列车荷载与水耦合作用下的无砟轨道水力劈裂机理分析

针对高速列车荷载与水耦合作用下无砟轨道水致损伤问题,采用控制体积法推导层间裂纹内动水压力分布解析式,并开展裂纹内动水压力分布特性试验。试验结果与理论分析基本一致。采用有限元软件ANSYS与CFX,分析CRTSⅡ型板式无砟轨道层间裂纹内动水压力特性。结果表明:裂纹内动水压力由流体黏性、荷载特性、裂纹形状综合决定,当裂纹开口量大于2mm时,水的黏性对动水压力的影响可以忽略,此时动水压力与列车速度基本呈二次方关系,与轴重呈线性关系。分别采用最大拉应力准则和复合型断裂判据,分析列车荷载与水耦合作用下裂纹的扩展状态。结果表明:行车速度是影响裂纹扩展的重要因素,随着列车行车速度的增加,裂纹扩展速度明显加快。     

匀速移动荷载作用下饱水沥青路面裂缝水压分布计算与分析

基于伯努利能量方程推导出饱水路面在车载作用下路面动水压力分布计算公式,基于恒定总流的动量方程推导出路面裂缝内水压的分布计算公式,并对影响水压分布的因素进行分析。研究结果表明:不同裂缝型式的水压分布型式不同,对于扩散型的裂缝其压力分布是沿水流方向减小,对于收缩型裂缝其压力分布沿着水流方向增大,并且2种类型裂缝缝内水压都随着路面行车速度的增大而增大;对于a值(裂缝收缩系数)较小的收缩型裂缝,在裂缝尖端区域的水流速度和压力很大,对裂缝的开展和加宽起到加速作用,从而产生路基路面病害。     

高频荷载作用下无砟轨道裂纹内动水压特性试验

研究无砟轨道以裂纹为主要形式的伤损问题时,水对裂纹扩展有重要影响。为明确裂纹内部水压力的分布规律及压力大小的影响因素,浇筑带水平裂纹的无砟轨道试件,考虑万能伺服液压机疲劳加载与水耦合作用条件,采用高灵敏度传感器测量水压,试验研究了裂纹不同位置压力变化规律和加载频率、荷载幅值对水压力的影响。试验表明,裂纹内部水压力随荷载幅值而正负交替变化,随着裂纹深度的增加,水压力增大;当加载幅值不变时,水压力随加载频率增加而增大;当加载频率不变时,水压力随着荷载幅值的增加而增大,荷载幅值和频率的影响可拟合为一个多项式关系。     

高速铁路无砟轨道水致伤损现状及模拟分析

由于积水和高速列车的作用,我国无砟轨道服役过程中出现了材料软化、掉块、冒泥冒浆等水致病害。通过资料收集、成果总结与现场调查,对高速铁路无砟轨道水致伤损的类型、产生原因及危害进行了系统的总结。按照病害成因及水的不利影响程度将无砟轨道水致伤损分为积水导致的材料软化问题和冲刷导致的掉粒、离缝、冒浆问题。针对典型的层间离缝冒浆现象,建立列车与水耦合作用下层间离缝流固耦合三维计算模型予以分析,发现离缝内动水压力与行车速度的二次方成正比。建议在无砟轨道运营过程中及时做好排水工作,在遭遇强降雨时或对积水严重的路段列车应减速运行。     

列车荷载-水耦合作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道道床裂纹扩展研究

无砟轨道在我国高速铁路中广泛应用,但以裂纹为主要形式的伤损问题也逐步凸显,特别是雨水对伤损的影响尤为突出。本文应用流固耦合理论及其统一控制方程,基于双向二维流固耦合场计算原理,建立高速列车荷载作用下CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层下含水裂纹扩展问题的模拟;应用数值分析方法对裂纹上下表面压力和裂纹尖端强度因子进行计算分析。结果表明:裂纹开口量和长度是影响裂纹表面压力致使裂纹继续扩展的重要因素;裂纹长度与开口量直接影响表面水压力,而裂纹尖端强度因子与表面压力基本呈线性关系增加;裂纹长600mm和开口量3mm是裂纹扩展的极限状态,当裂纹长度大于600mm或开口量大于3mm时,裂纹扩展趋势明显。     

