高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道稳定性理论研究

研究目的:目前,纵连轨道板上拱是我国CRTSⅡ型板式轨道主要伤损类型之一。本文基于微分方程法和能量法相结合,采用单波弯曲变形曲线,建立更加符合纵连轨道板实际状态的直板和考虑竖曲线的曲板稳定性分析模型,推导得出稳定性计算公式,研究轨道板稳定性相关参数的影响规律。研究结论:(1)CRTSⅡ型板式无砟轨道应参照无缝线路稳定性理论进行纵连轨道板稳定性分析,得出轨道板最小临界温升幅度,为确定施工锁定板温提供依据;(2)轨道板与砂浆层界面的离缝或削弱是造成轨道板上拱的最直接原因,CA砂浆黏结强度的降低可导致轨道板臌曲临界力大幅度下降,CA砂浆黏结强度降低50%时,临界板温降低25%;轨道板纵向阻力降低50%时,最小临界板温降低5.7%,临界正矢增加38.1%;轨道板初始弯曲越大,最小临界板温越低,临界波长也变长,临界正矢减小;竖曲线对轨道板稳定性的影响很小,最小临界温度力降低不超过1%;(3)本研究成果阐明了纵连轨道板上拱的力学机理和诸多关键参数的影响规律,可为高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道稳定性研究提供理论参考。     

温度梯度荷载对CRTS Ⅱ型板式轨道层间损伤影响

研究目的:为探明温度梯度荷载对砂浆层和轨道板层间连接的影响,建立包含层间内聚力模型的CRTSⅡ型板式轨道有限元模型,分析正、负温度梯度荷载对层间离缝产生、发展及对轨道结构变形的影响,对比两种温度梯度荷载的影响差别.研究结论:(1)CRTS Ⅱ型板式轨道层间连接损伤区域和轨道结构变形均随温度梯度荷载的增加而增大,相同数值...     

温度梯度作用下既有离缝无砟轨道结构层间损伤扩展及变形分析

为探讨温度荷载作用下既有离缝无砟轨道结构层间损伤发展规律及上拱变形对轨道结构力学特性的影响,基于有限单元法和界面损伤内聚力模型,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型.计算结果表明:温度梯度荷载作用下,层间损伤萌生于离缝区与黏结区衔接处板角位置,并随温度梯度的持续增大斜向发展;黏结区损伤横向贯通后,轨道板竖向位移存在明...     

纵连板式轨道稳定性分析及上拱整治研究

研究目的:针对持续高温天气下纵连板式轨道上拱变形问题,本文依据弹性薄板理论构建稳定性分析模型,并根据CA砂浆层间黏结强度的内聚力模型,分弹性损伤、层间脱黏以及离缝上拱三个阶段建立系统总能量方程,运用能量变分原理和瑞利-里兹法,确定纵连板式轨道上拱变形的全过程平衡路径及失稳临界条件。研究结论:(1)在运营损伤工况下轨道板失稳的最不利临界温升为20. 53℃;(2)钢轨温度力向上分量对单块轨道板的作用合力达19. 866 kN,对轨道板上拱的影响较为显著;(3)窄接缝破损可导致层间脱黏阶段临界温升降低3. 91%;(4) CA砂浆黏结强度下降20%可导致层间脱黏阶段失稳临界温升下降17. 24%;(5)轨道板纵向阻力由55%降低至10%,最小失稳临界温升可降低32. 81%;(6)轨道板厚度增加10 mm,最小失稳临界温升可提高6. 03%;(7)该研究成果可为纵连板式轨道及其他既有轨道结构的病害整治措施提供理论参考。     

温度作用下轨道板与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道的影响分析

轨道板与水泥乳化沥青砂浆离缝是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要伤损形式之一,水泥乳化沥青砂浆具有支承、缓冲、传载等作用,离缝将影响无砟轨道的变形与受力。基于弹性地基梁体理论和有限元方法,建立了路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道有限元模型,分析在温度荷载和自重作用下不同离缝长度以及产生离缝后CA砂浆层参数对轨道结构的影响。结果表明:轨道板的翘曲位移及纵向应力均随着离缝长度增大而增加;当离缝长度超过1.95 m时,轨道板的翘曲变形及纵向应力都急剧增大,建议轨道板与CA砂浆层离缝长度不宜超过1.95 m。     

