量、层间黏结强度和轴心抗拉强度均大幅减小;与未冻融工况相比,300次冻融循环后,C60、C40混凝土和砂浆的峰值抗压强度降幅分别为14.7%、34.6%和29.9%,C60混凝土与砂浆胶结界面轴心抗拉强度降幅达到90.6%,C60、C40混凝土和砂浆轴心抗拉强度降幅均超过56%;在典型冻胀条件(冻胀波长为10 m,冻胀峰值为8 mm)下,冻胀中心处轨道各结构层上表面均受最大拉应力,在冻胀波脚处出现最大压应力;随着冻融循环次数的增加,轨道板和底座板所受最大拉应力亦不断增加。可见,在设计寒区板式无砟轨道时,底座板为主要控制性构件,底座板中部冻胀为最不利工况。      

注胶与植筋对纵连板式无砟轨道受力变形的影响

针对采取维修措施后纵连板式无砟轨道在高温荷载下的受力变形问题，考虑轨道板与砂浆层间界面黏结应力-位移非线性本构关系、植筋结构应力-滑移非线性本构关系，建立了纵连板式无砟轨道力学行为分析有限元模型，并对其施加非线性高温荷载，对比分析了注胶、植筋与2种措施共用对纵连板式无砟轨道受力变形与结构损伤的影响规律。研究结果表明：对于轨道板两侧存在0.2 m层间离缝、一宽窄接缝存在破损的基本工况，注胶、植筋与2种措施共用情况下邻近破损接缝的轨道板端部层间离缝最大值分别为未采取维修措施时的63%、20%和18%,破损接缝混凝土受压损伤最大值分别为未采取维修措施时的51.0%、6.8%和5.5%;对于宽窄接缝结构状态较差的纵连板式无砟轨道，植筋措施的维护效果远好于注胶措施，而2种措施共用的效果更佳；注胶措施对纵连板式无砟轨道端部垂向位移、层间损伤和宽窄接缝受压损伤的限制作用随注胶深度的增加而增强；仅采用注胶措施情况下，若要达到2种措施共用情况下邻近破损接缝的轨道板端部层间损伤的幅值范围，注胶板块数需不小于2,且双侧注胶深度均需不小于0.9 m,建议在仅采取注胶措施时，充分保证注胶维修面积。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道开裂机理分析与处治方法研究

我国高速铁路中普遍应用了CRTSⅡ型板式无砟轨道,使用中发现CRTSⅡ型板式无砟轨道普遍存在底座板开裂和水泥乳化沥青砂浆填充层与轨道板间开裂现象,分析了产生原因并分别提出了处治措施。对于底座板裂缝大于0.3mm,建议采取扩槽、涂抹弹性树脂材料表面封闭处理;对于水泥乳化沥青砂浆填充层与轨道板间的开裂,建议使用专用的灌浆材料、采用低压注浆的原理对砂浆离缝进行整治。可为类似工程提供有益借鉴。     

路基上纵连板式无砟轨道动力特性分析

为研究土质路基上纵连板式无砟轨道动力性能,建立了列车-路基上纵连板式无砟轨道耦合动力学模型.模型中,将纵连板式无砟轨道及路基视为空间层状粘弹性体,采用连续体建模法,建立其运动微分方程并用Galerk in法进行离散变换;分析了CRH2-300动车组以300、350 km/h速度运行时,路基上纵连板式无砟轨道的动力特性,并与京-津城际铁路实测结果比较.结果表明:水泥沥青砂浆最大动应力为46.8~50.5 kPa,小于砂浆层设计指标值15 MPa;动变形随深度衰减较慢,动应力随深度衰减较快;单个转向架产生动应力的影响范围沿线路纵向约为5 m、横向约为3.25 m;轨道板、水泥沥青砂浆层和支承层沿深度方向的变形分布差别不大.     

垫层弹模对CRTSⅢ型板式无砟轨道力学特性影响

利用大型通用软件ANSYS,建立了包括钢轨、扣件、承轨台、道床板、板间树脂、垫层、支承层、基床表层、基础底层的CRTSⅢ型板式无砟轨道三维有限元力学模型,研究了在列车荷载作用下,垫层弹性模量对CRTSⅢ型板式无砟轨道系统力学特性的影响,研究结论对于完善CRTSⅢ型板式无砟轨道设计有指导意义。     

严寒地区CRTS Ⅰ型轨道板施工技术

通过对严寒地区客运专线CRTS Ⅰ型板式无砟轨道进行施工试验,重点解决严寒地区条件下板式无砟轨道的耐久性及抗冻性问题,并形成施工工艺。介绍了CRTSⅠ型板式无砟轨道路基与防排水系统设计与施工、后张预应力承台式绝缘型轨道板制造及严寒地区CA砂浆研制与施工技术,对同类工程有借鉴意义。     

高速铁路板式无砟轨道底座板施工技术

板式无砟轨道技术是高速铁路的关键技术,而底座板起到主要的承载作用;底座板施工的质量直接影响到水泥乳化沥青砂浆充填层厚度,水泥乳化沥青砂浆充填层如果厚度不能满足规范要求不仅造成返工,浪费和影响到施工工期,而且对后期运营安全埋下隐患。     