荷载幅值对无砟轨道结构裂纹水压力影响

研究目的:为分析无砟轨道结构裂纹内水压力变化特性,建立列车荷载-水耦合作用下裂纹水压力的计算模型。为验证模型的正确性,浇筑带裂纹的模型试件,采用万能伺服液压机施加循环动荷载,采用高灵敏度传感器测量裂纹内水压力,分析带水平裂纹的混凝土结构在循环荷载作用下,裂纹内水压力随加载幅值变化特性。以列车速度为250 km/h为计算实例,分析裂纹内控制点水压力随列车荷载幅值变化。研究结论:结果表明:(1)试验中随着循环幅值(45±20~70±45 kN)的增加,裂纹内测点水压力增大;(2)建立与试验条件一致的理论计算模型,试验数据与理论计算结果之间有误差存在,但是试验曲线与理论结果的变化趋势一致,计算模型是有效的;(3)采用列车荷载-水耦合作用下裂纹水压力的计算模型,计算当列车速度为250 km/h,裂纹开口量、宽度、深度分别为3 mm、1 m、1 m时,随着列车荷载的增加,裂纹内控制点水压力呈线性关系增大;(4)该研究结果可为分析无砟轨道结构伤损理论提供参考。     

高原大风地区双块式无砟轨道伤损现状及主要特征

以兰新高速铁路作为研究对象,总结出高原大风地区双块式无砟轨道伤损类型主要为道床板裂缝、轨枕离缝、道床板上拱、支承层混凝土粉化和聚氨酯嵌缝材料伤损,分析其伤损特点及形成原因。同时,对聚氨酯嵌缝材料离缝和无砟轨道道床板裂缝进行了跟踪观测,结果表明,聚氨酯嵌缝材料离缝病害仍在发展,而桥梁段、路基段和隧道段无砟轨道道床板裂缝病害已趋于稳定。     

脱空尺寸对双块式无砟轨道枕下动水流速影响研究

针对双块式轨枕松动脱空病害,运用流固耦合理论并借助有限元软件ANSYS/CFX,建立轨枕-水-道床板流固耦合动力学计算模型;计算分析列车荷载作用在轨枕脱空入水情况下的水流动力特性;分析轨枕周边裂缝宽度,轨枕脱空高度和轨枕脱空长度对水流流速的影响。分析结果表明:在列车荷载作用下,随着轨枕脱空高度增大,动水流速逐渐减小;随着轨枕周围裂缝宽度增大,动水流速逐渐减小;随着轨枕脱空长度增大,动水流速逐渐增大,轨枕脱空长度不宜过长。     

和谐型机(动)车制动夹钳锁定弹簧断裂机理与防治

针对和谐型机(动)车制动夹钳出现卡簧断裂、闸片脱落问题,重点从断裂卡簧的结构特点、受力情况、宏观断口、组装工艺、技术验证等方面进行调查研究。结果表明:制动夹钳卡簧断裂是制造组装或装车吊运过程中卡簧与作业平台发生了磕碰,导致卡簧内表面过渡圆弧部与闸片托孔边缘撞击产生伤损,造成早期失效;伤损部位形成裂纹源,在高频振动作用下逐步扩展,直至疲劳断裂。为此,提出采取压感检查、防脱捆绑、源头治理等切实可行的防治措施,防范和谐型机(动)车闸片脱落,确保运行安全。     

