双块式无砟轨道与配筋混凝土路面结构设计研究

研究目的:双块式无砟轨道是在连续配筋混凝土路面工程的基础上发展而来的,深入分析配筋混凝土路面的结构设计,对比双块式无砟轨道的结构设计,从而为高速铁路双块式无砟轨道的结构设计提供参考。研究结论:连续配筋的混凝土路面结构纵横向没有伸缩接缝,但由于温度荷载会使在自由端部的75m范围内发生总量大约3～5cm的位移,故在端部通常采用锚固装置或多处设胀缝的设施,将端部位移逐步分散、消失。连续配筋的混凝土路面的裂缝宽度以不严重渗水为好,一般应小于0.6mm,低温下应不大于1.0mm;配筋率约为0.5%～0.8%,钢筋一般采用单层布置。路面板铺设在沥青处理的基层或整平层上对控制横向裂缝较好。德国双块式无砟轨道配筋率为0.8%～0.9%,裂缝设计控制宽度为0.5mm,裂缝间距为2m左右,钢筋采用单层配筋,设置在道床板的中下层。我国CRTSⅠ型双块式无砟轨道为使道床板能够承受更大的弯矩变形,道床板厚度设计为260mm,并采用双层配筋的方式。     

连续道床板温度应力计算方法研究

基于不完全裂缝的假设推导了连续道床板开裂后的钢筋应力、裂缝宽度、裂缝间距的计算方法。研究表明,当裂缝为不稳定裂缝形式时,混凝土收缩和降温作用下的裂缝最大宽度相同,与混凝土抗拉强度、钢筋直径成正比,配筋率越高,裂缝宽度越小,与降温幅度或收缩值无关。降温情况下的钢筋最大应力与混凝土抗拉强度成正比,混凝土收缩情况下的钢筋最大应力较等效降温情况下低Esεsh。在降温和混凝土收缩等效降温情况下的最大裂缝间距相同。该计算方法可作为我国客运专线连续式无碴轨道的设计参考。采用高强度等级混凝土的情况下应适当提高配筋率以保证必要的安全性。     

温度和列车荷载作用下弹性支承块式无砟轨道道床板配筋率计算

建立了道床板分别在温度力裂缝宽度控制及列车动荷载作用下的道床板有限元计算模型,计算了道床板在分别受温度力裂缝宽度控制及列车荷载作用下应力、弯矩,计算了混凝土道床板在不同裂缝宽度控制下的所需的配筋率,并根据计算结果绘制这二者双重作用下的道床板配筋布置图.     

无砟轨道混凝土开裂特性模型试验研究

针对无砟轨道连续道床板,按截面等效单元思路,进行模型试验,测试各裂纹产生时的裂纹间距、轴向拉力、钢筋应力、裂纹宽度等情况。研究结果表明:道床板裂纹发展呈现为不稳定裂纹和稳定裂纹两个阶段;最小不稳定裂纹间距比理论计算值略小,且分布范围较大,造成各试件出现的裂纹数量不等;试件开裂时的拉力大多数小于其理论计算值,裂纹一旦产生,其附近钢筋应力突增;目前连续道床板配筋率偏低,强度储备不足,宜适当增加钢筋强度或配筋率。为保证结构安全,可取末次开裂轴力进行设计,或考虑混凝土强度的离散性,取一定保证率条件下的理论开裂轴力进行设计。     

城际铁路弹性支承块式无砟轨道结构优化及检算

为合理控制城际铁路轨道工程投资,针对城际列车轴重轻、编组小的特点,对弹性支承块式无砟轨道进行结构优化设计与检算分析。基于数值分析理论及有限元分析方法,研究隧道内弹性支承块式无砟轨道在设计轮载及现浇混凝土收缩荷载组合下裂缝开展情况,并进行道床板配筋设计及裂缝宽度检算;基于定额测算对比城际铁路与客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道的经济性。结果表明:城际铁路弹性支承块式无砟轨道道床板纵向只需配构造钢筋,按照配筋设计检算得出的道床板横向最大裂缝宽度为0.205 mm,小于裂缝容许值;相比于客货共线铁路,城际铁路弹性支承块可降低投资约10%。     