CRTSⅢ型板式无砟轨道横向弯曲疲劳试验

为了研究列车疲劳荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道结构横向受力性能,采用实际工程施工现场的材料及施工工艺,利用足尺模型,切割制作6个单承轨台或双承轨台的板式无砟轨道试件,进行橡胶板模拟路基上板式无砟轨道结构的横向弯曲疲劳试验,得出列车疲劳荷载引起的横向弯矩作用下板式轨道试件的应力、变形分布规律及疲劳损伤的发展形态.试验结果表明,在15.0~255.0 kN和42.5~425.0 kN疲劳荷载作用下,模拟路基上单承轨台和双承轨台的试件板中位置轨道板上表面先出现纵向裂缝,随后轨道板横向预应力筋锚固端出现由锚头向轨道板上表面的劈裂裂缝,累计疲劳500万次后,三点弯曲模式下轨道板-充填层复合板试件的自密实混凝土开裂荷载和层间滑移荷载分别减小20%~30%和25%以上,疲劳损伤、层间离缝对轨道板与充填层的协同工作性能有不利影响.      

高温条件下板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆垫层施工技术

高温条件会使水泥乳化沥青性能发生改变,会对CRTSII型板式无砟轨道的耐久性等产生影响。杭长客运专线株洲段施工中,通过采取原材料集中储存,并进行防潮、降温,施工过程中对轨道板提前覆盖、洒水降温;在砂浆拌合用水中加入冰块降温等措施,解决了高温条件下水泥乳化沥青砂浆灌注中的技术难题,保证了施工质量,提高施工工效、确保了工期节点,也为类似施工条件下CRTSII型板式无砟轨道施工提供技术借鉴。     

列车荷载对板式无砟轨道力学性能的影响分析

为研究无砟轨道混凝土在客、货车作用下的劣化规律,基于损伤力学概念,引入损伤变量对混凝土室内循环加载进行试验研究. 首先,建立钢轨-扣件-轨道板-CA砂浆层-底座板-地基有限元实体模型,获取试件试验等效应力水平,通过列车车速确定加载频率,然后确定合理的荷载组合模拟工况;其次,应用MTS加载系统对混凝土试件进行循环加载测试,利用无损检测系统测试了不同加载次数下混凝土的动弹性模量以及抗折强度;最后,将动弹性模量和抗折强度作为损伤变量,根据测试结果得到不同应力水平、加载频率作用对轨道板材料力学性能劣化规律的影响. 试验结果表明:在客货车荷载作用下,动弹性模量的损伤程度在加载200万次时约为抗折强度的损伤程度的2倍;应力水平一定时,加载频率越小,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤程度越大,并且在10 Hz与15 Hz频率之间较明显;加载频率一定时,应力水平越大,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤越严重,应力水平为0.7的混凝土在1 000次左右的加载循环加载下发生破坏;低速的客货车荷载会加快混凝土初期损伤,较高速度的客货车荷载会加速无砟轨道结构后期损伤的发展.      

基于探地雷达的高铁无砟轨道结构层病害检测

为了检测高速铁路(高铁)无砟轨道混凝土结构内部在施工过程中产生的缺陷,避免在高速列车荷载作用下发展成路基病害,运用探地雷达技术对高铁无砟轨道结构进行了二维正演模拟分析.基于有限差分法,在时间域上推导了探地雷达二维正演模拟方程.针对易形成高铁无砟轨道病害缺陷的多种复杂工况,建立了CRTSⅡ型板式无砟轨道的地电模型,分别对CA砂浆层不同填充程度、CA砂浆层硬化过程进行了二维正演数值模拟,分析了探地雷达二维正演模拟图像的特征.模拟结果表明,二维正演模拟可以清楚地分辨板式无砟轨道结构内不同介质层的分界面,以及钢筋的数目和位置.      

不同无砟轨道类型对车辆动力学特性影响的数值分析

利用车辆-轨道耦合动力学理论,建立了不同类型无砟轨道垂向耦合动力学模型,分别计算了整体式无砟轨道、板式无砟轨道以及浮置板式无砟轨道在列车运行下的振动响应,分析比较系统振动响应受无砟轨道道床类型、车速、不平顺波深、扣件刚度和板下弹簧刚度的影响。结果表明,系统振动响应均随车速的提高而增大;车速、不平顺波深、扣件刚度和板下弹簧刚度对整体道床式无砟轨道系统振动响应影响最大,板式无砟轨道次之,对浮置板式无砟轨道系统振动响应影响最小;相对而言,浮置板式无砟轨道动力特性最好,其次为板式无砟轨道,整体式无砟轨道的动力特性最差。     