钢轨剥离伤损的发生条件

本文着重讨论剥离伤损的发生轨道不平顺的关系，此外也谈到了横向压力，与水的关系。     

地铁线路钢轨表面横向裂纹及掉块伤损原因分析

地铁线路钢轨使用1.5～2.5年后在表面产生横向裂纹及剥离掉块伤损。对地铁线路钢轨性能以及伤损的特征分析表明,该伤损是一种滚动接触疲劳伤损,主要原因是钢轨表面长期处于潮湿状态,轮轨之间的摩擦系数变小,造成钢轨表面塑性变形层内微裂纹萌生后的发展速度大于钢轨磨耗速度,裂纹向钢轨内部扩展;液体侵入裂纹内形成挤压效应,加速裂纹的发展,从而在钢轨表面产生横向裂纹并快速发展成掉块伤损。在裂纹发展初期对钢轨进行预防性打磨,并保持地铁环境的干燥,可有效预防和减轻钢轨表面横向裂纹及掉块伤损的产生和发展。     

蒸养混凝土轨道板劣化机理研究

采用现场调查、取样试验(电镜、能谱、X-衍射以及压汞)分析等方法对某城际铁路少数蒸养混凝土轨道板在使用中出现早期劣化的原因进行研究。结果表明:蒸汽养护对所研究的轨道板混凝土造成了一定的蒸养热伤损,热伤损导致轨道板表层混凝土结构疏松,孔隙率明显大于内部混凝土,且表层混凝土微裂缝增多。混凝土内部膨胀性产物主要为碱-硅酸凝胶和钙矾石。高速列车的长期动荷载作用加快了轨道板混凝土中微裂纹的变化发展,使更多的环境水渗入混凝土内部。混凝土内部骨料碱-硅酸凝胶吸水膨胀反应(ASR)和延迟钙矾石形成(DEF)的共同作用是轨道板开裂的主要原因。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层伤损修复研究

CRTSⅡ型板式无砟轨道通过30 mm 厚的砂浆充填层实现轨道板的均匀支承及与底座板(支承层)的连接,因此砂浆层应满足强度和弹性双重要求.通过对高速铁路 CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层伤损调研,将砂浆层伤损分为离缝、裂缝、缺损掉块及泛浆四种类型,在对不同类型伤损进行原因分析的基础上,提出伤损判定标准和检查方法,并给出砂浆层不同伤损的修复方法和注意事项,为砂浆层养护维修技术提供支撑,保证线路安全运营.     

朔黄铁路线路设备状态检测模式分析

通过现场调研、数据整理和统计分析,研究朔黄铁路的线路设备病害及线路设备状态检测模式。朔黄铁路线路设备病害主要是线路钢轨伤损和线路几何状态不平顺。朔黄铁路钢轨伤损主要集中在上行线,钢轨伤损的主要类型为轨头核伤,现有探伤周期基本可以及时发现大部分轨头核伤。朔黄铁路上行线测量区段内轨道几何状态不平顺(轨距、水平、三角坑)动、静态波形趋势重合较好,但是幅值有一定差异,动静态幅值最大差异在3.0 mm以内,静态值与动态平均值具有较强的相关性,可适当采用动态检测替代静态检测。     

基于曲率模态法识别轨道板的伤损研究

无砟轨道轨道板在施工和运营中存在空洞及裂缝等伤损,伤损的出现会改变结构的动力学特性,由模态分析理论可知,系统特性的改变必然会引起模态参数的改变。建立轨道板-砂浆有限元模型,通过单元刚度的折减来模拟轨道板单处伤损和多处伤损,运用曲率模态识别伤损的方法对轨道板横向和纵向分别进行曲率模态计算分析。计算结果表明:轨道板横向和纵向任一方向的曲率模态和曲率模态差都能准确的识别出伤损位置,并且可以依据这两个指标识别出轨道板的多处伤损。     

