板式无碴轨道垫层CA砂浆研究与进展

CA砂浆是板式无碴轨道结构弹性调整层的核心。从板式无碴轨道CA砂浆材料物理力学性能、耐久性及耐候性等多方面阐述了其组成、结构及其与性能之间的相互影响,指出当前板式无碴轨道CA砂浆的冻融、老化等破环机理,并提出其防治措施。     

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.      

无碴轨道动力学理论及应用

根据车辆-轨道耦合动力学理论，建立了列车与路基上无碴轨道空间耦合动力学模型．模型中将钢轨视为弹性点支承基础上的Bernoulli-Euler梁，将轨道板及混凝土底座视为弹性基础上的弹性薄板．推导了路基上无碴轨道的运动方程．用上述模型及方程分析了遂渝线无碴轨道综合试验段路基上板式轨道及过渡段的动力学性能．结果表明，快速客车、重载以及普通货车通过路基上板式轨道时，轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率、以及CA砂浆和路基面动应力等动力学指标均小于许用值．该无碴（板式和双块式）轨道与有碴轨道过渡段在客运列车作用下钢轨挠度变化率均小于许用值（0．300mm／m），在货物列车作用下略大于许用值．     

石武客专CRTSⅡ型轨道板精调和CA砂浆灌注施工技术

结合施工实践,从轨道板精调前作业准备、轨道板精调、轨道板和底座润湿、封边及排气孔设置、轨道板压紧、CA砂浆灌注等方面阐述了CRTSⅡ型轨道板精调和CA砂浆灌注施工技术。     

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。      

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。     

基于ANSYS的CA砂浆伤损对轨道板受力影响分析

为分析CA砂浆在不同伤损情况下对轨道板受力影响,用ANSYS模拟CA砂浆常见的剥离、板角掉块的伤损模型,在列车轴载和温度荷载作用下对轨道板进行受力分析.结果表明:CA砂浆与轨道板剥离增加了轨道板在温度荷载下的翘曲变形和板底拉应力;板角碎裂、掉块导致轨道板受力不均匀,造成了局部的应力集中,随着掉块面积的增大,应力集中加剧,降低了轨道板的服役寿命.     

CRTS Ⅱ型板断裂条件下桥上无缝线路伸缩力特性

为了研究桥上CRTSⅡ型轨道板断裂条件下轨道、桥梁结构纵向受力变形规律及其影响，基于有限元法和梁-板-轨相互作用机理，建立桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型，分析不同轨道板断缝位置、断缝宽度、裂缝深度及轨道板、底座板伸缩刚度对断板条件下桥上无砟轨道无缝线路伸缩力分布规律的影响. 研究结果表明:在计算轨道板断裂条件下桥上无砟轨道无缝线路伸缩力时，应根据不同检算部件选取最不利的断板位置，建议将轨道板断缝宽度和深度分别取2 mm和200 mm、轨道板、底座板伸缩刚度折减至10%～50%，计算结果是偏安全的且不失一般性；轨道板断裂增加了断缝处CA （cement asphalt）砂浆层及底座板断裂的风险，断板侧的钢轨纵向位移及轨板相对位移均在断缝处急剧变化.      

客运专线Ⅱ型板式无砟轨道CA砂浆灌注施工技术

针对CRTSⅡ型板式无砟轨道CA砂浆施工原材料存储条件严、工艺要求高、工期紧的特点,对以往CA砂浆施工工艺进行了改进,详细介绍了原材料存储与加料、封边、灌注等施工工艺,总结了一系列CA砂浆灌注质量控制经验,对同类工程有借鉴意义。     

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。     

Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响

为了研究高速列车荷载作用下,Ⅰ型轨道板端部与CA砂浆层间的离缝现象对钢轨、轨道板及车辆的力学性能的影响,建立了车辆-Ⅰ型板式轨道垂向耦合动力学分析模型.以轮轨力、钢轨位移及加速度、轨道板位移,拉应力及加速度、车辆加速度为评价指标,分析了不同离缝长度和高度工况下上述指标的变化规律.研究结果表明:板端离缝长度越短,轨道板越容易脱空受力;轨道板脱空受力时的离缝高度等于该离缝长度下板的竖向最大位移;离缝长度及高度的变化对轨道结构及车辆的受力状态均有影响,但离缝长度的影响更大;长度不大于0.6 m的板端离缝主要使钢轨及轨道板的变形及受力状态恶化,长度大于0.6 m的板端离缝也会使车辆的振动加速度超过容许值.      

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.     

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。     

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.      

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.      

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。      

纵连底座板断裂对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道受力的影响

考虑纵连底座板断裂建立了CRTSⅡ型板式无砟轨道与桥梁纵向相互作用的力学模型,采用有限元法求解力学模型,确定了无砟轨道关键参数。以某大跨度连续梁桥为例,降温幅度分别为10、20、30、40、50℃时,纵连底座板在连续梁上7个代表性位置发生断裂后,分析了钢轨、轨道板、砂浆和桥梁墩台的纵向力与位移。分析结果表明：降温幅度为30℃时,纵连底座板在连续梁上发生断裂时,钢轨和轨道板的最大纵向附加力分别为155．75、233．21 kN,断板对钢轨和轨道板纵向附加力有较大影响;降温幅度不大于10℃时,纵连底座板在连续梁上任意位置发生断裂,轨道板与底座板的纵向相对位移均小于0．5 mm,砂浆不会开裂;降温幅度为50℃时,纵连底座板在连续梁上任意位置断裂引起的固定支座纵向附加力最大为196．12 kN,不会直接造成桥梁固定支座破坏;建议在维修作业时,锯切纵连底座板与其铺设时的温度差应不大于10℃,并检算钢轨的强度是否能满足要求。     

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。