考虑黏结滑移关系的连续道床板伸缩刚度计算方法

连续道床板在降温和自身收缩情况下容易出现裂缝,从而造成伸缩刚度的折减,不同裂缝间距时的伸缩刚度差别很大,而伸缩刚度又是连续道床板温度力计算的重要参数。考虑钢筋与混凝土间的黏结滑移关系,建立一种连续道床板伸缩刚度计算方法,对不同裂缝间距情况下的钢筋和混凝土应力、黏结阻力以及伸缩刚度进行研究,对黏结阻力型式、混凝土强度等级和配筋率对伸缩刚度的影响进行参数研究。研究结果表明:即使在一定的裂缝间距情况下,伸缩刚度也并非一定值,而是随荷载增大而逐渐降低的变量,混凝土强度等级对伸缩刚度折减的影响较小,配筋率影响较大,检算过程中可根据裂缝间距增加一定的边界条件即可得到不同温度条件下的应力与刚度分布。     

双块式无砟轨道道床板疲劳计算分析

双块式无砟轨道道床板受温度及列车荷载反复作用,存在裂缝及疲劳损伤问题,对于双块式无砟轨道道床板疲劳设计及疲劳检算,尚无相关标准。借鉴公路混凝土路面疲劳的检算方法,结合现行国内混凝土结构标准,对道床板疲劳设计及检算方法进行了初步研究,并拟合出裂缝宽度与道床板疲劳配筋率的函数关系。     

FRP筋混凝土受弯构件最大裂缝宽度可靠度分析

FRP筋因其良好的抗腐蚀性能,可替代钢筋用于强腐蚀环境或有电磁绝缘要求的混凝土结构中,但它属于非金属材料且弹性模量较低,因此,FRP筋混凝土受弯构件将产生较大的裂缝宽度.目前,我国纤维增强复合材料建设工程应用技术规范中其最大裂缝宽度的计算公式是对混凝土设计规范中计算公式的简单套改,区别在于荷载组合形式采用标准组合和最大裂缝宽度限值放宽至0.5 mm,但并未对公式进行可靠性分析,其合理性有待考证.为此,本文选取荷载效应比、配筋率、FRP筋弹性模量、FRP筋直径、截面高度、保护层厚度以及混凝土强度等作为影响因素对FRP筋构件裂缝宽度可靠度水平进行评估,分析这些因素对可靠指标的影响规律,得到可靠指标的界限值.研究结果表明:按目前规范对FRP筋最大裂缝宽度的可靠指标控制较为保守,尤其是当荷载效应比较大时,可靠指标超过2.0,明显偏高,造成不必要的浪费.因此本文建议计算FRP筋受弯构件最大裂缝时,采用荷载准永久组合,这样其可靠度控制水平更为恰当.     

双块式无砟轨道裂纹对结构受力特征的影响分析

建立了含初始裂纹的CRTSⅠ型双块式无砟轨道空间有限元实体模型,对无砟轨道的受力特性进行研究,为无砟轨道的优化设计及其养护维修提供一定的理论基础。综合考虑列车荷载和温度应力的共同作用,求出了裂纹张开量和道床板纵向钢筋应力,并分析了裂纹深度和道床板配筋率对裂纹张开量和道床板纵向钢筋应力的影响。得出结论:(1)在列车荷载和整体温降共同作用下,无砟轨道道床板裂纹深度对裂纹张开量和裂纹处道床板下层纵向钢筋应力的影响不明显;(2)在满足最小配筋率的前提下,道床板配筋率对无砟轨道道床板裂纹张开量没有影响;在列车荷载和整体温降共同作用下,道床板配筋率对裂纹处道床板下层纵向钢筋应力的影响也不明显。     

路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性研究

研究不同荷载作用下,高速铁路路基上双块式无砟轨道道床板空间力学特性。钢轨及道床板中钢筋用梁单元模拟,道床板、双块式轨枕、支承层以实体单元模拟,钢轨与道床板、道床板混凝土与钢筋、支承层与路基之间的连接用弹簧单元模拟,建立了可考虑混凝土开裂的路基上双块式无砟轨道三维有限元力学模型,分析了自重荷载、列车垂向荷载、不沉匀沉降荷载、温度梯度荷载作用下道床板的空间力学特性。结果表明:温度梯度荷载对混凝土纵、横向拉应力的影响最为显著;在列车荷载、不均匀沉降及温度梯度荷载作用下,钢筋纵向拉应力均超过了20 MPa;不同荷载作用下,支承层厚度、支承层弹性模量、道床板厚度等参数变化对混凝土和钢筋力学特性的影响不同;混凝土和钢筋纵向拉应力随着道床板裂缝间距的增加而增大。