高速铁路无砟轨道表面裂缝三维图像自动识别算法

无砟轨道表面伤损的自动检测技术是当前高速铁路检测与监测的关键技术。采用三维图像技术,将原始三维图像转换为二进制图,基于三维光影模型的轨道结构表面裂缝的三维图像识别算法,采用连通域分析与线性形态分析方法,了轨道结构裂缝识别中图像噪声消除算法,从而提高轨道结构表面裂缝自动识别的准确率。室内试验对比结果表明:课题组研发的高速铁路轨道表面伤损检测系统,可获得高精度的裂缝长度、宽度以及深度的数据信息,轨道板裂缝最大宽度的识别结果相对误差为6.25%、9.68%,裂缝长度的测试识别相对误差为1.39%、2.92%,平均深度的测试识别相对误差为15.69%、13.04%。采用提出的裂缝识别算法可实现100%准确率的裂缝自动识别。     

双块式无砟轨道轨枕脱空处水的特性研究

通过对我国无砟轨道服役情况的调研发现,在降雨量丰富的地区或排水不良的地段,双块式无砟轨道破损的速率较干燥地区要快得多。在高速、高频列车荷载作用下,枕下自由水变成具有一定压强、流速的动水,动水会加速裂纹的扩展,冲刷轨枕与道床板交界面的混凝土,从而影响轨道结构的耐久性,行车平稳性和安全性。通过计算流体力学软件ANSYS CFX,建立了轨枕-水-道床板流固耦合动力学模型,计算了轨枕脱空下水体的压强和流速的数值大小,为深化动水研究提供参考。     

城市轨道交通钢轨伤损分析

随着上海市轨道交通运营年限的不断增加,钢轨伤损已经成为影响线路安全性的一个重要因素.根据上海轨道交通1号线的钢轨损伤情况,对引起钢轨伤损的原因和伤损的数量进行统计分析.结果发现:上行和下行线路的伤损种类与分布大致相同;引起钢轨伤损的三个主要原因分别是焊接、轮轨作用以及钢轨的材质;钢轨裂纹主要发生在曲线地段.针对性地提出了关于减轻钢轨伤损的对策措施.     

基于改进Faster R-CNN的CRTSⅡ型轨道板裂缝检测方法

高速铁路无砟轨道伤损检测维修的准确率和时效性关乎高速铁路的运营安全，采用机器视觉技术进行高速铁路无砟轨道板裂缝伤损检测可极大提升检测工作的准确率和效率，为此根据CRTSⅡ型轨道板裂缝伤损样本数据特点，提出一种基于改进Faster R-CNN的方法对轨道板裂缝进行检测。该改进方法将检测问题转化为定位问题，精简网络模型，其主干网络选用残差网络，避免网络深度过深而导致学习速度下降；引入引导锚框，以减少冗余锚框，提高检测针对性；采用Soft-NMS算法，改善轨道板裂缝检测的重叠状况，提高裂缝检测效果。为评估该改进方法的可靠性，建立CRTSⅡ型轨道板裂缝检测评价标准，并依据该评价标准将改进方法与R-FCN,YOLO-v5,Faster R-CNN及YOLOx网络算法进行对比测试。结果表明：提出的改进方法综合表现优于其他算法，具有更高的准确率以及最小的漏检率，最佳模型查准率为95.9%，查全率为89.6%，相较于其他几种经典算法分别提高了约2%～4%和2%～6%，能够较好地应用于CRTSⅡ型轨道板裂缝检测场景。     

高速铁路无砟轨道支承层服役现状及伤损机理

支承层是路基段CRTSⅡ型板式无砟轨道及双块式无砟轨道的重要结构，其服役性能直接关系到无砟轨道结构整体稳定性和高速列车的安全运行。本文介绍了支承层的材料、作用及其性能指标。通过调研不同地区、不同时期建造的高速铁路无砟轨道支承层服役现状，发现个别地区无砟轨道支承层出现不同程度伤损。根据支承层伤损特点划分了支承层伤损类型，分析了环境冻融循环、温度梯度及高速列车动荷载对支承层伤损的影响。对某服役近10年的高速铁路粉化支承层取样测试，结果表明：Ⅲ级粉化支承层抗压强度低于设计强度，支承层总碱含量满足标准要求，水化产物中未发现有害物质，支承层抗冻性不足可能是其粉化的主要原因。