CRTSⅡ型轨道板上拱变形及对钢轨的影响

运营过程中发现CRTSⅡ型轨道板边角位置与砂浆层之间存在离缝,而现有研究除考虑宽窄接缝破损外,均未涉及宽窄接缝处上拱变形的情况。本文根据推板试验结果对砂浆层与轨道板的水平连接施加不同的约束方式,分析轨道板上拱的成因及其对钢轨变形的影响。研究结果表明:轨道板上拱主要由CA砂浆层的水平约束刚度不均匀引起;当轨道板各层温度均高于施工锁定温度处于升温状态时,轨道板的最大上拱变形纵向上出现在宽窄接缝处,横向上出现在板中;轨道板变形随着离缝区域的增大逐渐趋于平稳;变形传递系数在正温度作用下为0.63,在负温度作用下为0.31。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道层间传力规律及离缝破坏研究

水泥乳化沥青砂浆层离缝是CRTSⅡ型板式无砟轨道的主要病害。本文采用双线性黏结滑移模型表征轨道板与砂浆层的黏结关系,对推板时的层间传力规律进行理论分析;利用有限元方法,根据推板试验结果对层间参数进行拟合,研究推板时层间传力规律;基于黏结滑移模型,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道三维有限元模型,分析极限温度梯度荷载作用下层间破坏规律。结果表明:温度梯度荷载作用下,层间的伤损主要产生在板边,与现场观察的离缝一致;层间黏结强度的增加能够减小层间伤损值及伤损区域,黏结强度小于0.025 MPa时在正温度梯度荷载作用下轨道板容易出现上拱现象;该层间模型中的弹性段长度δ_1值对层间传力规律影响较大,δ_1值的增加能够有效减小层间伤损值及伤损区域。     

温度梯度荷载作用下CRTS Ⅱ型无砟轨道层间离缝分析

运营期间的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道在温度梯度荷载不断的作用下,轨道板与砂浆层之间会脱粘开裂,出现离缝,是无砟道床伤损形式之一。选择华东地区一高速铁路路基段设置测试工点,对轨道结构温度梯度及气温进行监测,并计算轨道板温度梯度极值。计算结果表明,测试期间出现的最大正温度梯度超过设计规定值。基于此,采用有限元方法建模并计算分析温度梯度荷载作用下轨道板与砂浆层间离缝的特征。结果表明,90℃/m正温度梯度荷载作用下,离缝由板端开始产生,并随温度梯度增大逐渐向板中心区域扩展。这与现场调研情况吻合。华东地区高速铁路线路高温季节出现过大的正温度梯度是轨道板与砂浆层间离缝产生和发展的主要原因之一。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳力学性能分析

研究目的:目前无砟轨道结构在高速铁路中应用广泛,但对其疲劳问题的研究却并不多见。为了探究路基上CRTSⅡ型无砟轨道结构体系在恒载、温度和列车往复荷载作用下的疲劳力学性能,本文基于等效静力法实现了CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的疲劳力学性能及损伤发展的三维仿真分析,揭示出CRTSⅡ型板式无砟轨道结构体系在运营过程中的经时性能演变规律。研究结论:(1)冬季轨道板大部分区域处于受拉状态,假缝处可能发生开裂损伤;夏季轨道板基本处于受压状态,仅板底假缝附近局部受拉;(2)轨道板、CA砂浆、支承层最大应力随着时间增加而减小,竖向位移差随着时间增加而增大,但都在约20年后趋于稳定;(3)轨道板除假缝(拼缝)位置外基本无严重疲劳损伤,且各条假缝(拼缝)的开裂损伤发展会在5年内趋于稳定,最终各断面的开裂面积比大约稳定在0.7左右;(4)本文可为路基上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构体系的设计、维护和维修提供一定的理论依据。     

夏季高温下支承层斜裂缝诱发纵连板上拱规律研究

在夏季高温作用下,支承层斜裂贯通缝可能导致结构上拱变形,衍生次生病害。基于内聚力和塑性损伤理论建立CRTSⅡ型板式无砟轨道结构有限元模型并与现场实测结果对比验证模型的有效性,分析夏季高温作用下支承层斜裂缝导致的结构上拱变形、离缝、受力和伤损规律。结果表明,温度荷载作用下,斜裂缝一旦贯通,轨道结构变形急剧增大。随温度升高,支承层相互错动,CA砂浆层与支承层先离缝,随后轨道板与CA砂浆层离缝,轨道结构上拱变形。结构性能随温度演化过程可分为0～20℃的缓慢发展阶段、20～30℃的加速发展阶段和大于30℃的飞速破坏阶段。贯通斜裂缝位于板中,角度30°时,轨道结构变形达到最大值26 mm。建议温度大于30℃时,检修重点关注角度不大于45°的板中斜裂贯通缝。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构早期温度场特征研究