高速铁路桥上无砟轨道减振层刚度的动力学影响分析

为了降低高速铁路桥上结构的振动与噪声水平,以我国CRH2型高速车辆和32 m跨度高速铁路简支箱梁及CRTS I型板式无砟轨道为对象,建立高速车辆-无砟轨道-桥梁耦合振动分析模型,分析比较了不同行车速度下无砟轨道减振层刚度对车轨桥系统动力响应的影响,为桥上减振型板式轨道动力学参数设计提供参考。计算结果表明,桥上采用减振型板式轨道可显著降低轨道板垂向振动加速度,在本文计算条件下其最大加速度幅值较无减振层时减小了57%以上;减振型板式轨道能稍微降低轮轨动力作用,可减小简支箱梁垂向振动加速度20%左右;较低的减振层刚度增大了轨道板垂向振动位移,不利于高速行车安全,而过大的减振层刚度不能有效降低轨道结构振动,综合考虑后建议桥上减振型板式轨道弹性垫层刚度在100~200 MN/m3之间选取。     

CRTSⅠ型与CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特点分析

无砟轨道具有整体稳定性强、刚度均匀性好、线路平顺度高、耐久性强的突出优点,满足客运专线和高速铁路对轨道性能的要求,以板式无砟轨道为例,分别介绍了CRTSⅠ型板式无砟轨道与CRTSⅡ型板式无砟轨道的结构组成、板型分类、断面尺寸和对线下工程设计要求,对两种轨道系统的技术特点进行了分析,Ⅰ型轨道板比Ⅱ型轨道板制造简单、造价稍低,Ⅱ型板式无砟轨道比Ⅰ型板式无砟轨道几何精度高、结构整体性和纵向连续性好。     

联调联试阶段CRTSⅡ型板式无砟轨道底座病害处理技术

由于京广高速铁路某路基地段的CRTSⅡ型板式无砟轨道支承层施工未采用钢筋混凝土结构,联调联试过程中发现受温度变化、列车制动、起动及行车振动等的综合影响,可能会出现开裂病害现象。为确保高速铁路运营安全,决定将交界处的CRTSⅡ型板式无砟轨道C15素混凝土支承层变更为C40钢筋混凝土底座板,以加强CRTSⅡ型板端部底座,防止因轨道板温度力、制动力等纵向力导致CA砂浆层及底座开裂。详细介绍了处理方案和详细的施工工艺措施。支承层变更方案得到了成功应用,对运营中的类似高铁轨道系统病害整治具有很好的参考价值。     

桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔力学特性

为研究桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔的力学特性,根据桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔的特点,采用有限元方法,建立桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔的纵-横-垂向空间耦合计算模型.以铺设在桥上的客运专线18号无砟轨道无缝单渡线为例,研究轨道板/底座板伸缩刚度、摩擦板长度、桥梁形式对桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔力学特性的影响.结果表明:减小轨道板/底座板伸缩刚度,对轨道结构变形影响较小,但下部结构受力明显降低,最大降幅约为90%;增加摩擦板长度,有利于控制桥上无缝道岔的受力与变形,可减小下部结构受力,当摩擦板长度由50 m增至100 m时,端刺受力可减小约18%;桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔宜铺设在连续梁上.     

时速350km CRTSⅢ型板式无砟轨道板预制技术

新建盘营客运专线是我国首条设计时速350 km的CRTSⅢ型板式无砟轨道客运专线。CRTSⅢ型板式无砟轨道板是在汲取了CRTSI型和CRTSⅡ型轨道板技术的基础上,通过技术创新所取得的成果。主要介绍时速350 km的CRTSⅢ型板式无砟轨道板预制工艺、检验方法及关键工序作业要点,对同类工程有借鉴意义。     

客货共线砂浆离缝高度对轨道结构的动力影响

客货共线条件下CRTS I型板式无砟轨道CA砂浆与轨道板普遍存在离缝,为了得到CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响规律,基于车辆-轨道耦合动力学以及子结构模态叠加法,将ANSYS计算的轨道部件子结构的自振特性输入SIMPACK,使用力元连接轨道各部件形成轨道系统,通过轮轨接触面及柔性钢轨节点间的位移和力的数据传递,实现列车和轨道子系统的耦合,建立了含CA砂浆离缝的CRTS I型板式无砟轨道的垂向耦合模型,研究了客货混运条件下CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响. 研究表明:随CA砂浆离缝高度增大,钢轨动态位移、轨道板振动响应及CA砂浆动应力均显著提高;当CRH380通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.24 mm和0.27 mm,轨道板在25 Hz处振级分别增大了21.0 dB和21.7 dB,离缝根部砂浆最大动应力均达到0.2 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响趋于平缓;当SS7E通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.48 mm和0.66 mm,轨道板在8 Hz处振级分别增大了15.5 dB和19.4 dB,离缝根部砂浆动应力分别达到0.24 MPa和0.36 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响仍有较大的增长.      

客运专线桥上CRTSⅠ型板式无砟道床施工技术

结合石家庄至武汉铁路客运专线CRTSⅠ型板式无砟轨道板铺设施工工程实践,介绍了桥上CRTSⅠ型板式无砟道床的底座砼浇筑、凸形挡台施工、轨道板铺设及填充层施工等关键技术及施工工艺,可供同类工程参考。