以京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,通过对轨道结构早期纵连阶段温度场长达半年的现场观测,研究CRTSⅡ型板式无砟轨道结构早期温度场的分布及变化规律。结果表明:轨道板面温度、轨道板温度梯度及气温三者的变化规律基本一致,且呈周期性变化,变化周期均为1d;随着轨道结构深度的增加,其温度和温度梯度的波动幅度均逐渐减小且相位差逐渐增大,当深度超出轨道板厚度(20cm)后,二者波动幅度很小且基本趋于稳定;CA砂浆层和支承层的温度梯度变化较小;板面温度的高低决定了轨道板温度梯度的大小。采用最小二乘法对板式轨道结构早期温度场进行回归分析,建立轨道板内不同深度处的温度预估模型及轨道板面最高温度、轨道板最大温度梯度的预估模型,相关系数为0.812~0.968,表明预估模型精度较高。     

严寒地区CRTSⅠ型无砟轨道板四角离缝成因研究

研究目的:针对严寒地区哈大客专CRTS(China railway track system)Ⅰ型轨道板与充填层砂浆四角离缝呈现规律变化的实际情况,为减少或消除四角离缝对无砟轨道结构的影响,从理论上探讨CRTSⅠ型无砟轨道板四角离缝成因,并提出应对措施,以供我国板式无砟轨道结构设计与施工参考。研究结论:(1)造成CRTSⅠ型轨道板四角离缝的主要原因是板面、板底温差引起的翘曲变形及铺轨后相邻轨道板间低高程轨道板的"空吊"现象;(2)砂浆灌注施工宜选择夜间或昼夜温差小的季节,以21:00-06:30之间为最佳,同时,应确保轨道板精调准确、扣压有效以及砂浆灌注施工充填饱满;(3)应提高轨道板调整精度,尤其是最大限度地消除相邻轨道板的高差;(4)研究成果对CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ型板式无砟轨道施工减少板角离缝具有重要意义。     

组合荷载作用下CRTSⅢ型板式无砟轨道层间离缝影响分析

在车辆荷载和温度作用下,CRTSⅢ型板式无砟轨道由于自密实混凝土层与底座板间产生离缝,发生应力集中和局部变形,对无砟轨道服役状态和使用寿命造成明显影响。基于ABAQUS有限元模型,计算车辆与温度不同荷载组合下,层间离缝横向和纵向发展对无砟轨道结构受力变形的影响,探究伤损演变规律和维修限值。研究结果表明:层间离缝宽度小于1.5m,轨道结构受力和变形的影响很小;离缝发展至两侧钢轨正下方后,轨道结构变形和应力均增大明显;离缝长度大于1.2m,对轨道板出现受拉裂缝和无离缝端上翘;正温度梯度荷载对轨道板弯折变形和自密实混凝土层纵横拉应力以及负温度梯度荷载对轨道板上翘和纵横拉应力均有叠加放大效应。     

高温季节桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道温度分布试验研究

为研究高温季节高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的温度分布规律,制作CRTSⅡ型板式无砟轨道-预应力混凝土简支箱梁1:4缩尺试验模型。通过开展夏季典型高温天气的温度试验,分析高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的温度分布变化规律,研究无砟轨道横、竖向温度分布型式。结果表明:在非阳光直射条件下,高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道竖向温度分布、温差分布和温度梯度分布均呈"S"形非线性分布,且呈周期性变化;轨道板与CA砂浆层间竖向温度梯度为正温度梯度,最不利竖向负温度梯度发生于CA砂浆层与底座板层间;CA砂浆内部竖向温度梯度最显著,最大值为27.0℃/m;无砟轨道横向温度分布呈抛物线型,三维温度分布呈马鞍形曲面。     

轨道板与砂浆粘结试验及内聚力模型参数研究

研究目的:目前轨道板与CA砂浆层离缝损伤是我国CRTSⅡ型板式无砟轨道主要损伤形式,本文为研究砂浆层离缝损伤机理,制作混凝土和砂浆复合试件进行劈拉和剪切模型试验,采用数字图像相关(DIC)技术得到加载过程的层间应变场分布,分析得到内聚力模型参数,并采用有限元软件计算内聚力模型参数且与试验结果进行对比验证,得到轨道板与砂浆层间力学特性及其破坏模式。研究结论:(1)DIC技术能较好地描述复合试件的层间应变场分布,以及层间损伤、裂纹萌生、扩展及破坏的全过程;(2)轨道板与砂浆层间粘结破坏属脆性破坏,层间法向和切向张力-位移关系均表现为双线性关系;(3)轨道板与砂浆层间参数可取法向内聚强度1.792 MPa、界面刚度708.485 MPa/mm、临界断裂能0.025 2 mJ/mm~2,切向内聚强度0.956 MPa、界面刚度63.039 MPa/mm、临界断裂能0.018 mJ/mm~2;(4)本研究成果可用于分析轨道板与砂浆层间损伤开裂行为,可为Ⅱ型板式轨道结构的设计及维修提供理论依据。     

高温荷载下CRTSⅡ型 板式轨道上拱变形特性研究

基于CRTSⅡ型板式轨道在高温荷载作用下的上拱变形是一种比较典型的病害,将功的互等法应用到实际工程中,推导高温荷载作用下弹性薄板的功的互等定理,建立适用于两对边简支两对边自由的轨道板上拱计算模型。分析Ⅱ型板式轨道在温度荷载作用下的上拱变形特性,研究结果表明:在高温荷载作用下轨道板的上拱位移随纵向位置的变化呈正弦曲线变化趋势。分析不同因素对Ⅱ型板式轨道板上拱变形的影响,研究Ⅱ型板式轨道的上拱变形特性。从轨道板垂向稳定性和行车安全性角度,提出优化轨道结构参数和层间病害修补时机的建议。     

郑徐高铁CRTSⅢ型板式无砟轨道结构服役状态监测

为掌握CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的温度场、受力和变形规律,在郑徐高铁跨京杭大运河徐州特大桥的CRTSⅢ型板式无砟轨道结构开展监测服役状态监测的基础上,对监测数据进行了统计分析,研究表明:(1)轨道板板中温度高于自密实混凝土层和底座板;(2)轨道板上半部分温度梯度较大,下半部分温度梯度较小;(3)连续梁跨中地段轨道板板端翘曲位移高于板中翘曲位移,板端最高翘曲位移为1.9mm。连续梁梁端地段轨道板板端翘曲位移与板中翘曲位移接近;(4)随着大气温度的升高,桥梁梁缝的相对位移值逐渐减小;(5)轨道板压应力、拉应力大小变化随着温度的升高和降低而相应发生变化。     

极端温度作用下桥上CRTSⅡ型无砟轨道受力特性

为研究极端温度作用下高速铁路简支梁桥与CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道相互作用,以5～32 m简支梁为例,建立考虑钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、底座板、滑动层、摩擦板、端刺,以及梁体、墩台等构件的桥上CRTSⅡ型无砟轨道系统精细化仿真模型,研究高温和严寒等极端温度条件下系统的受力与变形特征,探讨不同轨道伸缩刚度、滑动层摩擦因数和砂浆黏结力对系统受力与变形的影响.研究结果表明:在高温条件下,轨道板代替钢轨承受了更多伸缩力,轨道板轴向力最大值出现在主端刺处,易导致上拱破坏;正温度梯度作用下,轨道板上、下表面最大纵向应力差达10.1MPa,将引起翘曲变形导致端部砂浆层脱黏;在极寒条件下,轨道板最大纵向拉力出现在右端刺处,最大值达3.9 MPa,轨道板易发生断裂;底座板初始裂缝对轨道板及底座板的受力分布与变形产生不利影响;滑动层可有效减小梁轨之间的相互作用,适当增大砂浆黏结力有利于减小轨道板-底座板离缝和砂浆脱黏等病害的发生几率.     

持续高温作用下CRTSⅡ型无砟轨道层间离缝分析

在夏季持续高温天气下,CRTSⅡ型板式无砟轨道由于温度梯度的持续作用,轨道板与砂浆层之间易产生层间离缝。基于现场气温与轨道板温度梯度实测数据,采用有限元建模计算分析持续正温度梯度作用下轨道板与砂浆层间离缝产生和发展的特征。研究结果表明:持续高温天气期间,轨道板温度整体高于气温,且温度力作用过程中正温度梯度虽未超过规范规定的轨道板设计正温度梯度90℃/m,但轨道板与砂浆层之间仍能产生层间离缝。通过比较,持续高温与温度梯度90℃/m作用下,两者层间损伤程度较为接近,且靠近板角位置层间离缝现象比其他位置更加严重。建议工务部门重视持续高温对无砟轨道工作性能的影响。     

CRTSⅡ型板式轨道假缝开裂对轨道受力的影响分析

为分析CRTSⅡ型板式无砟轨道假缝开裂对轨道受力性能的影响,以桥上Ⅱ型板式无砟轨道为例建立模型,应用有限元法,计算分析不同数量和不同深度的假缝裂缝在不同荷载作用下对Ⅱ型板式轨道受力性能的影响。结果表明,对比列车荷载和温度梯度的影响,正温度梯度作用下,假缝开裂对轨道结构的受力影响最大,裂缝深度小于200 mm时,裂缝处混凝土会发生局部受压破坏;裂缝深度达到200 mm时,开裂会导致底座板和砂浆层的连带破坏;随着开裂数量的增加,砂浆层和底座板的应力峰值减小。不同荷载作用下,假缝开裂都会导致裂缝处纵连钢筋应力的突变,但不会导致纵连钢筋的屈服破坏。